ПРУТОК ИЗ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ СТАЛИ Российский патент 2006 года по МПК C21D8/06 C22C38/44 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, круглого, из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, используемого для изготовления штоков амортизаторов автомобиля.

Известен сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0.38-0.47%, марганец 0.8-1.2%, кремний 0,17-0,37%, ванадий 0,08-0,18%, бор 0.001-0.005%, азот 0.005-0.025%, сера 0.036-0.080%, кальций 0.001-0.010%, остальное при условии, что отношение марганца к кальцию составляет 100-1100 (Авторское свидетельство СССР SU 1689424 А1, С 22 С 38/60 от 07.11.1989 г. Бюл. №41). Недостатком данной стали является относительно высокое содержание азота и отсутствие в композиции элементов, защищающих бор от связывания в нитриды, что в ряде случаев не позволит достичь заявляемого авторами эффекта по повышению характеристик прокаливаемости.

Известен сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0.42-0.50%, кремний 0.17-0.37%, марганец 0.50-0.80%, серу - не более 0.040%, фосфор - не более 0.035%, остальное железо. Примеси: хром - не более 0.25%, никель - не более 0.30, мышьяк - не более 0.08%, азот - не более 0.008%, медь - не более 0.30% (Марочник сталей и сплавов, под редакцией А.С.Зубченко, М., Машиностроение, 2003, стр.102).

Наиболее близким аналогом является известный сортовой прокат, круглый в прутках, выплавленный из среднеуглеродистой стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющий заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием (см. RU 2156312 С1, С 21 D 8/04, 20.09.2000).

Задачей изобретения является обеспечение рациональных условий обработки резанием штоков амортизаторов автомобиля при одновременном обеспечении однородных механических свойств по сечению проката.

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату, круглому, из среднеуглеродистой стали, используемой для изготовления штоков амортизаторов методом точения при перпендикулярной подаче резца, является обеспечение повышенных характеристик обрабатываемости резанием, при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств и одновременном повышении характеристик прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 30 мм.

Для решения задачи в известном сортовом прокате, круглом в прутках, выплавленном из среднеуглеродистой стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющем заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, сталь содержит следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод0,42-0,50марганец0,50-0,80кремний0,17-0,37сера0,020-0,040фосфор0,001-0,030алюминий0,03-0,050кальций0,001-0,010кислород0,001-0,015хромне более 0,25никельдо 0,25медьне более 0,25молибденне более 0,10мышьякне более 0,08азотне более 0,015железо и неизбежные примесиостальное

при выполнении соотношений:

кислород/кальций = 1-4,5; кальций/сера ≥0,065, неметаллические включения сульфидов имеют двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой. Кривизна прутков - не более 0,5 мм/м. Прокат имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна - 5-8 балл, диаметр проката составляет от 10 до 30 мм, не имеет обезуглероженный слой, твердость заготовки 229-255, временное сопротивление разрыву не менее 660 МПа, относительное удлинение не менее 8%, относительное сужение не менее 35%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии (шток амортизатора диаметром до 25 мм) после токарной обработки, закалки токами высокой частоты и последующей шлифовки феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня прочности и пластичности. Верхняя граница содержания углерода (0.50%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.42% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент, существенно повышающий устойчивость переохлажденного аустенита. При этом верхний уровень содержания марганца - 0.80% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.50% необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0.17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности 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.

Фосфор - элемент, способствующий увеличение характеристик резания стали. При этом верхний уровень содержания фосфора - 0.030% обусловлен необходимостью предотвращения развития процессов обратимой отпускной хрупкости стали, а также обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.0010% необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел (0.010%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний (0.001%) предел - вопросами технологичности производства.

Кислород, образуя оксидную пленку на сульфидах, способствует повышению обрабатываемости стали резанием при одновременном сохранении высокого комплекса потребительских свойств стали. Верхний уровень содержания кислорода - 0.015% обусловлен необходимостью обеспечения требуемой пластичности стали, а нижний - 0.001% необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.

Соотношение кислород/кальций=1÷4.5 отвечает за возможность образования сэндвич-неметаллического включения. При этом верхняя граница соотношения - 4.5 обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - 1 соответственно возможностью образования двухслойного сэндвич-неметаллического включения.

Соотношение кальцйй/сера≥0.065% определяет условия образования глобулярных неметаллических включений (сульфидов). Если выполняется данное соотношение, то сульфиды глобулярные, в противном случае в стали присутствуют вытянутые сульфиды, что повышает анизотропию свойств стали и ухудшает соотношение прочность-вязкость, особенно сильно в поперечном направлении проката.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - алюминия, кальция и кислорода, а также соотношениями: кислород/кальций=1÷4.5 и кальций/сера≥0.065%.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна". Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение характеристик обрабатываемости резанием при сохранении благоприятного соотношения прочность-пластичность и вязкость стали.

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

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0.46%, марганец -0.71%, кремний - 0.36%, сера - 0,033%, фосфор - 0.025%, алюминий - 0.033%, кальций - 0.0025%, кислород - 0.008%) проводили в 150-тонных дуговых сталеплавильных' печах (ДСП-150, мощность трансформатора 80 мВт) с использованием в шихте 60% металлизованных окатышей и 40% металлического лома, что обеспечивает получение массовой доли азота перед выпуском из ДСП не более 0,003%, а также низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию проводили в ковше при выпуске из ДСП (Выпуск в ковш перекисленного металла. Раскисление металла - при выпуске алюминием, ферросилицием - раскисление, легирование - FeMn(SiMn), FeCr). После выпуска проводили продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин. Затем вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом производится легирование (тонкое) - углерод, марганец и кремний. После вакуумирования - обработка на печи-ковше. За 15-30 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 минут обработка порошковыми проволоками с силикокальцием и чистой серой. Разливку стали проводили на сортовой УНРС радиального типа в НЛЗ 300х360 мм со скоростью вытягивания 0,6-0,7 м/мин. При разливке осуществлялась защита струи от вторичного окисления следующим образом: стальковш-промковш - погружная труба с подачей аргона - промковш - шлакообразующая смесь - промковш-кристаллизатор - погружной стакан (корундографитовый) - в кристаллизаторе - шлакообразующая смесь. После разливки и пореза на мерную длину непрерывнолитые заготовки охлаждали в печах контролируемого охлаждения. Далее слитки прокатывали на стане 700 в заготовку (квадрат 170 мм). Вся исходная заготовка подвергалась правке, очистке от окалины, контролю поверхности. Нагрев заготовки перед прокаткой производили в двух методических печах с шагающим подом. Температура нагрева заготовки - 900°С, что обеспечивает снижение энергозатрат на 15 % и значительно снижает обезуглероживание проката. Окалину с поверхности заготовки удаляли водой высокого давления на установке гидросбива окалины. Прокатку вели в непрерывных линиях - мелкосортной и среднесортной. Высокая жесткость клетей, автоматическое согласование скорости клетей, система петлерегулирования в чистовой группе мелкосортной линии позволили получить прокат высокой точности. Отделку проката осуществляли вне потока. Отделка включала в себя операции правки, контроля поверхностных дефектов и ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку прутков круглого проката. Точность проката после обточки соответствует квалитету h11. На установке "Бунт-пруток" из мотков горячекатаного проката получают обточенные прутки длиной до 6 метров с точностью порезки ±5 мм.

В результате горячей прокатки и последующей специальной отделки поверхности получали сортовой прокат диамтром 16,4 мм, длиной - 6000 мм, кривизна прутков - не более 0.3 мм/м. Структура пластинчатого перлита, обезуглероденный слой глубиной 0.05 мм, балл действительного зерна - 6, твердость заготовки 229-241НВ, временное сопротивление разрыву 720 МПа, относительное удлинение 12%, относительное сужение 48%.

Соотношение: кислород/кальций=3.2, содержание кальция - 0.0025%, кислорода - 0.008%; кальций/сера= 0.076, содержание кальция - 0.0025%, серы - 0,033%.

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, обеспечивающего получение двухслойных сэндвич-неметаллических включений, гарантирующих, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны - благоприятное соотношением прочности пластичности и вязкости стали.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, круглого, используемого для изготовления штоков амортизаторов автомобиля. Техническим результатом изобретения является улучшение обработки резанием при одновременном обеспечении однородных механических свойств по сечению проката. Для достижения технического результата пруток выплавляют из среднеуглеродистой стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%: углерод 0,42-0,50, марганец 0,50-0,80, кремний 0,17-0,37, сера 0,020-0,040, фосфор 0,001-0,030, алюминий 0,03-0,05, кальций 0,001-0,010, кислород 0,001-0,015, хром не более 0,25, никель не более до 0,25, медь не более 0,25, молибден не более 0,10, мышьяк не более 0,08, азот не более 0,015, железо и неизбежные примеси - остальное, при выполнении соотношений кислород/кальций =1-4,5 и кальций/сера≥0,065. Пруток имеет неметаллические включения с двухслойной структурой - сульфид с оксидной оболочкой, кривизну - не более 0,5 мм/м, пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна - 5-8 баллов, диаметр - от 10 до 30 мм, твердость 229-255, временное сопротивление разрыву не менее 660 МПа, относительное удлинение не менее 8%, относительное сужение не менее 35%.

Сортовой прокат, круглый в прутках, выплавленный из среднеуглеродистой стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющий заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, отличающийся тем, что сталь содержит следующие соотношения компонентов, мас.%:

Углерод0,42-0,50Марганец0,50-0,80Кремний0,17-0,37Сера0,020-0,040Фосфор0,001-0,030Алюминий0,03-0,050Кальций0,001-0,010Кислород0,001-0,015ХромНе более 0,25НикельДо 0,25МедьНе более 0,25МолибденНе более 0,10МышьякНе более 0,08АзотНе более 0,015Железо и неизбежные примесиОстальное

при выполнении соотношений:кислород:кальций = 1-4,5; кальций:сера ≥0,065,неметаллические включения сульфидов имеют двухслойную структуру сульфид с оксидной оболочкой, прокат имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-8 баллов, диаметр 10÷30 мм, твердость 229-255 НВ, временное сопротивление разрыву не менее 660 МПА, относительное удлинение не менее 8%, относительное сужение не менее 35%, кривизну не более 0,5%.