круглый сортовой прокат из среднелегированной стали

Формула изобретения

Круглый сортовой прокат диаметром до 50 мм из среднелегированной стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющий заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуре, механическим свойствам, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, отличающийся тем, что сталь содержит следующие соотношения 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 0,08%
Азот	Не более 0,015%
Железо и
неизбежные примеси	Остальное

при выполнении соотношений кислород:кальций=1:4,5, кальций:сера 0,065, неметаллические включения по сульфидам имеют двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой, при этом закаленный прокат имеет размер действительного зерна 5-10 балл, временное сопротивление разрыву 1180-1520 МПа, предел текучести не менее 930 МПа, относительное удлинение не менее 7%, относительное сужение не менее 59%, твердость 32-40 HRc на глубине 6 мм.

Описание изобретения к патенту

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

Известен сортовой прокат круглый из среднеуглеродистой стали, содержащей (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 (мас.%), горячекатаный закаленный прокат имеет заданные параметры предела текучести, относительного удлинения, относительного сужения, временного сопротивления разрыву и твердости (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.

Известен сортовой прокат круглый из стали, содержащей (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%, сера - 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 круглый сортовой прокат из среднелегированной стали, содержащий углерод и легирующие элементы, имеющий заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуре, механическим свойствам, прокаливаемости и обрабатываемости резанием (RU 2039119 С1, МПК 7, С 22 С 38/44).

Техническим результатом изобретения является повышение характеристик обрабатываемости резанием при одновременном повышении характеристик прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 50 мм

Для достижения технического результата в известном круглом сортовом прокате из среднелегированной стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющем заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуре, механическим свойствам, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, сталь содержит следующие соотношения 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 0.08%
азот	не более 0.015%
железо и
неизбежные примеси	остальное

при выполнении соотношений: кислород/кальций=1/4.5, кальций/сера 0.065 неметаллические включения имеют двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой, диаметр проката составляет до 50 мм, горячекатаный закаленный прокат имеет размер действительного зерна 5-10 баллов, временное сопротивление разрыву 1180-1520 МПа, предел текучести не менее 930 МПа, относительное удлинение не менее 7%, относительное сужение не менее 59%, твердость 32-40 HRc на глубине 6 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 сталь для 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% - требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Карбонитридообразующие элементы - ниобий и ванадий вводятся в композицию данной стали для 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.

Пример изготовления круглового сортового проката:

Выплавку исследуемой стали, содержащей 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. В ковш выпускают перекисленный металл. Раскисляют металл при выпуске алюминием, ферросилицием. Легирование осуществляют FeMn(SiMn), FeCr. После выпуска проводили продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин. Затем вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом производится легирование (тонкое) - углерод, марганец и кремний. После вакуумирования ведут обработку на установке печь-ковш. За 15-30 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем вновь вводится 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 - погружная 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 производили в двух методических печах с шагающим подом. Температура нагрева заготовки - 900°С 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 баллов, 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%

кальций/сера=0.067, содержание кальция - 0.0024%, серы - 0,036%

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из средней 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.