СОРТОВОЙ ПРОКАТ, КРУГЛЫЙ, ИЗ НИЗКОЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ КРЕПЕЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ Российский патент 2005 года по МПК C21D8/06 C22C38/54 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, круглого, из низкоуглеродистой борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных сложнопрофильных крепежных деталей особо сложной формы.

Известен сортовой прокат круглый из микролегированной стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющую заданную структуру, например холоднодеформированный мартенсит, прочность на разрыв, не менее 1800 МПа и диаметр проволоки составляет 0.1-0.5 мм [1].

Известен сортовой прокат, круглый из низкоуглеродистой борсодержащей стали, содержащей (мас.%): углерод 0,15-0,30%, кремний 0,5-0,8%, марганец 0,7-1,5%, фосфор 0,02-0,10, медь 0,1-0,4, бор 0,001-0,005%, титан 0,01-0,05%, алюминий 0,01-0,05%, остальное железо, имеющий заданные механические свойства [2]. Недостатками данной стали являются широкие границы содержания легирующих элементов, что может привести к нестабильности механических свойств, ее низкая технологичность и недостаточный уровень прокаливаемости.

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является сортовой прокат, круглый, из низкоуглеродистой борсодержащей стали, содержащей (мас.%): углерод 0,10-0,20%, кремний 0,15-0,30%, марганец 0,90-1,40%, молибден 0,01-0,30%, бор 0,005-0,005%, титан 0,01-0,04, азот 0,005-0,015%, остальное железо, при следующих соотношениях компонентов ; Mn+5×Mo≥2.15, имеющие заданные структуру и механические свойства [3]. Недостаток известного способа заключается в том, что при относительно высоким уровне вариации содержания углерода не учтен фактор защиты бора от связывания в нитриды, что не позволит получить повышенные характеристики прокаливаемости.

Задачей изобретения является обеспечение рациональных условий холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей при одновременном обеспечении однородных механических свойств по сечению проката и повышенных характеристик прокаливаемости стали.

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату, круглому, из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей особо сложной формы, является, с одной стороны, высокая технологическая пластичность и низкий коэффициент деформационного упрочнения в состоянии поставки и, с другой стороны, способность обеспечить заданный уровень потребительских свойств после завершающего термоупрочнения.

Поставленная задача решена тем, что известный сортовой прокат, круглый, из низкоуглеродистой борсодержащей стали, имеющий заданную структуру, временное сопротивление разрыву и твердость, согласно изобретению выполнен из стали, содержащей следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод 0,10-0,15

марганец 0,90-1,40

кремний 0,001-0,37

сера 0,005-0,020

хром 0,001-0,35

никель 0,005-0,10

ниобий 0,005-0,02

титан 0,01-0,04

бор 0,0005-0,0050

алюминий 0,02-0,06

азот 0,005-0,015

железо и

неизбежные примеси остальное

Причем:

максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 балла по каждому виду включений, прокат имеет однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 баллов, диаметр составляет от 10 до 23 мм, имеет обезуглероженный слой не более 1.5% от диаметра, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, сквозную (90%) прокаливаемость в кругах диаметром до 15 мм, временное сопротивление разрыву не более 520 МПа, относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 65%.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии (болт, гайка, шпилька диаметром до 23 мм) после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920°С с последующим отпуском от температуры не ниже 620°С) однородную мелкодисперсную структуру мартенсита отпуска с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод и карбонитридообразующие элементы (ниобий) вводятся в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ниобий и ванадий управляют процессами в аустенитной области (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α- превращения. Ниобий и ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0.15%), ниобия (0.02%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.10%, 0.005% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и хром используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент, существенно повышающий устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающий прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 1.40%, хрома (0.35%) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.90%, 0.001% необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0.001% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. Верхний предел содержания бора определяется соображениями пластичности стали, а нижний - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.

Алюминий и титан используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора oт связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так нижний уровень содержания данных элементов (0.02 и 0.01 соответственно) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0.06 и 0.04) требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

Азот - элемент, участвующий в образовании карбонитридов, при этом нижний уровень его содержания (0.005%) определяется требованием обеспечения заданного уровня прочности, а верхний уровень (0.015%) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и прокаливаемости.

Никель в заданных пределах (0.005-0.10%) влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0.020%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.005%) - вопросами технологичности производства.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN и AlN в результате протекания реакций:

[Ti]+[N]=TiN, [Al]+[N]=AlN

требуется выполнение следующего соотношения элементов, в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.

Соотношения: определяют условия сохранения в стали более 50% эффективного бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".

Ниже дан пример осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

Выплавка борсодержащих сталей производится в шахтной электропечи “Фукс”. Для гарантированного низкого содержания азота разработана специальная технология, включающая шихтовку плавки жидким чугуном до 40% от общего объема шихты. Окислительный период предусматривает высокие скорости окисления углерода в пределах 0,05-0,07%/мин. Электрический режим предусматривает отключение печи при содержании углерода на 0,2-0,4% выше нижнего предела по заданному, додувку по углероду производят без электродуги. Температура выпуска из печи 1640-1680°С. Ввод ферросплавов, обработка стали для удаления неметаллических включений производится на установке печь-ковш, оборудованной системой электроподогрева или химподогрева. Температура стали перед разливкой на 60°С выше температуры ликвидуса марки. Разливка стали производится в уширенный к верху изложницы. Масса слитка 7.85 т. Для обеспечения низкого содержания азота при разливке производится защита струи металла аргоном через специальное кольцевое устройство. Нагрев слитков в обжимном цехе производится в рекуперативных колодцах до температуры начала прокатки 1250-1270°С. Прокатка слитков производится на блюминге (стан 1300) и далее на непрерывном заготовочном стане на заготовку сечением 100×100 мм. Для снятия образовавшегося при нагреве слитков обезуглероженного слоя заготовки подвергаются абразивной зачистке. Затем производилась горячая прокатка полученной заготовки на проволочном стане 150 или мелкосортном стане 250 в диаметрах от 5,5 до 23 мм в мотках. Для обеспечения величины обезуглероженного слоя не более 1% от диаметра ограничен темп выдачи заготовок из печи не менее 100 т/час для стана 150 и не менее 56 т/час для стана 250. Температура начала прокатки заготовок 1220-1240°С для стана 250 и 1270-1290°С для стана 150. Горячую прокатку сортового проката заканчивают при температуре 1000-1050°С, далее ведут ускоренное охлаждение до 880-900°С с последующим охлаждением на воздухе до 300°С и последующей смоткой в бунты.

В результате горячей прокатки получаем сортовой прокат диаметром 15 мм со структурой зернистого перлита (95%), обезуглероденный слой глубиной 0.18 мм, балл действительного зерна - 8, холодная осадка проволоки диаметром 15 мм на 75%, временным сопротивлением разрыву 500 МПа, относительное удлинение 22%, сужение 69%..

Соотношение

Внедрение предложенного изделия - сортового проката, круглого, из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости обеспечивает получение непосредственно в потоке стана (без проведения дополнительного сфероидизирующего отжига) структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. RU 2177510 С2, С 21 D 8/06, 27.12.2001.

2. SU 901331, C 22 C 38/16,21.04.1980 г.

3. RU 2127770 С1, С 22 С 38/14, 20.03.1999 г. (прототип).

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, круглого, из низкоуглеродистой борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных сложнопрофильных крепежных деталей особо сложной формы. Техническим результатом изобретения является обеспечение рациональных условий холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей при одновременном обеспечении повышенных характеристик прокаливаемости стали. Для достижения технического результата используют сортовой прокат, выплавленный из стали, при следующем соотношении компонентов в мас.%: углерод 0,10-0,15, марганец 0,90-1,40, кремний 0,001-0,37, сера 0,005-0,020, хром 0,001-0,35, никель 0,005-0,10, ниобий 0,005-0,02, титан 0,01-0,04, бор 0,0005-0,0050, алюминий 0,02-0,06, азот 0,005-0,015, железо и неизбежные примеси остальное. При выполнении соотношений: 500·(Ti/24-N/7)+0,2≥0; 40≥С/0,01+В/0,0001≥30 прокат имеет максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам, не превышающий 3 балла по каждому виду включений, однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 баллов, диаметр проволоки составляет от 10 до 23 мм, имеет обезуглероженный слой не более 1.5% от диаметра, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, сквозную прокаливаемость в кругах диаметром до 15 мм, временное сопротивление разрыву не более 520 МПа, относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 65%.

Сортовой прокат, круглый, выплавленный из легированной стали, содержащей углерод и легирующие элементы с заданными параметрами качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и технологической пластичности, отличающийся тем, что сталь содержит следующие соотношения компонентов в мас.%:

Углерод 0,10-0,15

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,001-0,37

Сера 0,005-0,020

Хром 0,001-0,35

Никель 0,005-0,10

Ниобий 0,005-0,02

Титан 0,01-0,04

Бор 0,0005-0,0050

Алюминий 0,02-0,06

Азот 0,005-0,015

Железо и неизбежные примеси Остальное

при выполнении соотношений

максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 балла по каждому виду включений, прокат имеет однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 баллов, диаметр от 10 до 23 мм, имеет обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, сквозную 90%-ную прокаливаемость проката с диаметром до 15 мм, временное сопротивление разрыву не более 520 МПа, относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 65%.