сортовой прокат, круглый, из микролегированной высокопластичной стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей

Формула изобретения

Сортовой прокат, круглый, выплавленный из микролегированной стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющий заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и технологической пластичности, отличающийся тем, что сталь содержит следующие соотношения компонентов в мас.%:

Углерод 0,06-0,11

Марганец 0,30-0,9

Кремний 0,001-0,15

Бор 0,0005-0,0050

Ванадий 0,005-0,08

Алюминий 0,02-0,06

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

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 60% зернистого перлита, размер действительного зерна 5-10 баллов, диаметр от 10 до 16 мм, обезуглероженный слой не более 1.0% от диаметра, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, 50%-ная прокаливаемость проката с диаметром до 16 мм, временное сопротивление разрыву не более 500 МПа, относительное удлинение не менее 22%, относительное сужение не менее 70%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, круглого, из микролегированной высокопластичной стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей формы из предварительно закаленного из межкритического интервала температур проката.

Известен сортовой прокат, круглый, из микролегированной стали, содержащая углерод и легирующие элементы, имеющую 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 среднеуглеродистой борсодержащей стали, содержащий (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 [2]. Недостатком данной стали являются: низкая технологичность, недостаточная прокаливаемость, широкие границы содержания элементов, что не позволяет обеспечить стабильность свойств стали.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является сортовой прокат, круглый, из среднеуглеродистой борсодержащей стали, содержащей (мас.%): углерод 0.18-0.24, кремний 0,17-0,37, марганец 0.90-1.30, бор 0.0005-0.0050, азот 0.005-0.015, ванадий 0,01-0,08, алюминий 0.02-0.06, титан 0,01-0,04, остальное железо при следующем соотношении элементов и [3]. Недостатками известной стали являются завышенное содержание углерода, марганца и кремния, что не позволит получить требуемый комплекс потребительских свойств при деформационном упрочнении в процессе высадки высокопрочных стержневых крепежных деталей.

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 микролегированной, высокопластичной стали, имеющий заданную структуру, временное сопротивление разрыву и твердость, согласно изобретению выполнен из стали, содержащей следующие соотношения компонентов, мас.%:

углерод 0.06-0.11

марганец 0.30-0.9

кремний 0,001-0,15

бор 0.0005-0.0050

ванадий 0,005-0,08

алюминий 0.02-0.06

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:

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 60% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 балл, диаметр проволоки составляет от 10 до 16 мм, имеет обезуглероженный слой не более 1.0% от диаметра, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, 50% - прокаливаемость в кругах диаметром до 16 мм, временное сопротивление разрыву не более 500 МПа, относительное удлинение не менее 22%, относительное сужение не менее 70%.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии (болт, гайка, шпилька диаметром до 16 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 управляет процессами в аустенитной области (определяет склонность к росту зерна аустенита (до 950°С), стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер -- превращения). Ванадий способствует также упрочнению стали при термообработке. Верхняя граница содержания углерода (0.11 мас.%), ванадия (0.08 мас.%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.06 мас.%, 0.005 мас.% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент существенно повышающий устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающий прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания марганца (0.90 мас.%) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний (0.30 мас.%) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0.01 мас.% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.15 мас.% 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 мас.%) определяется требованием обеспечения заданного уровня прочности, а верхний уровень (0.015 мас.%) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и прокаливаемости.

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.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел вопросами технологичности производства.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN и AlN в результате протекания реакций:

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 , с одной стороны, определяет условия, обеспечивающие заданный уровень прочности стали, с другой стороны, определяет уровень базового легирования, обеспечивающего минимальный уровень прокаливаемости стали.

Соотношение , с одной стороны, определяет условия, обеспечивающие заданный уровень вязкости стали, так как кальций модифицирует неметаллические включения, с другой стороны, определяет уровень содержания кальция, необходимый для частичного связывания кислорода, что позволяет высвободить дополнительное количество алюминия и обеспечивает дополнительную защиту бора от связывания в нитриды.

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 уширенный к верху изложницы. 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 12 мм со структурой зернистого перлита (99%), обезуглероденный слой глубиной 0.22 мм, балл действительного зерна - 9, холодная осадка проволоки диаметром 12 мм на 90%, временным сопротивлением разрыву 500 МПа, относительное удлинение 23%, сужение 75%.

Соотношение

Ti=0,02%, N=0.007%, Al=0.03%

С=0,08%, Mn=0,60%

Ca=0,0011%, S=0,008%

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 С 2, С 21 D 8/06, 27.12.2001

2. SU 601321, С 22 С 38/12, 06.02.1976 г.

3. RU 2127769, С 22 С 38/14, 20.03.1999 г. (прототип)