СОРТОВОЙ ПРОКАТ КРУГЛЫЙ ИЗ БОРСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ Российский патент 2008 года по МПК C21D8/06 C22C38/60 C22C38/54 

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

Известен сортовой прокат диаметром 10-25 мм из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки, имеющий неметаллические включения по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам, не превышающие 3 баллов по каждому виду включений, размер действительного зерна 5-10 баллов, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 580 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55% (RU 2249625 C1, C21D 8/06, 10.04.2005).

Известен сортовой прокат диаметром 10-25 мм из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки, имеющий неметаллические включения по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам, не превышающие 3 баллов по каждому виду включений, размер действительного зерна 5-10 баллов, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 580 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55% (RU 2249626 С1, C21D 8/06, 10.04.2005).

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 достигается тем, что сортовой прокат диаметром 10-25 мм из среднеуглеродистой борсодержащей стали для холодной объемной штамповки получен из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод0,06-0,35марганец0,60-1,40кремний0,001-0,37сера0,005-0,020хром0,001-0,35ванадий0,001-0,05ниобий0,005-0,02титан0,01-0,04бор0,0005-0,0050алюминий0,02-0,06азот0,005-0,015мышьяк0,0001-0,03олово0,0001-0,02свинец0,0001-0,01цинк0,0001-0,005железо и неизбежные примеси остальное,

при выполнении соотношений: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07;

прокат имеет однородную феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, максимальный балл неметаллических и включений по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 баллов по каждому виду включений, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 580 Н/мм², предел текучести не более 540 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%, критический диаметр при закалке в масло не менее 15 мм.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит, мае %: фосфор не более 0,025; медь не более 0,15; кислород не более 0,004; молибден не более 0,10; никель не более 0,10.

При содержании в стали углерода 0,06-0,10%; хрома 0,001-0,10%; марганца 0,60-0,90% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 420 Н/мм², предел текучести не более 370 Н/мм², относительное удлинение не менее 34%, относительное сужение не менее 68%, критический диаметр при закалке в масло не менее 15 мм.

При содержании в стали углерода 0,08-0,14%; хром 0,05-0,20%; марганец 0,90-1,30%, прокат имеет механические свойства; временное сопротивление разрыву не более 470 Н/мм², предел текучести не более 410 Н/мм², относительное удлинение - не менее 33%, относительное сужение - не менее 66%, критический диаметр при закалке в масло не менее 15 мм.

При содержании в стали углерода 0,14-0,17%; хрома 0,05-0,20%; марганца 0,90-1,30% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 490 Н/мм², предел текучести не более 440 Н/мм², относительное удлинение не менее 32%, относительное сужение не менее 64%, критический диаметр при закалке в масло не менее 18 мм.

При содержании в стали углерода 0,17-0,23%, хрома 0,05-0,30%, марганца 0,90-1,30% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 510 Н/мм², предел текучести не более 480 Н/мм², относительное удлинение не менее 30%, относительное сужение не менее 62%, критический диаметр при закалке в масло не менее 23 мм.

При содержании в стали углерода 0,20-0,25%, хрома 0,10-0,30%; марганца 0,90-1,30% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 540 Н/мм², предел текучести не более 500 Н/мм², относительное удлинение не менее 28%, относительное сужение не менее 60%. Критический диаметр при закалке в масло не менее 27 мм.

При содержании в стали углерода 0,27-0,31%, хрома 0,10-0,30%, марганца 0,90-1,30% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 580 Н/мм², предел текучести не более 540 Н/мм², относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 55%. Критический диаметр при закалке в масло не менее 35 мм.

При содержании в стали углерода 0,30-0,34%, хрома 0,10-0,30%, марганца 0,90-1,30% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 580 Н/мм², предел текучести не более 540 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%, критический диаметр при закалке в масло не менее 45 мм.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии мелкодисперсную феррито-перлитную структуру, оптимальные содержание и морфологию неметаллических включений, однородную макроструктуру и благоприятное сочетание характеристик прочности, прокаливаемости и пластичности.

Углерод и карбонитридообразующие элементы вводятся в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной зернистой структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ниобий управляет 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), в то время как влияние ванадия проявляется при температурах ниже А₁, так как именно в этой области находится интервал интенсивного выделения карбонитрида ванадия. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0,35%), ванадия (0,05%) и ниобия (0,02%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя (соответственно 0,06%, 0,001% и 0,005%) - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца 1,40%, хрома 0,35% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня вязкости стали, а нижний 0,60% и 0,001% соответственно - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости и теплостойкости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,001% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень упругости стали. Содержание кремния выше 0,37% неблагоприятно скажется на характеристиках вязкости и пластичности стали.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. При этом 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 от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так, нижний уровень содержания данных элементов (0.02 и 0.01 соответственно для алюминия и титана) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0.06 и 0.04) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота 0.010% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел 0.005% - вопросами технологичности производства.

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

Мышьяк, олово, свинец и цинк - цветные примеси, определяющие общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий из рассматриваемой трубной заготовки. Нижний предел по мышьяку, олову, свинцу и цинку (0,0001% по каждому элементу соответственно) обусловлен технологией производства стали, а верхний (0,03%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN и A1N 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.

Соотношение (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - обеспечение повышенного уровня потребительских свойств, при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро- и микроструктуры проката.

Примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения. Выплавку исследуемой стали с различными химическими составами, мас.%:

пример 1: углерод - 0,08, марганец - 0,65, кремний - 0,05, хром - 0,09, ниобий - 0,01; ванадий - 0,02; сера - 0,008, азот - 0.007, титан - 0,025, алюминий - 0,041, бор - 0,0031, мышьяк - 0,007, олово - 0,009, свинец - 0,006, цинк - 0,002;

пример 2: углерод - 0,12, марганец - 1,25, кремний - 0,10, хром - 0,19, ниобий - 0,01; ванадий - 0,01; сера - 0,009, азот - 0.008, титан - 0,029, алюминий - 0,045, бор - 0,0033, мышьяк - 0,008, олово - 0,009, свинец - 0,004, цинк - 0,001;

пример 3: углерод - 0,15, марганец - 1,21, кремний - 0,14, хром - 0,21, ниобий - 0,01; ванадий - 0,02; сера - 0,009, азот - 0,007, титан - 0,029, алюминий - 0,045, бор - 0,0031, мышьяк - 0,007, олово - 0,007, свинец - 0,004, цинк - 0,001;

пример 4: углерод - 0,19, марганец - 1,28, кремний - 0,19, хром - 0,20, ниобий - 0,01; ванадий - 0,03; сера - 0,008, азот - 0.006, титан - 0,021, алюминий - 0,040, бор - 0,0039, мышьяк - 0,008, олово - 0,006, свинец - 0,010, цинк - 0,002;

пример 5: углерод - 0,24, марганец - 1,26, кремний - 0,17, хром - 0,25, ниобий - 0,01; ванадий - 0,02; сера - 0,008, азот - 0.007, титан - 0,029, алюминий - 0,046, бор - 0,0025, мышьяк - 0,009, олово - 0,009, свинец - 0,011, цинк - 0,002;

пример 6: углерод - 0,29, марганец - 1,22, кремний - 0,19, хром - 0,25, ниобий - 0,01; ванадий - 0,02; сера - 0,009, азот - 0.006, титан - 0,024, алюминий - 0,034, бор - 0,0029, мышьяк - 0,007, олово - 0,007, свинец - 0,008, цинк - 0,001;

пример 7: углерод - 0,34, марганец - 1,28, кремний - 0,22, хром - 0,20, ниобий - 0,01; ванадий - 0,02; сера - 0,008, азот - 0.007, титан - 0,026, алюминий - 0,031, бор - 0,0033, мышьяк - 0,008, олово - 0,007, свинец - 0,009, цинк - 0,002;) по каждому из составов производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте 100% металлизованных окатышей, 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 производится в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производилась продувка металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляется алюминием. После этого металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором имеется возможность нагрева металла до необходимой температуры, продувки его аргоном через донный продувочный блок, дозированной присадки необходимых ферросплавов и обработки стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производится наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, легирование металла алюминием до содержания 0,050%, доводка металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергается вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производится окончательная корректировка по химическому составу. После вакуумирования металл обрабатывается силикокальцием и передается на разливку. Разливка производится на четырехручьевых УНРС радиального типа в слиток размерами 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6÷0,7 м/мин, с защитой металла от окисления путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб, погружных стаканов и подачей аргона. Это также обеспечивает получение низкого содержания азота и кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждались в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 900-950°С и заканчивают при температуре 740-850°С, при деформации в последних проходах не менее 20%. Термообработка: закалка в масло.

В результате получен сортовой прокат ⊘16 мм из сталей различного состава и соотношений:

пример 1: структура феррита и псевдосферидизованного перлита, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 2 балла, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 2 балла, ликвационные полоски - 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,0 балл, оксиды точечные - 0.5 балла, оксиды строчечные - 1,0 балл, силикаты хрупкие - 0.5 балла, силикаты пластичные - 0.5 балла, силикаты недеформированные - 1,0 балл. Глубина обезуглероженного слоя - переходная зона 0,09 мм. Величина холодной осадки 1/4 высоты. Критический диаметр при закалке в масло 15 мм. Временное сопротивление разрыву 380 Н/мм², предел текучести 310 Н/мм², относительное удлинение 35%, относительное сужение 72%;

As+Sn+Pb+5×Zn=0,032;

пример 2: структура феррита и псевдосферидизованного перлита, балл действительного зерна - 8. Макроструктура: центральная пористость - 1,5 балла, точечная неоднородность - 1,5 балла, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 1,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 0,0 балл, оксиды точечные - 0.5 балла, оксиды строчечные - 0,5 балла, силикаты хрупкие - 1,0 балл, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформированные - 1,0 балла. Глубина обезуглероженного слоя - переходная зона 0,07 мм. Величина холодной осадки 1/4 высоты. Критический диаметр при закалке в масло 16 мм. Временное сопротивление разрыву 411 Н/мм², предел текучести 350 Н/мм², относительное удлинение 34,5%, относительное сужение 70%;

As+Sn+Pb+5×Zn=0,026;

пример 3: структура феррита и псевдосферидизованного перлита, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 1,0 балла, точечная неоднородность - 1,0 балла, ликвационный квадрат - 1,5 балла, подусадочная ликвация - 1,0 балла, ликвационные полоски - 1,0 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 1,5 балла, оксиды точечные - 0.5 балла, оксиды строчечные - 0,5 балла, силикаты хрупкие - 1,5 балла, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформированные - 1,5 балла. Глубина обезуглероженного слоя - переходная зона 0,08 мм. Величина холодной осадки 1/4 высоты. Критический диаметр при закалке в масло 23 мм. Временное сопротивление разрыву 464 Н/мм², предел текучести 392 Н/мм², относительное удлинение 34%, относительное сужение 68%;

As+Sn+Pb+5×Zn=0,025;

пример 4: структура феррита и псевдосферидизованного перлита, балл действительного зерна - 8. Макроструктура: центральная пористость - 0.5 балла, точечная неоднородность - 2 балла, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 1 балл, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 2 балла, оксиды точечные - 1 балл, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 0,5 балла, силикаты недеформирующие - 1 балл. Глубина обезуглероженного слоя - переходная зона 0,03 мм. Величина холодной осадки 1/4 высоты. Критический диаметр при закалке в масло 26 мм. Временное сопротивление разрыву 507 Н/мм², предел текучести 443 Н/мм², относительное удлинение 31%, относительное сужение 67%;

As+Sn+Pb+5×Zn-0,034;

пример 5: структура феррита и псевдосферидизованного перлита, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 0.5 балла, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 1 балл, ликвационные полоски - 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 2 балла, оксиды точечные - 1 балл, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 2 балла, силикаты пластичные - 2 балла, силикаты недеформирующие - 1 балл. Глубина обезуглероженного слоя - переходная зона 0,08 мм. Величина холодной осадки 1/4 высоты. Критический диаметр при закалке в масло 33 мм. Временное сопротивление разрыву 533 Н/мм², предел текучести 484 Н/мм², относительное удлинение 27%, относительное сужение 64%;

As+Sn+Pb+5×Zn-0,039;

пример 6: структура феррита и псевдосферидизованного перлита, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 2 балла, подусадочная ликвация - 2 балла, ликвационные полоски - 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 1 балл, оксиды точечные - 1 балл, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл. Глубина обезуглероженного слоя - переходная зона 0,05 мм. Величина холодной осадки 1/4 высоты. Критический диаметр при закалке в масло 37 мм. Временное сопротивление разрыву 565 Н/мм², предел текучести 511 Н/мм², относительное удлинение 23%, относительное сужение 63%;

As+Sn+Pb+5×Zn=0,027;

пример 7: структура феррита и пластинчатого перлита, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 0.5 балла, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 1 балл, подусадочная ликвация - 1 балл, ликвационные полоски - 1 балл. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 2 балла, оксиды точечные - 1 балл, оксиды строчечные - 1 балл, силикаты хрупкие - 2 балла, силикаты пластичные - 2 балла, силикаты недеформирующие - 1 балл. Глубина обезуглероженного слоя - переходная зона 0,09 мм. Величина холодной осадки 1/4 высоты. Критический диаметр при закалке в масло 42 мм. Временное сопротивление разрыву 575 Н/мм², предел текучести 534 Н/мм², относительное удлинение 19%, относительное сужение 60%;

As+Sn+Pb+5×Zn=0,037;

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.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката. Для обеспечения рациональных условий холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей прокат получают из стали, содержащей, мас.%: С 0,06-0,35, Mn 0,60-1,40, Si 0,001-0,37, S 0,005-0,020, Cr 0,001-0,35, V 0,001-0,05, Nb 0,005-0,02, Ti 0,01-0,04, В 0,0005-0,0050, Al 0,02-0,06, N 0,005-0,015, As 0,0001-0,03, Sn 0,0001-0,02, Pb 0,0001-0,01, Zn 0,0001-0,005, железо и примеси, при соотношениях: (As+Sn+Pb+5Zn)≤0,07; [3000×(Ti/24-N/7)+2,2]≥0. В качестве примесей сталь содержит, мас %: фосфор не более 0,025, медь не более 0,15, кислород не более 0,004, молибден не более 0,10, никель не более 0,10. Прокат имеет металлические включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не более 3 баллов по каждому виду включений, феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, диаметр от 10 до 25 мм, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 580 Н/мм², предел текучести не более 540 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%, критический диаметр при закалке в масло не менее 15 мм. 8 з.п. ф-лы.

1. Сортовой круглый прокат диаметром 10-25 мм из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки, полученный из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод0,06-0,35марганец0,60-1,40кремний0,001-0,37сера0,005-0,020хром0,001-0,35ванадий0,001-0,05ниобий0,005-0,02титан0,01-0,04бор0,0005-0,0050алюминий0,02-0,06азот0,005-0,015мышьяк0,0001-0,03олово0,0001-0,02свинец0,0001-0,01цинк0,0001-0,005железо и неизбежные примесиостальное,

при выполнении соотношений:

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07;

при этом он имеет однородную феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, максимальный балл неметаллических включений по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 баллов по каждому виду, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, величину холодной осадки не менее 1/3 его высоты, временное сопротивление разрыву не более 580 Н/мм², предел текучести не более 540 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%, критический диаметр при закалке в масло не менее 15 мм.