способ производства круглого сортового проката в прутках из среднеуглеродистой хромсодержащей стали

Формула изобретения

Способ производства круглого сортового проката в прутках из среднеуглеродистой стали, включающий выплавку стали в электропечи, выпуск металла из печи, глубокое раскисление металла алюминием и легирование, доводку металла по химическому составу по всем элементам, кроме алюминия и серы, повторное окисление металла и шлака окисленными окатышами, добавку алюминия, обработку кальцием, микролегирование серой с получением стали при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,35-0,420
Марганец	0,50-0,80
Кремний	0,17-0,37
Хром	0,8-1,1
Сера	0,020-0,040
Ванадий	0,005-0,020
Кальций	0,001-0,010
Кислород	0,001-0,015
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 и кальций/сера 0,065, непрерывную разливку стали с защитой струи аргоном, горячую прокатку непрерывно-литой заготовки с использованием режима термомеханической обработки, смотку прутков в бунты, размотку прутков, порезку прутков длиной до 6 м с точностью порезки ±5 мм, отделку проката путем правки, контроля поверхностных дефектов и ультразвукового контроля внутренних дефектов, выборочной абразивной зачистки, сплошной абразивной шлифовки и обточки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката круглого из среднеуглеродистой хромсодержащей стали повышенной обрабатываемости резанием, используемого для изготовления шаровых пальцев, наконечников тяг и шаровых опор подвески автомобиля, получаемых методом холодной объемной штамповки.

Известен сортовой прокат круглый из стали, содержащей (мас.%): углерод 0,36-0,44%, марганец 0,50-0,80%, кремний 0,25-0,45%, хром 0,85-1,50%, титан 0,02-0,04%, алюминий 0,005-0,015%, бор 0,003-0,005%, кальций 0,001-0,004%, медь 0,2-0,6%, никель 0,2-0,5, барий 0,01-0,04%, железо - остальное, при этом отношение Cu/Mn+Ni=0,15-0,75 (Патент РФ RU 2023048 С1, С 22 С 38/54 от 22.06.1992 г., опубликован 15.11.1994 г.). 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 0,35-0,45%, марганец 0,50-0,80%, кремний 0,17-0,37%, хром 0,8-1,10%, ванадий 0,04-0,09%, алюминий 0,005-0,015%, кальций 0,001-0,004%, азот 0,005-0,009%, медь, 0,25-0,40%, магний 0,0005-0,0009%, железо и неизбежные примеси - остальное. При этом содержание серы составляет 0,01-0,02 мас.%; содержание фосфора составляет 0,015-0,020 мас.% (Авторское свидетельство СССР SU 1216241 А, С 22 С 38/24, опубликовано 07.03.1986 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 0,012%. Также к числу недостатков следует отнести высокое содержание фосфора в стали, что будет способствовать (учитывая наличие в стали марганца и хрома и отсутствие молибдена) интенсивному развитию процессов обратимой отпускной хрупкости при термической обработке.

Известен способ производства сортового проката, включающий выплавку борсодержащей стали, выпуск металла, разливку, горячую прокатку, охлаждение (Патент DE 343744 А1, 03.04.1986 г., С 21 D 8/06, формула изобретения).

Наиболее близким аналогом является известный способ производства сортового проката, включающий выплавку стали в электропечи, выпуск металла, внепечную обработку, непрерывную разливку, горячую прокатку непрерывно-литой заготовки, охлаждение (RU 2156313 С1, С 21 D 8/02, 20.09.2000 г.).

Техническим результатом изобретения является повышение характеристик обрабатываемости резанием при одновременном повышении штампуемости и прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 25 мм, а также сохранении высокого уровня технической пластичности стали. Для достижения технического результата способ производства круглого сортового проката из среднелегированной стали включает выплавку стали в электропечи, выпуск металла из печи, глубокое раскисление металла алюминием и легирование, доводку металла по химическому составу по всем элементам, кроме алюминия и серы, повторное окисление металла и шлака окисленными окатышами, добавку алюминия, обработку кальцием, микролегирование серой, с получением стали при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,35-0,420
марганец	0,50-0,80
кремний	0,17-0,37
хром	0,8-1,1
сера	0,020-0,040
ванадий	0,005-0,020
кальций	0,001-0,010
кислород	0,001-0,015
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 и кальций/сера 0,065, непрерывную разливку стали с защитой струи аргоном, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки с использованием режима термомеханической обработки, смотку прутков в бунты, размотку прутков, порезку прутков с длиной до 6 м с точностью порезки ±5 мм, отделку проката путем правки, контроля поверхностных дефектов и ультразвукового контроля внутренних дефектов, выборочной абразивной зачистки, сплошной абразивной шлифовки и обточки.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (пруток горячекатаного сортового проката круглого диаметром до 25 мм) благоприятную пластинчатую 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 (0.42%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.35% - обеспечения требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Карбонитридообразующий элемент - ванадий вводится 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 ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области и в межкритическом интервале температур (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер - -превращения). Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания ванадия - 0.02% - обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,005% - обеспечения требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0.80% и хрома - 1.10% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,50% марганца и 0,80% хрома, 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.

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.

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 - уровень содержания кислорода - 4,5 - обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 1, соответственно, возможностью образования двухслойного сэндвич-неметаллического включения.

Соотношение кальций/сера 0,065% определяют условия 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 заявляемой совокупностью признаков и соответствует критерию "существенные отличия".

Ниже дан пример осуществления предлагаемого изобретения.

Выплавку исследуемой стали (химический состав в мас.%: углерод - 0.40%, марганец - 0.65%, кремний - 0.32%, хром - 0.92%, ванадий - 0.01%, сера - 0,036%, кальций - 0.0024%, кислород - 0.007%) 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 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 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 скоростей 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 21 мм со структурой зернистого перлита (99%), обезуглероженный слой глубиной 0,09 мм, балл действительного зерна - 8, холодная осадка проволоки диаметром 21 мм на 67%, с временным сопротивлением разрыву 580 МПа, относительное удлинение 21%, сужение 63%.

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 среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием обеспечивает получение двухслойных сэндвич-неметаллических включений, гарантирующих, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны - благоприятное сообношение прочности пластичности и вязкости стали.