пруток из среднеуглеродистой стали

Формула изобретения

Сортовой прокат круглый, в прутках, выплавленный из среднеуглеродистой стали, содержащий углерод и легирующие элементы, имеющий заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, отличающийся тем, что сталь содержит следующие соотношения компонентов, мас.%:

Углерод	0,40-0,52
Марганец	0,40-0,95
Кремний	0,17-0,37
Хром	0,01-0,25
Сера	0,020-0,045
Ванадий	0,005-0,02
Алюминий	0,03-0,05
Кальций	0,001-0,010
Азот	0,005-0,015
Никель	Не более 0,25
Медь	Не более 0,25
Молибден	Не более 0,10
Мышьяк	Не более 0,08
Фосфор	Не более 0,030
Железо
и неизбежные примеси	Остальное

при выполнении соотношения кальций:сера 0,065,

неметаллические включения сульфидов в прокате имеют двухслойную

структуру сульфида с оксидной оболочкой, прокат имеет пластинчатую ферритоперлитную структуру, размер зерна 5-8 баллов, диаметр 10÷30 мм, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, твердость 229-255НВ, временное сопротивление разрыву не менее 660 МПа, относительное удлинение не менее 8%, относительное сужение не менее 35%, кривизну не более 0,5 мм/м.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого, из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, используемого для изготовления штоков амортизаторов автомобиля.

Известен сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0.38-0.47%, марганец 0.8-1.2%, кремний 0,17-0,37%, ванадий 0,08-0,18%, бор 0.001-0.005%, азот 0.005-0.025%, сера 0.036-0.080%, кальций 0.001-0.010%, остальное при условии, что отношение марганца к кальцию составляет 100-1100 (Авторское свидетельство СССР SU 1689424 А1, С 22 С 38/60 от 07.11.1989 г. Бюл. № 41). Недостатком данной стали является относительно высокое содержание азота и отсутствие в композиции элементов, защищающих бор от связывания в нитриды, что в ряде случаев не позволит достичь заявляемого авторами эффекта по повышению характеристик прокаливаемости.

Известен сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0.42-0.50%, кремний 0.17-0.37%, марганец 0.50-0.80%, серу - не более 0.040%, фосфор - не более 0.035%, остальное железо. Примеси: хром - не более 0.25%, никель - не более 0.30%, мышьяк - не более 0.08%, азот - не более 0.008%, медь - не более 0.30% (Марочник сталей и сплавов, под редакцией А.С.Зубченко, М., Машиностроение, 2003, стр.102).

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является сортовой прокат, со специальной отделкой поверхности, круглый, в прутках, из среднеуглеродистой стали, содержащей (мас.%): углерод 0.42-0,50%, кремний 0.17-0.37%, марганец 0.50-0.80%, серу - не более 0.040%, фосфор - не более 0.035%, остальное - железо. Примеси: хром - не более 0.25%, никель - не более 0.30%, мышьяк - не более 0.08%, азот - не более 0.008%, медь - не более 0.30% (Марочник сталей и сплавов, под редакцией А.С.Зубченко, М., Машиностроение, 2003, стр.102).

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату, круглому, из среднеуглеродистой стали, используемой для изготовления штоков амортизаторов методом точения при перпендикулярной подаче резца, является, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик обрабатываемости резанием при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств и одновременном повышении характеристик прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 30 мм.

Техническим результатом изобретения является обеспечение рациональных условий обработки резанием штоков амортизаторов автомобиля при одновременном обеспечении однородных механических свойств по сечению проката.

Для достижения технического результата в сортовом прокате круглом, в прутках, выплавленном из среднеуглеродистой стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющем заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, сталь содержит следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод	0,40-0,52
марганец	0,40-0,95
кремний	0,17-0,37
хром	0,01-0,25
сера	0,020-0,045
ванадий	0,005-0,02
алюминий	0,03-0,05
кальций	0,001-0,010
азот	0,005-0,015
никель	не более 0,25
медь	не более 0,25
молибден	не более 0,10
мышьяк	не более 0,08
фосфор	не более 0,030
железо и
неизбежные примеси	остальное

при выполнении соотношения кальций/сера 0,065, неметаллические включения сульфидов в прокате имеют двухслойную структуру сульфида с оксидной оболочкой, прокат имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер зерна 5-8 баллов, диаметр от 10 до 30 мм, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, твердость 229-255НВ, временное сопротивление разрыву не менее 660 МПа, относительное удлинение не менее 8%, относительное сужение не менее 35%, кривизну не более 0,5 мм/м.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии (шток амортизатора диаметром до З0 мм) после токарной обработки, закалки токами высокой частоты и последующей шлифовки феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,52%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,40% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Карбонитридообразующий элемент - ванадий вводится в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области и в межкритическом интервале температур (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер - - превращения. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания ванадия - 0.02%, 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, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0.95% и хрома - 0.25% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний, марганца - 0.40% и 0.01% хрома 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.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0.040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.020%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Алюминий используется в качестве раскислителя стали и элемента, обеспечивающего формирование мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. Верхний предел (0.050%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.030%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением однородной зеренной структуры стали.

Кальций - элемент модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел (0.010%), как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний (0.001%) предел - вопросами технологичности производства.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содердания азота - 0.015% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел - 0.005% - вопросами технологичности производства.

Соотношение кальций/сера 0.065% определяет условия образования глобулярных неметаллических включений (сульфидов). Если выполняется данное соотношение, то сульфиды глобулярные, в противном случае в стали присутствуют вытянутые сульфиды, что повышает анизотропию свойств стали и ухудшает соотношение прочность-вязкость, особенно сильно в поперечном направлении проката.

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение характеристик обрабатываемости резанием при сохранении благоприятного соотношения прочность-пластичность и вязкость стали.

Ниже дан пример осуществления предлагаемого изобретения.

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0.48%, марганец - 0.72%, кремний - 0.32%, хром - 0.10%, ванадий - 0.01%, сера - 0.034%, алюминий - 0.037%, кальций - 0.0025%, азот - 0.010%) проводили в шахтной электропечи «Фукс». Использовали шихтовку плавки жидким чугуном до 40% от общего объема шихты. Окислительный период предусматривал высокие скорости окисления углерода в пределах 0,05-0,07%/мин. Электрический режим предусматривал 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 производилась на установке печь-ковш, оборудованной системой электроподогрева или химподогрева. Температура стали перед разливкой на 60°С выше температуры ликвидуса марки. Разливка стали производилась в уширенные к верху изложницы. Масса слитка 7,85 т. Для обеспечения заданного содержания азота при разливке производили защиту струи металла аргоном через специальное кольцевое устройство. Нагрев слитков в обжимном цехе производили в рекуперативных колодцах до температуры начала прокатки 1250-1270°С. Прокатку слитков проводили 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 подвергали абразивной зачистке. Затем производили горячую прокатку полученной заготовки на проволочном стане 150 или мелкосортном стане 250 в диаметрах от 5,5 до 25 мм в мотках. Для обеспечения величины обезуглероженного слоя не более 1,5% 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 заканчивали при температуре 1000-1050°С, далее ускоренное охлаждение до 880-900°С. Далее прокат подвергался специальной отделке поверхности. Отделка включала в себя операции правки, контроля поверхностных дефектов и ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку прутков круглого проката. Точность проката после обточки соответствует квалитету h11. На установке "БУНТ-ПРУТОК" из мотков горячекатаного проката получают обточенные прутки длиной до 6 метров с точностью порезки ±5 мм.

В результате горячей прокатки и последующей специальной отделки поверхности получаем сортовой прокат диаметром 22,5 мм, длиной - 5900 мм, кривизна прутков - не более 0.7 мм/м. Структура пластинчатого перлита, обезуглероженный слой глубиной 0.05 мм, балл действительного зерна - 7, твердость заготовки 229-241НВ, временное сопротивление разрыву 680 МПа, относительное удлинение 9%, относительное сужение 42%.

Соотношение кальций/сера = 0.074, содержание кальция - 0.0025%, серы - 0.034%.

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из среднеуг-леродистой стали повышенной обрабатываемости резанием обеспечивает получение двухслойных сэндвич-неметаллических включений, гарантирующих, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны - благоприятное соотношение прочности пластичности и вязкости стали.