способ производства круглого сортового проката из среднелегированной стали

Формула изобретения

Способ производства круглого сортового проката из среднелегированной стали, включающий выплавку стали в электропечи, внепечную обработку стали в ковше с легированием, раскислением и продувкой аргоном, вакуумирование стали, непрерывную разливку стали, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки с использованием режимов термомеханической обработки, отличающийся тем, что после вакуумирования ведут повторное окисление стали в ковше окисленными окатышами с последующей добавкой алюминия, серы и получают сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,17-0,23
Марганец	0,65-0,95
Кремний	0,17-0,37
Хром	0,35-0,65
Никель	0,40-0,75
Молибден	0,15-0,25
Сера	0,020-0,040
Фосфор	0,001-0,035
Ниобий	0,005-0,02
Ванадий	0,005-0,08
Кальций	0,001-0,010
Кислород	0,001-0,015
Медь	Не более 0,25
Мышьяк	Не более 0,008
Азот	Не более 0,015
Железо и неизбежные примеси	Остальное

при выполнении соотношений кислород:кальций=1÷4,5 и кальций:сера 0,065, после горячей прокатки осуществляют отделку проката, содержащую правку, контроль поверхностных дефектов, ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку проката, смотку проката в бунты и порезку на заготовки длиной до 6 м с точностью порезки ±5 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого, горячекатаного, горячекалиброванного и обточенного из среднелегированной стали повышенной обрабатываемости резанием, используемой для изготовления высоконагруженных шестерен коробки перемены передач автомобиля.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0,18-0,27%, марганец 0,6-1,0%, кремний 0,2-0,42%, хром 0,8-1,3%, никель 0,45-0,79%, молибден 0,18-0,28%, титан 0,02-0,05%, сера 0,01-0,06%, бор 0,0005-0,003%, ванадий 0,01-0,06%, цирконий 0,01-0,06%, алюминий 0,005-0,025%, кальций 0,001-0,008%, остальное железо. При этом сумма компонентов титана, ванадия и циркония должна быть равной 0,05-0,12. Стальные слитки подвергают горячей прокатке, калибровке и изготавливают шестерни (SU 768849, С 22 С 38/54). Недостатком данной стали является относительно высокое содержание азота и отсутствие в композиции элементов, защищающих бор от связывания в нитриды, что в ряде случаев не позволит достичь заявляемого авторами эффекта по повышению характеристик прокаливаемости. К недостаткам данной стали следует отнести также и довольно широкие границы содержания серы, что на нижнем уровне (до 0,02 мас.%) не позволит обеспечить необходимые характеристики обрабатываемости резанием.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0,15-0,25%, кремний 0,10-0,15%, марганец 0,45-0,65%, хром 0,5-0,6%, никель 1-2,5%, молибден 0,4-0,8%, серу - не более 0,015%, фосфор - не более 0,015%, ниобий 0,02-0,06%, ванадий 0,02-0,06%, медь не более 0,3%, остальное - железо и примеси (патент США №5645795 А, С 22 С 38/44 опубликован 08.07.1997 г.). Недостатком данной стали является нерегламентированное содержание серы, что приведет к существенному ухудшению характеристик резания, снижению стойкости режущего инструмента, увеличению нагрузок на инструмент при нижнем уровне содержания серы в предложенном интервале - т.е. менее 0,020%. Также к числу недостатков следует отнести отсутствие в ее составе модифицирующих элементов, таких как кальций, что будет способствовать наличию в стали вытянутых сульфидных включений и, как следствие, повышенной анизотропии механических свойств горячекатаного проката.

Наиболее близким аналогом является известный способ производства круглого сортового проката из среднелегированной стали, включающий выплавку стали в электропечи, внепечную обработку, легирование и раскисление стали, продувку аргоном, вакуумирование стали, непрерывную разливку стали, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки с использованием режимов термомеханической обработки (RU 2039119 C1, C 22 C 38/44).

Техническим результатом изобретения является получение сортового проката из среднелегированной стали со структурой, обеспечивающей рациональные условия обработки резанием и благоприятные соотношения прочности, пластичности и вязкости стали.

Для достижения технического результата в известном способе производства круглого сортового проката из среднелегированной стали, включающем выплавку стали в электропечи, внепечную обработку стали в ковше с легированием, раскислением и продувкой аргоном, вакуумирование стали, непрерывную разливку стали, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки с использованием режимов термомеханической обработки, после вакуумирования ведут повторное окисление металла в ковше окисленными окатышами с последующей добавкой алюминия, серы и получают сталь при следующем соотношении компонентов в мас.%:

углерод	0,17-0,23
марганец	0,65-0,95
кремний	0,17-0,37
хром	0,35-0,65
никель	0,40-0,75
молибден	0,15-0,25
сера	0,020-0,040
фосфор	0,001-0,035
ниобий	0,005-0,02
ванадий	0,005-0,08
кальций	0,001-0,010
кислород	0,001-0,015
медь	не более 0,25
мышьяк	не более 0,008
азот	не более 0,015
железо и неизбежные примеси	остальное,

при выполнении соотношений: кислород/кальций=1÷4,5 и кальций/сера>0,065. После горячей прокатки осуществляют отделку прутка, включающую правку, контроль поверхностных дефектов и ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку прутков круглого проката, смотку сортового проката в бунты и порезку прутков на заготовки длиной до 6 метров с точностью порезки ±5 мм.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой термообработанной стали (закалка 860±15°С, масло с последующим отпуском 170°С, воздух) благоприятную структуру с глобулярными сэндвич-включениями, что обеспечивает, с одной стороны, повышенные характеристики резания даже широкими резцами при поперечной подаче режущего инструмента, с другой стороны - благоприятное сочетание характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,23%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,17% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Карбонитридообразующие элементы - ниобий и ванадий вводятся в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ниобий управляет процессами в верхней части аустенитной области (так как карбонитриды ниобия растворяются лишь при температурах аустенитизации 1200-1250°С), а ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области и в межкритическом интервале температур (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке). И ванадий, и ниобий повышают температуру рекристаллизации стали и, как следствие, влияют на характер - -превращения. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания ванадия - 0,08% и ниобия - 0,02% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,005% для ниобия и 0,005% для ванадия - 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 стали. Молибден известен также как элемент, эффективно препятствующий возникновению обратимой отпускной хрупкости в стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0,95%, хрома - 0,65% и молибдена - 0,25% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,65% марганца, 0,35% хрома и 0,15% молибдена соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Никель в заданных пределах (0,40-0,75%) влияет на характеристики прокаливаемости, вязкости и хладостойкости 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.

Фосфор - элемент, способствующий увеличению характеристик резания стали. При этом верхний уровень содержания фосфора - 0,035% обусловлен необходимостью предотвращения развития процессов обратимой отпускной хрупкости стали, а также обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,0010% соответственно необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.

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.

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.

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0,19%, марганец - 0,82%, кремний - 0,32%, хром - 0,52%, никель - 0,65%, молибден - 0,19%, ванадий - 0,05%, сера - 0,036%, фосфор - 0,022%, ниобий - 0,01%, кальций - 0,0024%, кислород - 0,007%) проводили 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 обработке алюминием, ферросилицием, легирование - FeMn(SiMn), FeCr). После выпуска проводили продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин, затем вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом проводится легирование (тонкое) - углерод, марганец и кремний. После вакуумирования - обработка на установке печь - ковш. За 15-30 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 минут до разливки - 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 - погруженная 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 проводили 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. В результате горячей прокатки получаем сортовой прокат диаметром 35 мм, имеющий в закаленном состоянии твердость на глубине 6 мм 36-39 HRc, размер действительного зерна - 8 балл, не имеющий обезуглероженного слоя, а в результате последующей термообработки (закалки 860±10°С, 1 час, масло и отпуск 165±10°С) - временное сопротивление разрыву 14501520 МПа, предел текучести - 980 МПа относительное удлинение 9%, относительное сужение 62%.

Соотношение кислород/кальций=2,92, содержание кальция - 0,0024%, кислорода - 0,007%, соотношение кальций/сера=0,067, содержание кальция - 0,0024%, серы - 0,036%.

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием обеспечивает получение двухслойных сэндвич-неметаллических включений, гарантирующих, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны - благоприятное соотношение прочности пластичности и вязкости стали.