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

Формула изобретения

1. Способ производства сортового проката, включающий выплавку стали в электропечи, выпуск металла, внепечную обработку, непрерывную разливку, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки, охлаждение, отличающийся тем, что выплавляют сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,08-0,34

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,01-0,15

Бор 0,0005-0,0050

Хром 0,005-0,40

Ванадий 0,005-0,08

Алюминий 0,02-0,06

Титан 0,01-0,04

Азот 0,005-0,015

Сера 0,005-0,020

Кальций 0,001-0,010

Железо Остальное

при выполнении соотношений: Тi/48+Al/27-N/140,610^-3; Mn+5,0C2,0; Ca/S0,065, где Ti - титан, Аl - алюминий, N - азот, Mn - марганец, Са - кальций, S - сера, C – углерод, горячую прокатку начинают при 900-950С и заканчивают при 850-740С со степенью деформации в последних проходах не менее 20% и проводят регламентированное охлаждение в интервале температур 730-600С со скоростью охлаждения 5-20С/мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что на выпуске расплава осуществляют раскисление и легирование в ковше.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на стадии внепечной обработки осуществляют легирование стали титаном и бором в вакууматоре.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при непрерывной разливке осуществляют защиту струи металла аргоном.

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.

Известна конструкционная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,06-0,30%, кремний 0,17-1,0%, марганец 0,8-2,0%, ванадий 0,01-0,25%, азот 0,005-0,040%, бор 0,001-0,008%, алюминий 0,005-0,10%, титан 0,005-0,015%, остальное железо (авторское свидетельство СССР №601321, С 22 С 38/12, 06.02.1976 г.).

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 сортового проката, включающий выплавку борсодержащей стали, выпуск металла, разливку, горячую прокатку, охлаждение.....(патент DE 3434744 А1, 03.04.1986 г., С 21 D 8/06, формула изобретения).

Наиболее близким аналогом является известный способ производства сортового проката, включающий выплавку стали в электропечи, выпуск металла, внепечную обработку, непрерывную разливку, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки, охлаждение (RU 2156313 С1, С 21 D 8/02, 20.09.2000 г.).

В основу изобретения поставлена задача разработки стали повышенной прокатипаемости и способа производства из нее сортового проката, обеспечивающего получение непосредственно в потоке стана (без проведения дополнительного сфероидизирующего отжига). Техническим результатом является получение сфероидизованной структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей, а также повышенных значений характеристик прокаливаемости.

Технический результат достигается тем, что в способе производства сортового проката, включающем выплавку стали в электропечи, выпуск металла, внепечную обработку, непрерывную разливку, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки, охлаждение, выплавляют сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,08-0,34

Марганец 0,90-1,4

Кремний 0,01-0,15

Бор 0,0005-0,0050

Хром 0,05-0,0

Внадий 0,005-0,08%

Аюминий 0,2-0,6%

Титан 0,01-0,04%

Сера 0,005-0,020

Азот 0,005-0,015

Кальций 0,001-0,010

Железо и неизбежные примеси Остальное

Причем

(Ti/48)+(Al/27)+(N/14)(0,610^-3 Мn+5,0С2,0 (Ca/S)0,065

горячую прокатку начинают при температуре 900-950С и заканчивают при температуре 740-850С, при деформации в последних проходах не менее 20% и проводят регламентированное охлаждение в интервале температур 730-600С со скоростями 5-20С/мин. При выпуске расплава осуществляют раскисление и легирование в ковше, на стадии внепечной обработки осуществляют легирование стали титаном и бором в вакууматоре, при непрерывной разливке осуществляют защиту струи металла аргоном.

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 (ванадий) 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 ванадий 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. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0,34%), ванадия (0,08%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,08%, 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 1,40% и хрома 0,40% 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 0,07% 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 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.

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.

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

(Ti/48)+(Al/27)+(N/14)0,610^-3 Mn+5,0C2,0 (Ca/S)0,065

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

Ниже дан пример осуществления способа.

Выплавку борсодержащей стали, содержащей углерод 0,17%, марганец 1,10%, кремний 0,10%, бор 0,0031%, хром 0,25%, ванадий 0,02%, алюминий 0,031%, титан 0,021%, сера 0,008%, азот 0,008%, кальций 0,0011%, производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте 100% металлизованных окатышей, 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 производят в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производилась продувка металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляется алюминием. После этого металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором имеется возможность нагрева металла до необходимой температуры, продувки его аргоном через донный продувочный блок, дозированной присадки необходимых ферросплавов и обработки стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производят наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, легирование металла алюминием до содержания 0,050%, доводка металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергается вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производится окончательная корректировка по химическому составу. На этой стадии внепечной обработки металл легируется титаном, ванадием и бором, что позволяет эффективно использовать эти элементы. После вакуумирования металл обрабатывается силикокальцием и передается на разливку. Разливка производится на четырехручьевых УНРС радиального типа в слиток размерами 300360 мм со скоростью вытягивания 0,6-0,7 м/мин, с защитой металла от окисления путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб, погружных стаканов и подачей аргона. Это также обеспечивает получение низкого содержания азота и кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждались в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 900-950С и заканчивают при температуре 740-850С, при деформации в последних проходах не менее 20%. После завершения прокатки используют в интервале температур 600-730С режимы регламентированного охлаждения проката со скоростями 5-20С/мин.

Выполнение соотношения легирующих элементов позволило обеспечить содержание “эффективного” бора в стали на уровне 0,0020% и сквозную прокаливаемость заготовки диаметром 22 мм

(Ti/48)+(Al/27)+(N/14)=0,00216 алюминий 0,031%, титан 0,021%, азот 0,008%,

Мn+5,0С=2,05; углерод 0,19%, марганец 1,10%

(Ca/S)=0,138, сера 0,008%, кальций 0,0011%.

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости обеспечивающего получение непосредственно в потоке стана (без проведения дополнительного сфероидизирующего отжига) структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей.