сортовой прокат, круглый, из среднеуглеродистой борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных 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 0,28-0,35

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,001-0,37

Сера 0,005-0,020

Хром 0,001-0,35

Ванадий 0,001-0,07

Молибден 0,001-0,10

Никель 0,001-0,10

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 25 мм, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, сквозную прокаливаемость 90% проката с диаметром до 23 мм, временное сопротивление разрыву не более 640 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%.

Описание изобретения к патенту

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

Известен сортовой прокат круглый из микролегированной стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющей 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 среднеуглеродистой борсодержащей стали, содержащей (мас.%): углерод 0.16-0.25%, кремний 0.13-0.32%, марганец 0.95-1.35%, бор 0.001-0.005%, титан 0.02-0.08%, хром 0.10-0.27%, медь 0.15-0.25%, ванадий 0.02-0.035%, молибден 0.06-0.17%, азот 0.004-0.006%, никель 0.08-0.025%, фосфор 0.025-0.040%, вольфрам 0.16-0,25%, остальное железо [2]. Недостатком данной стали является ее низкая технологичность и неудовлетворительный уровень параметров конструктивной прочности при термоулучшении.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является сортовой прокат, круглый, из среднеуглеродиcтой борсодержащей стали, содержащей (мас.%): углерод 0.18-0.27%, кремний 0.20-0.42%, марганец 0.60-1.0%. хром 0.8-1.3%, никель 0.45-0.79%, бор 0.0005-0.003%, титан 0.02-0.05%, ванадий 0.01-0.06%, молибден 0.18-0.28%, цирконий 0.01-0.06%, кальций 0.001-0.008%, алюминий 0.005-0.025%, сера 0.010-0.060%, остальное железо, причем: (Ti+V+Zr)=0.05-0.12% [3]. Недостатки известной стали 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 среднеуглеродистой борсодержащей стали, имеющий заданную структуру, временное сопротивление разрыву и твердость, согласно изобретению выполнен из стали, содержащей следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод 0.28-0.35

марганец 0.90-1.40

кремний 0.001-0.37

сера 0.005-0.020

хром 0.001-0.35

ванадий 0.001-0.07

молибден 0.001-0.10

никель 0.001-0.10

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 балл, диаметр проволоки составляет от 10 до 25 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 23 мм, временное сопротивление разрыву не более 640 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%.

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 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), в то время как влияние ванадия проявляется при температурах ниже A₁, 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 (0.07%) и ниобия (0.02%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - (соответственно 0.28%, 0.001% и 0.005%) - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, молибден и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающие прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания указанных элементов (соответственно 1.4% Мn, 0.10% Мо, 0.35% Сr) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - (соответственно 0.90% Мn, 0.001% Мо, 0.001% Сr) необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Никель в заданных пределах (0.001-0.10%) влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости 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.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - вопросами технологичности производства.

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, 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 AlN в результате протекания реакций:

[Ti]/+[N]=TiN

требуется выполнение следующего соотношения элементов: , в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.

Соотношение определяет условия сохранения в стали более 50% "эффективного" бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.

Соотношение определяет условия обеспечивает заданного уровня характеристик прокаливаемости стали и параметры технологичности.

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 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 1250-1270°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 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 21 мм со структурой зернистого перлита (99%), обезуглероденный слой глубиной 0.22 мм, балл действительного зерна - 9, холодная осадка проволоки диаметром 21 мм на 70%, временным сопротивлением разрыву 600 МПа, относительное удлинение 19%, сужение 65%.

Соотношение

C=0,32%, Mn=1,20%

Ti=0,02%, N=0,007%

С=0,32%, В=0,002%

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 1406208, C 22 C 38/54, 30.10.1986 г.

3. SU 768849, C 22 C 38/54, 06.03.1978 г. (прототип).