сортовой прокат, круглый, из низколегированной стали для холодной объемной штамповки высокопрочных сложнопрофильных крепежных деталей

Формула изобретения

Сортовой прокат, круглый, выплавленный из легированной стали, содержащей углерод и легирующие элементы с заданными параметрами качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и технологической пластичности, отличающийся тем, что сталь содержит следующие соотношения компонентов в мас.%:

Углерод 0,10-0,15

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,001-0,37

Сера 0,005-0,020

Хром 0,001-0,35

Никель 0,005-0,10

Ниобий 0,005-0,02

Титан 0,01-0,04

Бор 0,0005-0,0050

Алюминий 0,02-0,06

Азот 0,005-0,015

Железо и неизбежные примеси Остальное

при выполнении соотношений

максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 балла по каждому виду включений, прокат имеет однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 баллов, диаметр от 10 до 23 мм, имеет обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, сквозную 90%-ную прокаливаемость проката с диаметром до 15 мм, временное сопротивление разрыву не более 520 МПа, относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 65%.

Описание изобретения к патенту

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

Известен сортовой прокат круглый из микролегированной стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющую заданную структуру, например холоднодеформированный мартенсит, прочность на разрыв, не менее 1800 МПа и диаметр проволоки составляет 0.1-0.5 мм [1].

Известен сортовой прокат, круглый из низкоуглеродистой борсодержащей стали, содержащей (мас.%): углерод 0,15-0,30%, кремний 0,5-0,8%, марганец 0,7-1,5%, фосфор 0,02-0,10, медь 0,1-0,4, бор 0,001-0,005%, титан 0,01-0,05%, алюминий 0,01-0,05%, остальное железо, имеющий заданные механические свойства [2]. Недостатками данной стали являются широкие границы содержания легирующих элементов, что может привести к нестабильности механических свойств, ее низкая технологичность и недостаточный уровень прокаливаемости.

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является сортовой прокат, круглый, из низкоуглеродистой борсодержащей стали, содержащей (мас.%): углерод 0,10-0,20%, кремний 0,15-0,30%, марганец 0,90-1,40%, молибден 0,01-0,30%, бор 0,005-0,005%, титан 0,01-0,04, азот 0,005-0,015%, остальное железо, при следующих соотношениях компонентов ; Mn+5×Mo2.15, имеющие заданные структуру и механические свойства [3]. Недостаток известного способа заключается в том, что при относительно высоким уровне вариации содержания углерода не учтен фактор защиты бора от связывания в нитриды, что не позволит получить повышенные характеристики прокаливаемости.

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 решена тем, что известный сортовой прокат, круглый, из низкоуглеродистой борсодержащей стали, имеющий заданную структуру, временное сопротивление разрыву и твердость, согласно изобретению выполнен из стали, содержащей следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод 0,10-0,15

марганец 0,90-1,40

кремний 0,001-0,37

сера 0,005-0,020

хром 0,001-0,35

никель 0,005-0,10

ниобий 0,005-0,02

титан 0,01-0,04

бор 0,0005-0,0050

алюминий 0,02-0,06

азот 0,005-0,015

железо и

неизбежные примеси остальное

Причем:

максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не превышает 3 балла по каждому виду включений, прокат имеет однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 80% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 баллов, диаметр составляет от 10 до 23 мм, имеет обезуглероженный слой не более 1.5% от диаметра, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, сквозную (90%) прокаливаемость в кругах диаметром до 15 мм, временное сопротивление разрыву не более 520 МПа, относительное удлинение не менее 20%, относительное сужение не менее 65%.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии (болт, гайка, шпилька диаметром до 23 мм) после термоулучшения (закалка от температуры не менее 920°С с последующим отпуском от температуры не ниже 620°С) 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 и ванадий управляют 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 и ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0.15%), ниобия (0.02%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.10%, 0.005% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и хром используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент, существенно повышающий устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающий прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 1.40%, хрома (0.35%) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.90%, 0.001% необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0.001% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.37% 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 oт 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.

Никель в заданных пределах (0.005-0.10%) влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости 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.

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

Соотношения: определяют условия сохранения в стали более 50% эффективного бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.

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

Ниже дан пример осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

Выплавка борсодержащих сталей производится 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 1640-1680°С. Ввод ферросплавов, обработка стали для удаления неметаллических включений производится на установке печь-ковш, оборудованной системой электроподогрева или химподогрева. Температура стали перед разливкой на 60°С выше температуры ликвидуса марки. Разливка стали производится в уширенный к верху 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 1250-1270°С. Прокатка слитков производится на блюминге (стан 1300) и далее на непрерывном заготовочном стане на заготовку сечением 100×100 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 1220-1240°С для стана 250 и 1270-1290°С для стана 150. Горячую прокатку сортового проката заканчивают при температуре 1000-1050°С, далее ведут ускоренное охлаждение до 880-900°С с последующим охлаждением на воздухе до 300°С и последующей смоткой в бунты.

В результате горячей прокатки получаем сортовой прокат диаметром 15 мм со структурой зернистого перлита (95%), обезуглероденный слой глубиной 0.18 мм, балл действительного зерна - 8, холодная осадка проволоки диаметром 15 мм на 75%, временным сопротивлением разрыву 500 МПа, относительное удлинение 22%, сужение 69%..

Соотношение

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.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. RU 2177510 С2, С 21 D 8/06, 27.12.2001.

2. SU 901331, C 22 C 38/16,21.04.1980 г.

3. RU 2127770 С1, С 22 С 38/14, 20.03.1999 г. (прототип).