СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИЗ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ ВЫСОКОПРОЧНЫХ КРЕПЕЖНЫХ ИЗДЕЛИЙ КЛАССА ПРОЧНОСТИ 14.9 МЕТОДОМ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ Российский патент 2023 года по МПК C21D8/06 C22C38/42 C22C38/44 C22C38/46 

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способам изготовления из легированной стали высокопрочных крепежных изделий и других ответственных изделий для транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники методом холодной объемной штамповки.

Использование таких сталей, позволяет существенно снизить стоимость, металлоемкость и массу, увеличить коррозионную стойкость, эксплуатационную надежность и ресурс работы изделий, особенно, в сложных природно-климатических условиях условий России.

В соответствии со стандартом ГОСТ ISO 898-1-2014 применена следующая система обозначений классов прочности, требования к свойствам которых представлены в таблице 1.

Известен способ производства высокопрочной атмосферостойкой стальной катанки для холодной высадки крепежа класса прочности 12.9. Сталь следующего химического состава, где массовая доля элементов, %: С 0,35-0,45%, Si 0,30-0,50%, Mn 0,60-1,00%, Cr 0,60-0,83%, Ni 0,50-0,80%, Cu 0,20-0,40%, Mo 0,05-0,15%, Ti 0,01-0,06%, Al 0,015-0,040%, RE 0,01-0,10%, P 0,010-0,030, O≤0,0015%, N≤0,006%, остальное Fe и неизбежные примеси. Способ изготовления включает следующие этапы: выплавку; рафинирование; вакуумирование; непрерывную разливку; контролируемую прокатку и охлаждение. Предел прочности Rm≥1220 МПа, предел текучести Rp_0.2≥1100 МПа, площадь усадки Z≥44%.

(Патент CN 110923545, МПК В21В 1/46; В21В 37/74; C21D 6/00, опубликован 2020-03-27)

Недостаток этого способа заключается в том, содержание в стали РЗМ рения обуславливает очень высокую стоимость стали и ограничивает ее широкое использование. В то же время класс прочности крепежных изделий не превышает 12.9.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ получения катанки для высокопрочных крепежных изделий классов прочности 13.9 и 14.9, устойчивых к замедленному разрушению, сталь следующего химического состава, где массовая доля элементов, %: С 0,38-0,45%, Si 0,05-0,20%, Mn 0,30-0,60%, Р≤0,015%, S≤0,015%, Cr 0,85-1.35%, Mo 0,45-0,65%, V 0,20-0,50%, Nb 0,01-0,05%, В 0,002-0,010%, Al 0,005-0,020%, остальное Fe и неизбежные примеси. Способ изготовления включает следующие этапы: выплавку; внепечную обработку; непрерывную разливку; контролируемую прокатку и охлаждение. Микроструктура стали - бейнит ≥ 95%. Предел прочности по настоящему изобретению составляет не менее 1100 МПа, предел текучести не менее 900 МПа.

(Патент CN 104046903, МПК C21D 8/06; С22С 38/32, опубликован 2014-09-17 – прототип)

Недостаток прототипа заключается в том, что высокие значения верхних концентрационных пределов содержания легирующих элементов: молибдена и ванадия, а также дополнительное легирование ниобием и бором, обуславливают высокую стоимость стали и ограничивают ее широкое использование.

Техническим результатом данного изобретения является получение высококачественного сортового проката из легированной стали и изготовления из него высокопрочных крепежных изделий класса прочности до 14.9 и снижение затрат на производство.

Технический результат достигается тем, что в способе изготовления из легированной стали высокопрочных крепежных изделий до класса прочности 14.9, включающий горячую прокатку стали, смотку, охлаждение, сфероидизирующий отжиг, калибровку круглого проката, изготовление крепежных изделий методом холодной объемной штамповки, с последующей аустенизацией, закалкой и отпуском, согласно изобретению, что проката производится из стали с химическим составом, где массовая доля элементов, %: С 0,33-0,38; Si 0,17-0,37; Mn 0,60-0,95; Al 0,010-0,070; Mo 0,35-0,45; V 0,10-0,25; Cr 0,90-1,20; Ni 1,30-1,60; Cu≤0,30; P≤0,025; S≤0,025, железо и неизбежные примеси - остальное, охлаждение смотанного в бунт горячекатаного проката ведут со скоростью 0,1-0,4°С/с, а сфероидизирующий отжиг осуществляют путем нагрева со скоростью 0,05-0,25°С/с до Ас1+(5-25)°С с последующим замедленным охлаждением со скоростью 0,001-0,007°С/с до Ас1-(40-65)°С, аустенизацию стали крепежных изделий производят путем выдержки при температуре 850-870°С в течении 0,5-1,5 часа с последующей закалкой в масло, отпуск осуществляют при 400-500°С в течении 0,5-1,5 часа.

Сущность изобретения состоит в следующем. Определенный химический состав обеспечивает прочность, пластичность, усталостную и коррозионную стойкость стали.

Наличие в микроструктуре стали бейнита позволяет сформировать наиболее благоприятную микроструктуру проката после сфероидизирующего отжига. Для получения высокой прокаливаемости получаемого изделия необходимо легирование марганцем, хромом и никелем в концентрациях 0,5-1,5%.

Скорость охлаждения смотанных бунтов составляет 0,1-0,4°С/с, в данном интервале скоростей охлаждения получена наиболее оптимальная микроструктура стали: наибольшее содержание бейнита и наименьшее количество феррита. Более низкая скорость охлаждения приводит к снижению доли бейнита и увеличению доли перлита и феррита, а также существенно повышает продолжительность охлаждения после горячей прокатки. Скорость охлаждения более 0,4°С/с приводит к образованию участков неблагоприятной структуры - мартенсита. Образование более чем 10% мартенсита недопустимо, поскольку может привести к формированию трещин в прокате уже на стадии охлаждения бунта после горячей прокатки. Для успешной высадки крепежа методом ХОШ, сортовой прокат должен обладать благоприятным структурным состоянием. Для сталей с содержанием углерода более 0,3%, перед холодной высадкой необходимо получение структуры стали с высокой долей зернистого перлита 4-6 балла по ГОСТ 8233-56.

Для получения сверхпрочного крепежа, обладающего пределом прочности более 1400 МПа необходимо использовать традиционную технологию изготовления крепежных изделий с термоулучшающей обработкой (закалка + отпуск), поскольку наведение прочности холодной деформацией, или использование термомеханической или механико-термической обработок потребует крайне дорогого и сложного оборудования. Данные стали склонны к хрупкому и замедленному разрушению по причине проникновения водорода в поры микроструктуры стали, который со временем приводит к их растрескиванию. Для ограничения растрескивания проката, в качестве микролегирующей добавки используется ванадий с целью выделения наноразмерных частиц нитрида ванадия, которые являются эффективными ловушками водорода. Для достижения предела прочности выше 1400 МПа требуется легирование такими элементами, как: марганец, хром, никель и молибден.

Наиболее эффективный режим сфероидизирующего отжига горячекатаного проката состоит в нагреве со скоростью 0,05-0,25°С/с до температуры существования двухфазной области Ac₁+(5-25)°C, с последующим медленным охлаждением со скоростью 0,001-0,007°С/с до температуры ниже Ас₁-(40-65)°С. Повышение скорости нагрева выше 0,25°С/с может приводить к возникновению неравномерности структуры стали. Использование более низкой скорости нагрева (ниже 0,05°С/с) нецелесообразно, поскольку существенно снижает производительность печей, а также может способствовать дополнительному увеличению толщины обезуглероженного слоя. Температура нагрева должна находиться в двухфазной области для активации процесса растворения цементита с целью ускорения протекания процесса сфероидизации. Использование более низкой температуры (ниже Ас₁+5°С) существенно увеличивает продолжительность отжига и приводит к неполной сфероидизации цементита. Более высокая температура отжига (выше Ac₁+25°C) приводит к почти полному растворению цементита и переходу значительной части структуры в аустенит, который при последующем охлаждении может привести к образованию неблагоприятной структуры пластинчатого перлита. Одним из ключевых факторов образования оптимальной структуры является скорость охлаждения после выдержки при температуре отжига. Высокая скорость охлаждения после отжига (выше 0,005°С/с) приводит к распаду образовавшегося аустенита по неблагоприятному механизму образования грубопластинчатого перлита. Низкая скорость охлаждения (ниже 0,001°С/с) приведет к существенному увеличению интервала времени до начала процесса сфероидизации перлита, а также может способствовать дополнительному увеличению толщины обезуглероженного слоя.

Повысить эффективность протекания процесса сфероидизации цементита во время отжига возможно путем получения благоприятного структурного состояния стали после горячей прокатки. Наиболее интенсивно сфероидизация цементита происходит при наличии в структуре проката бейнита или мартенсита, поскольку цементит в них изначально имеет существенно большую дисперсность и меньший размер, чем в структуре перлита. Повышенное содержание структурно несвязанного цементита дополнительно замедляет процесс его сфероидизации, поскольку требует продолжительной диффузии углерода в матрицу феррита. Поэтому для более эффективного протекания процесса сфероидизации цементита необходимо снижение доли его присутствия в структурно несвязанной форме.

Для достижения свойств крепежного изделия соответствующих классу прочности до 14.9 необходимо использовать термическую обработку - аустенизацию, закалку и отпуск. Температура аустенизации должна находиться в интервале 850-870°С, поскольку при более низкой температуре невозможно получение полностью гомогенного аустенита, а при более высокой температуре существенно возрастает средний размер аустенитных зерен, что негативно сказывается на протекании процесса закалки и однородности получаемой закаленной структуры. Продолжительность аустенизации составляет 0,5-1,5 часа. При продолжительности аустенизации менее 0,5 часа времени недостаточно для полного протекания аустенизации, что приводит к возникновению двухфазной структуры и впоследствии к неполной закалке на мартенсит. Увеличение времени аустенизации (дольше 1,5 часов) также приводит к повышению среднего размера аустенитных зерен. Температура последующего отпуска в диапазоне 400-500°С выбирается, исходя из требований к механическим свойствам крепежных изделий согласно ГОСТ ISO 898-1-2014, соответствующих классу прочности 14.9. Более высокая температура приводит к существенному разупрочнению стали и получению структуры мартенсита отпуска, что не позволяет достичь требуемых показателей временного сопротивления и твердости. Использование температуры отпуска ниже 400°С приводит к значительному снижению пластических свойств стали.

Примеры осуществления изобретения

Предложенный способ был реализован при лабораторном производстве сортового проката из легированной стали и изготовления из него высокопрочных крепежных изделий, включающий горячую прокатку стали, охлаждение, сфероидизирующий отжиг, калибровку круглого проката, изготовление крепежных изделий методом холодной объемной штамповки (ХОШ), с последующей аустенизацией, закалкой и отпуском металла изделий.

Для подтверждения заявленного технического результата из полученных образцов проката и крепежа, из стали с химическим составом, где массовая доля элементов %: С 0,33; Si 0,35; Mn 0,91; S 0,005; P 0,005; Cr 1,08; Ni 1,50; Cu 0,02; Mo 0,43; Al 0,014; V 0,16; N 0,007, отбирали пробы для проведения анализа микроструктуры стали и испытания механических свойств. Испытания механических свойств производили по ГОСТ 1497-84 на цилиндрических образцах. Содержание разных типов структурных составляющих, образующихся при распаде переохлажденного аустенита, определяли расчетным путем. Полученные результаты представлены в таблицах 2-3.

Как видно из данных таблицы 2, в интервале скоростей охлаждения 0,1-0,4°С/с была получена наиболее оптимальная микроструктура стали: наибольшее содержание бейнита и наименьшее количество феррита, таким образом, оптимальным является получение полностью бейнитной микроструктуры в исходном прокате, что приведет к наиболее полноценной сфероидизации.

Как следует из таблицы 3, полученные механические свойства крепежных изделий соответствуют классу прочности до 14.9, что свидетельствует о достижении заявленного технического результата.

Изобретение относится к металлургии, а именно к способам изготовления из легированной стали высокопрочных крепежных изделий и других ответственных изделий для транспортной, строительной, горнодобывающей и других видов техники методом холодной объемной штамповки. Способ изготовления из легированной стали высокопрочных крепежных изделий до класса прочности 14.9 включает горячую прокатку стали, смотку, охлаждение, сфероидизирующий отжиг, калибровку круглого проката, изготовление крепежных изделий методом холодной объемной штамповки с последующей аустенизацией, закалкой и отпуском. Производят горячую прокатку стали, содержащей, мас.%: С 0,33-0,38, Si 0,17-0,37, Mn 0,60-0,95, Al 0,010-0,070, Mo 0,35-0,45, V 0,10-0,25, Cr 0,90-1,20, Ni 1,30-1,60, Cu≤0,30, P≤0,025, S≤0,025, железо и неизбежные примеси - остальное, охлаждение смотанного в бунт горячекатаного проката ведут со скоростью 0,1-0,4°С/с, а сфероидизирующий отжиг осуществляют путем нагрева со скоростью 0,05-0,25°С/с до Ас1+(5-25)°С с последующим замедленным охлаждением со скоростью 0,001-0,007°С/с до Ас1-(40-65)°С, аустенизацию крепежных изделий производят путем выдержки при температуре 850-870°С в течение 0,5-1,5 часа с последующей закалкой в масло, отпуск осуществляют при 400-500°С в течение 0,5-1,5 часа. Изготавливают высокопрочные крепежные изделия класса прочности 14.9. 3 табл., 5 пр.

Способ изготовления из легированной стали высокопрочных крепежных изделий до класса прочности 14.9, включающий горячую прокатку стали, смотку, охлаждение, сфероидизирующий отжиг, калибровку круглого проката, изготовление крепежных изделий методом холодной объемной штамповки с последующей аустенизацией, закалкой и отпуском, отличающийся тем, что производят горячую прокатку стали, содержащей, мас.%: С 0,33-0,38; Si 0,17-0,37; Mn 0,60-0,95; Al 0,010-0,070; Mo 0,35-0,45; V 0,10-0,25; Cr 0,90-1,20; Ni 1,30-1,60; Cu≤0,30; P≤0,025; S≤0,025, железо и неизбежные примеси - остальное, охлаждение смотанного в бунт горячекатаного проката ведут со скоростью 0,1-0,4°С/с, а сфероидизирующий отжиг осуществляют путем нагрева со скоростью 0,05-0,25°С/с до Ас1+(5-25)°С с последующим замедленным охлаждением со скоростью 0,001-0,007°С/с до Ас1-(40-65)°С, аустенизацию крепежных изделий производят путем выдержки при температуре 850-870°С в течение 0,5-1,5 часа с последующей закалкой в масло, отпуск осуществляют при 400-500°С в течение 0,5-1,5 часа.