сортовой прокат калиброванный, круглый в прутках

Формула изобретения

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

Углерод	0,42-0,50
Марганец	0,50-0,80
Кремний	0,17-0,37
Сера	0,020-0,040
Фосфор	0,001-0,030
Алюминий	0,03-0,050
Кальций	0,001-0,010
Кислород	0,001-0,015
Хром	Не более 0,25
Никель	До 0,25
Медь	Не более 0,25
Молибден	Не более 0,10
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 сульфидов имеют двухслойную структуру: сульфид с оксидной оболочкой, прокат имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру с размером действительного зерна 5-8 баллов, диаметр от 10 до 30 мм, кривизну не более 1,0 мм/м, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, твердость 229-255 НВ, временное сопротивление разрыву не менее 640 МПа, относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 30%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката в прутках, калиброванного, круглого, из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, используемой для изготовления штоков амортизаторов автомобиля.

Известен сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0,38-0.47%, марганец 0,8-1.2%, кремний 0,17-0.37%, ванадий 0,08-0,18%, бор 0,001-0,005%, азот 0,005-0,025%, сера 0,036-0,080%, кальций 0,001-0,010%, остальное при условии, что отношение марганца к кальцию составляет 100-1100. (Авторское свидетельство СССР SU 1689424 A1, C 22 С 38/60 от 07.11.1989 г. Бюл. №41). Недостатками данной стали являются относительное 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.

Известен сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0,42-0,50%, кремний 0,17-0,37%, марганец 0,50-0,80%, сера - не более 0,040%, фосфор - не более 0,035%, остальное - железо. Примеси: хром - не более 0,25%, никель - не более 0,30%, мышьяк - не более 0,08%, азот - не более 0,008%, медь - не более 0,30% (Марочник сталей и сплавов, под ред. А.С.Зубченко. М., Машиностроение, 2003, стр.102).

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому изобретению является сортовой прокат калиброванный, круглый, из стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющий заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием (RU 2156312 С1, 20.09.2000).

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату, круглому, из среднеуглеродистой стали является обеспечение повышенных характеристик обрабатываемости резанием, при обеспечении благоприятного соотношения прочности, пластичности и вязкости, минимальном уровне анизотропии механических свойств и одновременном повышении характеристик прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 30 мм.

Техническим результатом изобретения является обеспечение рациональных условий обработки резанием при одновременном обеспечении однородных механических свойств по сечению проката.

Для достижения технического результата изобретен сортовой прокат калиброванный, круглый в прутках, выплавленный из среднеуглеродистой стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющий заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, при этом сталь содержит следующие соотношения компонентов в мас.%:

углерод	0,42-0,50
марганец	0,50-0,80
кремний	0,17-0,37
сера	0,020-0,040
фосфор	0,001-0,030
алюминий	0,03-0,050
кальций	0,001-0,010
кислород	0,001-0,015
хром	не более 0,25
никель	до 0,25
медь	не более 0,25
молибден	не более 0,10
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 сульфидов имеют двухслойную структуру: сульфид с оксидной оболочкой, прокат имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру с размером действительного зерна 5-8 баллов, диаметр от 10 до 30 мм, кривизну не более 1,0 мм/м, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, твердость 229-255 НВ, временное сопротивление разрыву не менее 640 МПа, относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 30%.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в готовом изделии (шток амортизатора диаметром до 23 мм), после токарной обработки, закалки токами высокой частоты и последующей шлифовки феррито-перлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня прочности и пластичности. Верхняя граница содержания углерода (0,50%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.42% - 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. При.этом верхний уровень содержания марганца - 0,80%, определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,50%, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности 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.

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.

Фосфор - элемент, способствующий увеличение характеристик резания стали. При этом верхний уровень содержания фосфора - 0,030% 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.

Соотношения:

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.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - алюминия, кальция и кислорода, а также соотношениями: кислород/кальций = 1÷4,5 и кальций/сера 0,065%

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение характеристик обрабатываемости резанием при сохранении благоприятного соотношения прочность - пластичность и вязкость стали.

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

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

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0,48%, марганец - 0,72%, кремний - 0,32%, сера - 0,034%, фосфор - 0,022%, алюминий - 0,037%, кальций - 0,0025%, кислород - 0,010%) проводили в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП-150, мощность трансформатора 80 мВа) 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 выпуске алюминием, ферросилицием - раскисление, легирование - 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 - обработка на печи-ковше. За 15-30 мин до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 мин 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, 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.

В результате горячей прокатки и последующей калибровки получаем сортовой прокат 22,5 мм, длиной - 5900 мм, кривизна прутков - не более 0.7 мм/м. Структура пластинчатого перлита, обезуглероденный слой глубиной 0.05 мм. балл действительного зерна - 7, твердость заготовки 229-241 НВ, временное сопротивление разрыву 680 МПа, относительное удлинение 9%, относительное сужение 42%

Соотношение: кислород/кальций = 4,0, содержание кальция - 0,0025%, кислорода - 0,010%; кальций/сера = 0,074, содержание кальция - 0,0025%, серы - 0,034%.

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