сортовой прокат из среднеуглеродистой хромсодержащей стали для холодной объемной штамповки

Формула изобретения

1. Сортовой круглый прокат из среднеуглеродистой хромсодержащей стали, горячекатаный, характеризующийся тем, что его получают из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:

углерод	0,38-0,45
марганец	0,60-0,90
кремний	0,05-0,40
хром	0,90-1,20
сера	0,020-0,040
молибден	0,005-0,30
кальций	0,001-0,010
азот	0,005-0,015
кислород	0,001-0,015
мышьяк	0,0001-0,03
олово	0,0001-0,02
свинец	0,0001-0,01
цинк	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношений:

(As+Sn+Pb+5×Zn) 0,07;

O₂/Са=1÷4,5;

Ca/S 0,065,

при этом он имеет мелкодисперсную феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-9 баллов, глубину обезуглероженного слоя не более 1,5% от диаметра на сторону, неметаллические включения по сульфидам с оксидной оболочкой, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым не более 3,5 баллов по каждому виду, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, временное сопротивление разрыву не более 730 МПа, прокаливаемость по твердости образца при торцевой закалке на расстоянии 1,5 мм от торца 53-61 HRC, на расстоянии 5,0 мм от торца 50-61 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 41-60 HRC, обрабатываемость резанием по величине износа задней грани резца h₃ не более 0,20 мм при пути резания L=1320 м, холодную осадку не менее 1/3 его высоты.

2. Сортовой прокат по п.1, отличающийся тем, что в качестве неизбежных примесей сталь содержит, мас.%: никель не более 0,30, фосфор не более 0,035.

3. Сортовой прокат по п.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали молибдена 0,15-0,30 мас.% он имеет временное сопротивление разрыву не более 730 МПа, относительное удлинение не менее 14%, относительное сужение не менее 45%, прокаливаемость по твердости образца при торцевой закалке, на расстоянии 5,0 мм от торца 52-61 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 49-60 HRC.

4. Сортовой прокат по п.1 или 2, отличающийся тем, что при содержании в стали молибдена 0,005-0,10 мас.% он имеет временное сопротивление разрыву не более 700 МПа, относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 50%, прокаливаемость по твердости образца при торцевой закалке на расстоянии 5,0 мм от торца 50-60 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 41-58 HRC.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката диаметром от 15 до 32 мм из среднеуглеродистой хромсодержащей стали повышенной штампуемости и обрабатываемости резанием, используемого для изготовления методом холодной объемной штамповки шаровых пальцев.

Известен сортовой прокат из среднеуглеродистой стали хромсодержащей стали для холодной объемной штамповки, содержащей углерод, марганец, кремний, серу, хром, ванадий, молибден, никель, ниобий, титан, бор, алюминий, азот, железо и примеси, горячекатаный, имеющий заданные параметры неметаллических включений по сульфидам, оксидам, силикатам, нитридам, однородную сфероидизованную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, холодную осадку не менее 1/3 высоты, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, временное сопротивление разрыву не более 640 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%. (RU 2249626 C1, C21D 8/06, 10.04.2005).

Известен сортовой прокат из среднеуглеродистой хромсодержащей стали для холодной объемной штамповки, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, никель, медь, молибден, серу, ниобий, кальций, железо и примеси, горячедеформированный, имеющий однородную сфероидизованную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, размер неметаллических включений: сульфиды, оксиды, силикаты и нитриды не превышает 3 балла по каждому виду, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, холодную осадку не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 620 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%. (RU 2262539 C1, C21D 8/06, 20.10.2005).

Техническим результатом изобретения является обеспечение благоприятных условий штампуемости сложнопрофильных термоупрочняемых деталей и повышение характеристик шлифуемости и обработки резанием при сохранении повышенных характеристик технологической пластичности и комплекса потребительских свойств при дальнейшей термической обработке.

Технический результат достигается тем, что сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой хромсодержащей стали, горячекатаный, имеющий заданные параметры неметаллических включений, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, получают из стали, содержащей следующее соотношение компонентов в мас.%:

углерод	0,38-0,45
марганец	0,60-0,90
кремний	0,05-0,40
хром	0,90-1,20
сера	0,020-0,040
молибден	0,005-0,30
кальций	0,001-0,010
азот	0,005-0,015
кислород	0,001-0,015
мышьяк [As]	0,0001-0,03
олово [Sn]	0,0001-0,02
свинец [Pb]	0,0001-0,01
цинк [Zn]	0,0001-0,005
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении следующих соотношении:

(As+Sn+Pb+5×Zn) 0,07;

кислород/кальций = 1÷4.5;

кальций/сера 0.065,

прокат имеет мелкодисперсную феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-9 баллов, глубину обезуглероженного слоя не более 1,5% от диаметра на сторону, неметаллические включения: сульфиды с оксидной оболочкой, оксиды точечные, оксиды строчечные, силикаты хрупкие, силикаты пластичные, силикаты недеформируемые размером не более 3,5 по каждому виду включений, макроструктуру: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация - не более 3 баллов, ликвационные полоски не более 1 балла, механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 730 МПа, прокаливаемость: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 1,5 мм от торца 53-61HRC, на расстоянии 5,0 мм от торца 50-61 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 41-60 HRC, обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h₃ не более 0,20 мм, холодная осадка не менее 1/3 высоты.

В качестве примесей сталь дополнительно содержит никель не более до 0,30%; фосфор не более 0,035%.

При содержании в стали молибдена 0,15-0,30% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 730 МПа, относительное удлинение не менее 14%, относительное сужение не менее 45%, прокаливаемость: твердость образца при торцевой закалке, на расстоянии 5,0 мм от торца 52-61 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 49-60 HRC.

При содержании в стали молибдена 0,005-0,10% прокат имеет механические свойства: временное сопротивление разрыву не более 700 МПа, относительное удлинение не менее 16%, относительное сужение не менее 50%, прокаливаемость: твердость образца при торцевой закалке, на расстоянии 5,0 мм от торца 50-60 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца 41-58 HRC.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в предлагаемом прокате благоприятную структуру с глобулярными сэндвич-включениями, что обеспечивает, с одной стороны, повышенные характеристики резания, с другой стороны - благоприятное сочетанием характеристик прочности и пластичности, а также технологической пластичности при холодной объемной штамповке.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,45%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,38% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец, молибден 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 - 0,90%, молибдена - 0,30 и хрома - 1,20% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,60%, 0,005% и 0,90% соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,40% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,005% 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.

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

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.

Кислород, образуя оксидную пленку на сульфидах, способствует повышению обрабатываемости стали резанием при одновременном сохранении высокого комплекса потребительских свойств стали. При этом верхний уровень содержания кислорода - 0.015% обусловлен необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.001% соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.

Мышьяк, олово, свинец и цинк цветные примеси, определяющие общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий из рассматриваемой трубной заготовки. Нижний предел по мышьяку, олову, свинцу и цинку (0,0001% по каждому элементу соответственно) обусловлен технологией производства стали, а верхний - (0,03, 0,02, 0,01 и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.

Соотношения:

Соотношение кислород/кальций = 1÷4.5 отвечает за возможность образования сэндвич-неметаллического включения. При этом верхняя граница соотношения - 4.5 обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - 1 соответственно, возможностью образования двухслойного сэндвич-неметаллического включения.

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.

Соотношение As+Sn+Pb+5×Zn 0,05 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.

Примеры осуществления изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

Выплавку исследуемых сталей со следующими химическими составами в мас.%:

пример 1: углерод 0,44, марганец 0,76, кремний 0,32, хром 1,12, сера 0,034, молибден 0,03, кальций 0,0029, азот - 0,005, кислород 0,009, мышьяк 0,008, олово 0,009, свинец 0,009, цинк 0,002;

пример 2: углерод 0,43, марганец 0,79, кремний 0,30, хром 1,10, сера 0,032, молибден 0,23, кальций 0,0030, азот 0,008, кислород 0,009, мышьяк 0,010, олово 0,008, свинец 0,010, цинк 0,002 проводят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП-150, мощность трансформатора 80 мВт) с использованием в шихте 60% металлизованных окатышей и 40% металлического лома, что обеспечивает получение массовой доли азота перед выпуском из ДСП не более 0,003%, а также низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию проводили в ковше при выпуске из ДСП (Выпуск в ковш перекисленного металла. Раскисление металла - при выпуске алюминием, ферросилицием - раскисление, легирование - FeMn(SiMn), FeCr). После выпуска проводили продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин. Затем вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом производится легирование (тонкое) - углерод, марганец и кремний. После вакуумирования - обработка на печи-ковше. За 15-30 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 минут обработка порошковыми проволоками с силикокальцием и чистой серой. Разливку стали проводили на сортовой УНРС радиального типа в НЛЗ 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6-0,7 м/мин. При разливке осуществлялась защита струи от вторичного окисления следующим образом: стальковш-промковш - погружная труба с подачей аргона; промковш - шлакообразующая смесь; промковш-кристаллизатор - погружной стакан (корундографитовый); в кристаллизаторе - шлакообразующая смесь. После разливки и пореза на мерную длину непрерывнолитые заготовки охлаждали в печах контролируемого охлаждения. Далее слитки прокатывали на стане 700 в заготовку (квадрат 170 мм). Вся исходная заготовка подвергалась правке, очистке от окалины, контролю поверхности. Нагрев заготовки перед прокаткой производили в двух методических печах с шагающим подом. Температура нагрева заготовки - 900°С, что обеспечивает снижение энергозатрат на 15% и значительно снижает обезуглероживание проката. Окалину с поверхности заготовки удаляли водой высокого давления на установке гидросбива окалины. Прокатку вели в непрерывных линиях - мелкосортной и среднесортной. Высокая жесткость клетей, автоматическое согласование скорости клетей, система петлерегулирования в чистовой группе мелкосортной линии позволили получить прокат высокой точности. Отделку проката осуществляли вне потока. 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.

Сортовой прокат 22 мм, длиной - 5900 мм, имеет:

пример 1: структура мелкодисперсная феррито-перлитная, обезуглероженный слой 0,16 мм, балл действительного зерна - 7. Сульфидные включения глобулярные с оксидной оболочкой. Макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0,5 балла, подусадочная ликвация - 0,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 2 балла, оксиды точечные - 1 балл, оксиды строчечные - 2 балла, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл.

Временное сопротивление разрыву 690 МПа, относительное удлинение 16,5%, относительное сужение 58%. Характеристики прокаливаемости: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 1,5 мм от торца - 56 HRC, на расстоянии 5,0 мм от торца - 53 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца - 50 HRC. Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h₃ не более 0,15 мм. Величина холодной осадки 1/3 высоты. As+Sn+Pb+5×Zn=0,037, кислород/кальций = 3,1; кальций/сера = 0,085;

пример 2: структура мелкодисперсная феррито-перлитная, обезуглероженный слой 0,21 мм, балл действительного зерна - 8. Сульфидные включения глобулярные с оксидной оболочкой. Макроструктура: центральная пористость - 1,0 балл, точечная неоднородность - 1,0 балл, ликвационный квадрат - 1,0 балл, подусадочная ликвация - 0,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 2,5 баллов, оксиды точечные - 2,0 балла, оксиды строчечные - 2,0 балла, силикаты хрупкие - 1,5 балла, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл. Временное сопротивление разрыву 710 МПа, относительное удлинение 13,5%, относительное сужение 52%.

Характеристики прокаливаемости: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 1,5 мм от торца - 60 HRC, на расстоянии 5,0 мм от торца - 59 HRC, на расстоянии 9,0 мм от торца - 53 HRC. Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h ₃) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h ₃ не более 0,11 мм. Величина холодной осадки 1/3 высоты

As+Sn+Pb+5×Zn=0,038, кислород/кальций = 3,0; кальций/сера = 0,094.

Сортовой прокат обладает повышенной обрабатываемостью резанием и повышенными характеристиками резания при благоприятном соотношении прочности, пластичности и вязкости стали.