способ производства из непрерывнолитой заготовки сортового проката со сфероидизованной структурой из 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 и охлаждение, отличающийся тем, что выплавляют сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,17-0,34

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,01-0,20

Хром 0,005-0,40

Бор 0,0005-0,0050

Титан 0,01-0,04

Сера 0,005-0,020

Алюминий 0,02-0,06

Кальций 0,001-0,010

Азот 0,005-0,015

Железо Остальное

при выполнении соотношений N/(Ti+(0,5Al+10B)0,21, Ca/S0,065, где N - азот, Ti - титан, В - бор, Al - алюминий, Са - кальций, S - сера, горячую прокатку начинают при 950-900С и заканчивают при 850-740С со степенью деформации в последних проходах не менее 20%, затем проводят холодную деформацию калибровкой со степенью деформации 20-25% и сфероидизирующий отжиг путем скоростного нагрева в интервале температур А_с1+(10-30)С регламентированного охлаждения в интервале температур 730-650С и дальнейшего охлаждения в термокамере при температуре среды 100-200С.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используются раскислители и легирующие элементы с низким содержанием азота.

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

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при непрерывной разливке осуществляют защиту струи металла от контакта с воздухом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству из непрерывнолитой заготовки сортового проката со сфероидизованной структурой из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей.

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 прокаливаемости. Техническим результатом изобретения является повышение прокаливаемости и получение структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей.

Для достижения технического результата 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

Углерод 0,17-0,34

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,01-0,20

Хром 0,005-0,40

Бор 0,0005-0,0050

Титан 0,01-0,04

Сера 0,005-0,020

Алюминий 0,02-0,06

Кальций, 0,001-0,010

Азот 0,005-0,015

Железо и неизбежные примеси Остальное

При выполнении соотношений: {N/(Ti+0,5Аl+10В)}0,21; (Ca/S)0,065 горячую прокатку начинают при температуре 950-900С и заканчивают 850-740С со степенью деформации в последних проходах не менее 20%, затем проводят холодную деформацию калибровкой со степенью деформации 20-25% и сфероидизирующий отжиг путем скоростного нагрева до температуры A_C1+10-30C и регламентированного охлаждения в интервале температур 730-650С со скоростью 0,5-1,0С/мин и дальнейшего охлаждения в термокамере при температуре среды 100-200С.

При выпуске расплава осуществляют раскисление и легирование в ковше раскислителями и легирующими элементами с низким содержанием азота; на стадии внепечной обработки осуществляют легирование стали бором в вакууматоре; при непрерывной разливке осуществляют защиту струи металла от контакта с воздухом.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (в готовом изделии диаметром до 25 мм), после его 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 карбидообразующие 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. Верхняя граница содержания углерода (0,34%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,17% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и хром используется, 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 марганца 1,30% и хрома 0,35% 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

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

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного.

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

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

Выплавку борсодержащей стали, содержащей углерод 0,22%, марганец 1,20%, кремний 0,10%, хром 0,25%, бор 0,0022%, титан 0,025%, сера 0,008%, алюминий 0,04%, кальций 0,0015%, азот 0,007%, 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 производится 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 производится 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 и бором, что позволяет эффективно использовать эти элементы. После вакуумирования металл обрабатывается силикокальцием и передается на разливку. Разливка производится на четырехручьевых МНРС 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 950-900С и заканчивают при температуре 850-740С при деформации в последних проходах не менее 20%. Далее следует травление горячекатаного проката в растворе серной кислоты (концентрация 180-200 г/л) при температуре 80С в течение 30 мин с последующим нанесением подсмазочного покрытия. Далее следует холодная деформация калибровкой с деформацией 20-25% и сфероидизирующий отжиг, включающий скоростной индукционный нагрев в межкритический интервал температур (A_Cl+10-30C) холоднодеформированного металла с последующим регламентированным охлаждением в интервале температур 650-730С со скоростями 0,5-1,0С/мин и дальнейшим охлаждением в термокамере при температуре среды 100-200С, что обеспечивает сокращение продолжительности процесса сфероидизации в 5-10 раз.

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

титан 0,025%, алюминий 0,04%, бор 0,0022%, азот 0,007%,

сера 0,008%, кальций 0,0015%.

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости обеспечивает получение структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей.