способ производства сфероидизованного сортового проката из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей

Формула изобретения

Способ производства сфероидизованного сортового проката из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей, включающий выплавку стали в электропечи, выпуск металла, внепечную обработку, разливку в изложницы, горячую прокатку слитка с получением заготовки и охлаждение, отличающийся тем, что выплавляют сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,17-0,26

Марганец 0,90-1,30

Кремний 0,01-0,20

Хром 0,005-0,35

Бор 0,0005-0,0050

Ниобий 0,001-0,02

Алюминий 0,02-0,06

Титан 0,01-0,04

Азот 0,005-0,015

Железо Остальное

при выполнении соотношений N/(l0Ti+Al)0,039; (10B-0,01C)/N1,80, где N - азот, Тi - титан, Al - алюминий, В - бор, С - углерод, горячую прокатку заканчивают при 950-1000С, затем проводят холодную деформацию калибровкой со степенью деформации 20-25% и сфероидизирующий отжиг путем скоростного нагрева холодно-деформированного проката в межкритический интервал температур и последующего регламентированного охлаждения в интервале температур 730-650С со скоростью 0,5-1,0С/мин и дальнейшего охлаждения в термокамере при температуре среды 100-200С для сокращения продолжительности процесса сфероидизации.

Описание изобретения к патенту

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

Задачей изобретения является получение структуры сортового проката, обеспечивающей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей. Технический результат заключается в одновременном обеспечении повышенных характеристик прокаливаемости стали.

Известна конструкционная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,18-0,24%, марганец 0,90-130%, кремний 0,17-0,37%, бор 0.0005-0.0050%, азот 0.005-0.015%, ванадий 0,01-0,08%, титан 0,01-0,04%, остальное железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: (патент РФ).

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату 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. Данная сталь от шихтовки до готового сортового проката проходит достаточно длительный передел, включающий следующие операции: выплавку, горячую прокатку, сфероидизирующий отжиг, калибровку. Задача обеспечения необходимого комплекса механических свойств, показателей технологической пластичности и низкого коэффициента деформационного упрочнения металлопроката в состоянии поставки в настоящее время успешно разрешается за счет ряда приемов, применяемых на различных стадиях изготовления стали:

Известен способ производства (Патент JP 61-163210, 23.07.1986 г., С 21 D 8/06), включающий нагрев прутков до 950С, что обеспечивает выделение нитридов алюминия и бора с последующим охлаждением водой со скоростью 25/мин до комнатной температуры. Данный способ не обеспечит получение требуемого уровня сфероидизации структуры используемого класса стали.

Известен способ производства стержневой арматуры (Патент DE 3434744 А1, 03.04.1986 г., С 21 D 8/06), включающий нагрев до 1150С, прокатка при от 1150С до 800С с целью получения феррито-перлитной структуры. Далее нагрев до 1000С с последующим охлаждением до комнатной температуры.

Наиболее близким аналогом является способ производства сортового проката из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки, высокопрочных крепежных деталей, включающий выплавку стали в электропечи, внепечную обработку, разливку в изложницы, горячую прокатку слитка и охлаждение (RU 2042734 С1, С 22 С 38/54, 27.08.1995 г.).

Задачей изобретения является получение структуры сортового проката, обеспечивающей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей. Технический результат заключается в одновременном обеспечении повышенных характеристик прокаливаемости стали.

Для достижения технического результата в способе производства сортового проката, включающем выплавку стали в электропечи, выпуск металла, внепечную обработку, разливку в изложницы, горячую прокатку слитка с получением заготовки и охлаждение, выплавляют сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Марганец 0,90-1,30

Кремний 0,01-0,20

Хром 0,005-0,35

Бор 0,0005-0,0050

Ниобий 0,001-0,02

Титан 0,01-0,04

Азот 0,005-0,015

Железо и

неизбежные примеси Остальное

при выполнении соотношений N/10Ti+Al0,039; 10B-0,01C/N1,80, где N азот, Ti - титан, Al - алюминий, В - бор, С - углерод, горячую прокатку заканчивают при 950-1000С, затем проводят холодную деформацию калибровкой со степенью деформации 20-25% и сфероидизирующий отжиг путем скоростного нагрева холодно-деформированного проката в межкритический интервал температур и последующего регламентированного охлаждения в интервале температур 730-650С со скоростью 0,5-1,0С/мин и дальнейшего охлаждения в термокамере при температуре среды 100-200С для сокращения продолжительности процесса сфероидизации.

Причем

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в предлагаемой стали (в готовом изделии диаметром до 25 мм), после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920С с последующим отпуском от температуры не ниже 620С) 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 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 --превращения. Ниобий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0,26%), ниобий (0,02%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,17%, 0,005% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающий прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 1,30% и хрома - 0,35% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.90% и 0.005% соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,01% - обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,20% 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 от 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.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN и A1N в результате протекания реакций

[Ti]+[N]=TiN, [Al]+[N]=A1N

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.

Пример осуществления способа.

Выплавку борсодержащей стали, содержащей углерод 0,23%, марганец 1,25%, кремний 0,15%, хром 0,15%, бор 0,0023%, ниобий 0,01%, алюминий 0,044%, титан 0,028%, азот 0,009% производят 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 1640-1680С. Ввод ферросплавов, обработка стали для удаления неметаллических включений производится на установке печь-ковш, оборудованной системой электроподогрева или химподогрева. Температура стали перед разливкой на 60С выше температуры ликвидуса марки. Разливка стали производится в уширенные кверху 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 1250-1270С. Прокатка слитков производится на блюминге (стан 1300) и далее на непрерывном заготовочном стане на заготовку сечением 100100 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 1220-1240С для стана 250 и 1270-1290С для стана 150. Горячую прокатку сортового проката заканчивают при температуре 1000-1050С, далее ускоренное охлаждение до 950-1000С и сматывают в бунты. Далее следует травление горячекатаного проката в растворе серной кислоты (концентрация 180-200 г/л) при температуре 80С в течение 30 мин с последующим нанесением подсмазочного покрытия. Далее следует холодная деформация калибровкой с деформацией 20-25% и сфероидизирующий отжиг, включающий скоростной индукционный нагрев в межкритический интервал температур (A_Cl+10-30C) холоднодеформированного металла с последующим регламентированным охлаждением в интервале температур 650-730С, со скоростями 0,5-1,0С/мин и дальнейшим охлаждением в термокамере при температуре среды - 100-200С, что обеспечивает сокращение продолжительности процесса сфероидизации в 5-10 раз

азот 0,009%, алюминий 0,044%, титан 0,028%,

углерод 0,23%, бор 0,0023%, азот 0,009%.

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости, обеспечивающего получение сфероидизованной структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей.