ТРУБНАЯ ЗАГОТОВКА ИЗ ШАРИКОПОДШИПНИКОВОЙ СТАЛИ Российский патент 2008 года по МПК C21D8/10 C22C38/18 C22C38/60 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм из шарикоподшипниковой стали повышенного уровня потребительских свойств и пониженной склонности к различным видам хрупкого разрушения.

Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является известная трубная заготовка из шарикоподшипниковой стали, горячекатаная, отожженная, имеющая заданные параметры структуры, макроструктуры, неметаллических включений и механических свойств. (Справочник, Современные материалы в автомобилестроении, Москва, «Машиностроение», 1977, с.125-128).

Важнейшим требованием, предъявляемым к трубной заготовке из шарикоподшипниковой стали, является, с одной стороны, обеспечение однородности микро и макроструктуры, низкого содержания неметаллических включений, с другой стороны - обеспечение повышенного комплекса потребительских свойств.

Задачей изобретения является 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, а также повышенной стойкости к отпускной хрупкости.

Поставленная задача решена тем, что известная трубная заготовка из шарикоподшипниковой стали, горячекатаная, отожженная со структурой зернистого перлита, имеющая заданные параметры неметаллических включений, структуры, механических свойств, согласно изобретению выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод0,95-1,05марганец0,20-0,40кремний0,17-0,37никель0,005-0,30алюминий0,005-0,05ванадий0,005-0,03сера0,005-0,020фосфор0,005-0,027хром1,30-1,65азот0,005-0,012мышьяк0,0001-0,03олово0,0001-0,02свинец0,0001-0,01цинк0,0001-0,005железо и неизбежные примесиостальное

при выполнении соотношений: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; 0,30≤(Mn/6+Cr/5)≤0,38, заготовка имеет размер действительного зерна перлита 6-9 баллов, макроструктуру: центральная пористость, точечная неоднородность, подусадочная ликвация не более 2 баллов по каждому виду, ликвационный квадрат, ликвационные полоски - не более 0,5 балла, неметаллические включения: сульфиды точечные, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформированные - не более 2,0 баллов по каждому виду включений. Механические свойства после отжига: временное сопротивление разрыву не менее 590 Н/мм² предел текучести не менее 390 Н/мм², относительное удлинение не менее 21%, относительное сужение не менее 45%, ударная вязкость KCU не менее 440 кДж/м², твердость 179-217 НВ.

В качестве дополнительных примесей сталь содержит в мас %: медь - не более 0,25, молибден не более 0,03, кислород не более 0,0015, титан не более 0,005.

При содержании никеля 0,005-0,10%, серы 0,005-0,010, фосфора 0,005-0,015% заготовка имеет механические свойства после отжига: временное сопротивление разрыву не менее 590 Н/мм², предел текучести не менее 390 Н/мм², относительное удлинение не менее 24%, относительное сужение не менее 48%, ударная вязкость KCU не менее 550 кДж/м², твердость 179-217 НВ.

При содержании никеля 0,10-0,30%, серы 0,010-0,020, фосфора 0,015-0,027% заготовка имеет механические свойства после отжига: временное сопротивление разрыву - не менее 610 Н/мм², предел текучести не менее 410 Н/мм², относительное удлинение не менее 21%, относительное сужение не менее 45%, ударная вязкость KCU не менее 440 кДж/м², твердость 179-217 НВ.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, повышенной прокаливаемости и повышенной сопротивляемости различным видам хрупкого разрушения.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (1,05%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,95% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Ванадий вводится в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. При этом ванадий управляет процессами в нижней части 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. Верхняя граница содержания ванадия - 0,03% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 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 - 0,40% и хрома - 1,65% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний, марганца - 0,20% и хрома - 1,30% соответственно, - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной 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.

Никель в заданных пределах влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали. При этом нижний уровень содержания никеля - 0,005%, обуславливается необходимостью обеспечения заданного уровня вязкости стали, а верхний - 0,30% необходимостью получения мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором).

Алюминий - сильный нитридообразователь и раскислитель стали. Верхний предел содержания алюминия - 0,05% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний 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 и обрабатываемости резанием.

Фосфор определяет уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Верхний предел (0,027%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,012% 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.

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

Соотношение 0,30≤Mn/6+Cr/5≤0,38 определяет уровень прокаливаемости стали.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов и соотношениями:

As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07; 0,30≤Mn/6+Cr/5≤0,38.

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 уровня потребительских свойств, при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, низкого содержания неметаллических включений, однородной макро и микроструктуры проката.

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

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения. Выплавку трех составов исследуемой стали (химический состав в мас.%:

Пример 1: углерод - 0,99%, марганец - 0,29%, кремний - 0,21%, никель - 0,09%, алюминий - 0,014%, ванадий - 0,009%, сера - 0,009%, фосфор - 0,016%, хром - 1,45%, азот - 0,007%, мышьяк - 0,010%, олово - 0,008%, свинец - 0,006%, цинк - 0,001%

Пример 2: углерод - 0,96%, марганец - 0,27%, кремний - 0,28%, никель - 0,21%, алюминий - 0,016%, ванадий - 0,012%, сера - 0,015%, фосфор - 0,022%, хром - 1,49%, азот - 0,008%, мышьяк - 0,011%, олово - 0,004%, свинец - 0,005%, цинк - 0,002% производится в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах 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 силико-кальцием 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%. После завершения прокатки заготовки отжигают и в результате получают трубную заготовку ⊘ 140 мм, длиной - 7200 мм,

По примеру 1: структура зернистого 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 балла, оксиды точечные 0,5 балла, оксиды строчечные 1,0 балла, силикаты хрупкие 0,5 балла, силикаты пластичные 0,5 балла, силикаты недеформированные 1,0 балла. Механические свойства после отжига: временное сопротивление разрыву 615 Н/мм², предел текучести 420 Н/мм², относительное удлинение 25%, относительное сужение 49%, ударная вязкость KCU 576 кДж/м², твердость 187 НВ. As+Sn+Pb+5×Zn=0,029; Mn/6+Cr/5=0,338.

По примеру 2: структура зернистого перлита, балл действительного зерна 7. 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 1,5 балла, оксиды точечные 0,5 балла, оксиды строчечные 0,5 балла, силикаты хрупкие 1,0 балла, силикаты пластичные 0,5 балла, силикаты недеформированные 1,0 балла. Механические свойства после отжига: временное сопротивление разрыву 617 Н/мм², предел текучести 401 Н/мм², относительное удлинение 21%, относительное сужение 46%, ударная вязкость KCU - 455 кДж/м², твердость 209 НВ.

As+Sn+Pb+5×Zn=0,034; Mn/6+Cr/5=0,343

Внедрение в производство трубной заготовки из шарикоподшипниковой стали обеспечивает повышение уровня потребительских свойств, при благоприятном соотношении прочности, пластичности и вязкости, пониженной склонности к обратимой отпускной хрупкости, повышенной прокаливаемости.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству трубной заготовки диаметром от 80 до 180 мм. Для обеспечения повышенного уровня потребительских свойств, она выполнена из стали, содержащей, мас.%: С 0,95-1,05, Mn 0,20-0,40, Si 0,17-0,37, Ni 0,005-0,30, Al 0,005-0,05, V 0,005-0,03, S 0,005-0,020, P 0,005-0,027, Cr 1,30-1,65, N 0,005-0,012, As 0,0001-0,03, Sn 0,0001-0,02, Pb 0,0001-0,01, Zn 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное, при соотношении: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; 0,30≤(Mn/6+Cr/5)≤0,38, при этом она имеет структуру зернистого перлита, размер действительного зерна 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, подусадочной ликвации не более 2 баллов по каждому виду, ликвационному квадрату, ликвационным полоскам не более 0,5 баллов, неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 2,0 баллов по каждому виду, временное сопротивление разрыву - не менее 590 Н/мм², предел текучести не менее 390 Н/мм², относительное удлинение не менее 21%, относительное сужение не менее 45%, ударная вязкость KCU не менее 440 кДж/м², твердость 179-217 НВ. 3 з.п. ф-лы.

1. Трубная горячекатаная заготовка из шарикоподшипниковой стали, отожженная со структурой зернистого перлита, имеющая заданные параметры неметаллических включений, структуры, механических свойств, отличающаяся тем, что она выполнена из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод0,95-1,05марганец0,20-0,40кремний0,17-0,37никель0,005-0,30алюминий0,005-0,05ванадий0,005-0,03сера0,005-0,020фосфор0,005-0,027хром1,30-1,65азот0,005-0,012мышьяк0,0001-0,03олово0,0001-0,02свинец0,0001-0,01цинк0,0001-0,005железо и неизбежные примеси остальное,

при выполнении соотношений:

(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; 0,30≤(Mn/6+Cr/5)≤0,38,

при этом она имеет размер действительного зерна перлита 6-9 баллов, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, подусадочной ликвации не более 2 баллов по каждому виду, ликвационному квадрату, ликвационным полоскам не более 0,5 баллов, неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным не более 2,0 баллов по каждому виду, сопротивление разрыву не менее 590 Н/мм² предел текучести не менее 390 Н/мм², относительное удлинение не менее 21%, относительное сужение не менее 45%, ударную вязкость KCU не менее 440 кДж/м², твердость 179-217 НВ.