пруток из среднеуглеродистой стали

Формула изобретения

Сортовой прокат, 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, размер действительного зерна 5-8 баллов, диаметр 10÷30 мм, твердость 229-255 НВ, временное сопротивление разрыву не менее 660 МПА, относительное удлинение не менее 8%, относительное сужение не менее 35%, кривизну не более 0,5%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, круглого, из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, используемого 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 А1, С 22 С 38/60 от 07.11.1989 г. Бюл. №41). 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.

Известен сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0.42-0.50%, кремний 0.17-0.37%, марганец 0.50-0.80%, серу - 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 редакцией А.С.Зубченко, М., Машиностроение, 2003, стр.102).

Наиболее близким аналогом является известный сортовой прокат, 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 (см. RU 2156312 С1, С 21 D 8/04, 20.09.2000).

Задачей изобретения является обеспечение рациональных условий обработки резанием штоков амортизаторов автомобиля при одновременном обеспечении однородных механических свойств по сечению проката.

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату, круглому, из среднеуглеродистой стали, используемой для изготовления штоков амортизаторов методом точения при перпендикулярной подаче резца, 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.

Для решения задачи в известном сортовом прокате, круглом в прутках, выплавленном из среднеуглеродистой стали, содержащей углерод и легирующие элементы, имеющем заданные параметры качества стали по неметаллическим включениям, структуры, механических свойств, прокаливаемости и обрабатываемости резанием, 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. Кривизна прутков - не более 0,5 мм/м. Прокат имеет пластинчатую феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна - 5-8 балл, диаметр проката составляет от 10 до 30 мм, не имеет обезуглероженный слой, твердость заготовки 229-255, временное сопротивление разрыву не менее 660 МПа, относительное удлинение не менее 8%, относительное сужение не менее 35%.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в готовом изделии (шток амортизатора диаметром до 25 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% необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел (0.010%) 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. Верхний уровень содержания кислорода - 0.015% обусловлен необходимостью обеспечения требуемой пластичности стали, а нижний - 0.001% 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 кальцйй/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 даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0.46%, марганец -0.71%, кремний - 0.36%, сера - 0,033%, фосфор - 0.025%, алюминий - 0.033%, кальций - 0.0025%, кислород - 0.008%) 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 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 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 минут обработка порошковыми проволоками с силикокальцием и чистой серой. Разливку стали проводили на сортовой УНРС радиального типа в НЛЗ 300х360 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. 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 и последующей специальной отделки поверхности получали сортовой прокат диамтром 16,4 мм, длиной - 6000 мм, кривизна прутков - не более 0.3 мм/м. Структура пластинчатого перлита, обезуглероденный слой глубиной 0.05 мм, балл действительного зерна - 6, твердость заготовки 229-241НВ, временное сопротивление разрыву 720 МПа, относительное удлинение 12%, относительное сужение 48%.

Соотношение: кислород/кальций=3.2, содержание кальция - 0.0025%, кислорода - 0.008%; кальций/сера= 0.076, содержание кальция - 0.0025%, серы - 0,033%.

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.