сортовой прокат, круглый, из низколегированной 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, прокаливаемоcти и технологической пластичности, отличающийся тем, что сталь содержит следующие соотношения компонентов, мас.%:

Углерод 0,17-0,25

Марганец 0,90-1,40

Кремний 0,01-0,17

Сера 0,005-0,020

Хром 0,001-0,35

Ванадий 0,001-0,07

Никель 0,001-0,10

Медь 0,001-0,10

молибден 0,001-0,10

Титан 0,01-0,04

Бор 0,0005-0,0050

Алюминий 0,02-0,06

Азот 0,005-0,015

Кальций 0,001-0,010

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, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, сквозную 90%-ную прокаливаемость проката с диаметром до 19 мм, временное сопротивление разрыву не более 580 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 60%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, круглого, из низкоуглеродистой 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 низкоуглеродистой 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 близкий по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является сортовой прокат, круглый, из низкоуглеродистой 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]. Недостатками известной 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 низкоуглеродистой борсодержащей стали, имеющий заданную структуру, временное сопротивление разрыву и твердость, согласно изобретению выполнен из стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод 0.17-0.25

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

никель 0,001-0,10

медь 0.001-0.10

молибден 0.001-0.10

титан 0.01-0.04

бор 0.0005-0.0050

алюминий 0.02-0.06

азот 0.005-0.015

кальций, 0.001-0.010

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 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 прокате с диаметром до 19 мм, временное сопротивление разрыву не более 580 МПа, относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 60%.

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 ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания углерода (0.25%) и ванадия (0.07%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - (соответственно 0.17%, 0.001%) - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец, хром и молибден 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, 0.35% Сr, 0.10% Мо) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - (соответственно 0.90% Мn, 0.001% Сr, 0.001% Мо), необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Никель в заданных пределах (0,001-0,10) влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали.

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

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.

Медь усиливает влияние бора в стали. При этом нижний уровень ее содержания - 0.001%, определяется требованиями обеспечения заданного уровня пластичности стали. Верхний уровень - 0.10% обусловлен необходимостью обеспечить заданный уровень прокаливаемости стали.

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 0.03) 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:

[T]+[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.

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

Соотношение определяет условия обеспечения заданных характеристик прокаливаемости стали.

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 уширенную к верху изложницу. 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 19 мм со структурой зернистого перлита (98%), обезуглероженный слой глубиной 0.15 мм, балл действительного зерна - 9, холодная осадка проволоки диаметром 19 мм на 70%, временным сопротивлением разрыву 560 МПа, относительное удлинение 20%, сужение 65%.

Соотношение

С=0,20%, Mn=1,20%

Ti=0.02%, N=0.007%, Al=0,03%

С=0,12%, В=0,002% N=0.007%,

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, С 22 С 38/54, 30.10.1986 г.

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