КРУГЛЫЙ СОРТОВОЙ ПРОКАТ ИЗ БОРСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ
ROUND ROLLED STOCK FROM BORON-CONTAINING STEEL OF INCREASED HARDENING CAPACITY

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству круглого сортового проката, используемого при изготовлении тяжелонагруженных деталей, работающих при больших скоростях и нагрузках.
-3
Известен круглый сортовой прокат из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости следующего состава, мас.%: C 0,16-0,23, Mn 0,60-0,90, Si 0,17-0,37, Cr 0,70-1,10, S 0,005-0,035, Ni 0,80-1,00, Al 0,02-0,05, Ti 0,01-0,06, N 0,005-0,010, B 0,001-0,005, Ca 0,001-0,010, As 0,0001-0,03, Sn 0,0001-0,02, Pb 0,0001-0,01, Zn 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное, при соотношениях: (As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; (Ti/48)+(Al/27)-(N/14)≥(0,6×10). Примеси, мас.%: Cu не более 0,30, Mo не более 0,03, P не более 0,035.
в
т
н
3
3
2
Закаленный и отпущенный прокат имеет пластинчатую ферритоперлитную структуру, размер действительного зерна 5-9 баллов, неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым со средним баллом не более 3,5 по каждому виду, макроструктуру по центральной пористости, точечной неоднородности, ликвационному квадрату, подусадочной ликвации не более 3 баллов по каждому виду, ликвационным полоскам не более 1 балла, σ не менее 1200 МПа, σ не менее 1110 МПа, δ не менее 12%, ψ не менее 62%, а KCU(+20) не менее 1470 кДж/м. Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h не более 0,30 мм (РФ, патент №2355785, C21D 8/06, C22C 38/54, C22C 38/60, 27.03.2008).
Наиболее близким к предлагаемму является круглый сортовой прокат из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости следующего состава, мас.%: C - 0,38-0,43, Mn - 0,50-0,80, Si - 0,17-0,37, Cr - 0,70-1,00, S - 0,005-0,040, Mo - 0,03-0,06, V - 0,04-0,08, Al - 0,020-0,045, Ti - 0,020-0,045, B - 0,001-0,003, N - 0,005-0,012, As - 0,0001-0,03, Sn - 0,0001-0,02, Pb - 0,0001-0,01, Zn - 0,0001-0,005, железо и неизбежные примеси - остальное, при следующем соотношении элементов:
-3
(As+Sn+Pb+5×Zn)≤0,07; Ti/48+Al/27-N/14≥0,6×10.
Прокат получают с диаметром от 40 до 170 мм.
Прокат имеет макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат - не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация - не более 2 баллов, ликвационные полоски - не более 1 балла.
Загрязненность стали неметаллическими включениями: средний балл по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым - не более 3,5 по каждому виду включений.
Прокат имеет пластинчатую ферритоперлитную структуру, размер действительного зерна - 5-9 баллов.
в
0,2
Механические свойства после закалки и низкого отпуска: σ не менее 1300 МПа, σ не менее 1210 МПа, δ не менее 10%, ψ не менее 55%.
Прокаливаемость: твердость образца при торцевой закалке на расстоянии 10 мм от торца - не менее 47 HRC, на расстоянии 20 мм от торца - не менее 40 HRC.
3
3
Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h не более 0,30 мм (РФ, патент №2329309, C21D 8/06, C22C 38/60, 19.09.2006).
Одним из важнейших требований, предъявляемых к круглому сортовому прокату, используемому при изготовлении тяжелонагруженных деталей, работающих при больших скоростях и нагрузках, является обеспечение однородности макроструктуры проката, мелкозернистости структуры, снижение содержания неметаллических включений и обеспечение требуемой прокаливаемости. Выявленные в результате патентного поиска технические решения не позволяют повысить характеристики прокаливаемости проката с одновременным улучшением показателей, характеризующих структуру и чистоту проката по неметаллическим включениям. У наиболее близкого к предлагаемому проката макроструктура: центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат - не более 3 баллов по каждому виду; подусадочная ликвация - не более 2 баллов, ликвационные полоски - не более 1 балла; загрязненность стали неметаллическими включениями: средний балл по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым - не более 3,5 по каждому виду включений; структура проката пластинчатая ферритоперлитная, размер действительного зерна - 5-9 баллов, при характеристиках прокаливаемости - твердость образца при торцевой закалке: на расстоянии 10 мм от торца - не менее 47 HRC, на расстоянии 20 мм от торца - не менее 40 HRC. При этом выявленные в результате патентного поиска технические решения не позволяют увеличить глубину прокаливания. Одной из причин отсутствия возможности увеличения глубины прокаливаемости является то, что при относительно высоком уровне вариации содержания углерода в стали, из которой изготавливают прокат, не учтен фактор защиты бора от связывания в нитриды, что не позволяет получить повышенные характеристики прокаливаемости.
Предлагаемое изобретение решает задачу создания круглого сортового проката из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости, с заданными параметрами прокаливаемости, структуры и механических свойств, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в расширении комплекса потребительских свойств путем возможности повышения показателей прокаливаемости проката с одновременным улучшением показателей, характеризующих структуру и чистоту проката по неметаллическим включениям.
Кроме того, заявленный сортовой прокат из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости позволяет получить дополнительный, по отношению к прототипу, технический результат, заключающийся в возможности изготовления сортового проката больших диаметров (свыше 190 мм) из борсодержащей стали с улучшенными, по отношению к прототипу, параметрами прокаливаемости, структуры и чистоты по неметаллическим включениям.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что в заявленном круглом сортовом прокате из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости с заданными параметрами прокаливаемости, структуры и чистоты по неметаллическим включениям новым является то, что он изготовлен из легированной стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, титан, алюминий, бор, сера, железо и неизбежные примеси, при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
углерод
0,33-0,37
марганец
1,0-1,3
кремний
0,17-0,37
хром
0,45-0,65
титан
0,020-0,045
алюминий
0,020-0,045
бор
0,001-0,003
сера
0,02-0,04
никель
0,01-0,30
железо и неизбежные примеси
остальное,
при выполнении следующего соотношения элементов: 40≥C/0,01+B/0,001≥33; 500×[Ti/24-N/7]+0,02≥0; 12/C-Mn/0,055≤20, при этом в качестве неизбежных примесей сталь содержит массовую долю элементов, мас.%: фосфор 0,001-0,030, медь 0,10-0,30, азот 0,001-0,010, молибден 0,001-0,08, прокат имеет ферритоперлитную мелкодисперсную структуру, величина аустенитного зерна балл №5, макроструктура (не более): центральная пористость 3 балла, точечная неоднородность 3 балла, ликвационный квадрат 3 балла, подусадочная ликвация 1 балл, подкорковые пузыри и межкристаллитные трещины не допускаются; неметаллические включения: по сульфидам, оксидам строчным, оксидам точечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным силикатам недеформированным - не более 3 баллов по среднему баллу по каждому виду включений; прокаливаемость - твердость образца при торцевой закалке соответствует: на расстоянии от торца образца 1,5 мм от 52 до 56 HRC; на расстоянии от торца образца 11,0 мм не менее 51 HRC; на расстоянии от торца образца 20,0 мм не менее 45 HRC; на расстоянии от торца образца 40,0 мм от 40 до 48 HRC.
Заявленный технический результат достигается за счет корректировки общего качественного и количественного состава стали, из которой изготавливают прокат. Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют повысить показатели прокаливаемости проката с одновременным улучшением показателей, характеризующих структуру и чистоту проката по неметаллическим включениям, а именно: получить в готовом изделии ферритоперлитную мелкодисперсную структуру с благоприятным сочетанием механических характеристик, обуславливающих повышенные характеристики прокаливаемости проката и позволяющих решить задачу увеличения глубины прокаливаемости. В результате обеспечивается возможность производства из заявленной борсодержащей стали круглого сортового проката повышенной прокаливаемости больших диаметров, а именно: свыше 190 мм, с улучшенными, по отношению к прототипу, параметрами прокаливаемости, структуры и чистоты по неметаллическим включениям.
При этом количественное содержание элементов в составе стали выбрано таким образом, что каждый элемент выполняет свое основное назначение, а в совокупности заявляемый качественный и количественный состав стали обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Качественный и количественный состав стали в заявленном круглом сортовом прокате из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости обусловлен следующим.
Железо является основным компонентом стали.
Углерод вводят в композицию заявленной стали с целью обеспечения мелкодисперсной зеренной структуры и обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,37%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,33% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали. При этом углерод участвует в протекании двух процессов. Первый процесс - это образование графитовых включений в структуре стали, второй - образование частиц карбидной фазы в металлической матрице. При содержании углерода менее 0,33% образуется недостаточное количество как свободного углерода, так и карбидов, что приводит к повышенному износу изделий в процессе эксплуатации и снижению прочностных свойств материала. При содержании углерода более 0,37% происходит выделение избыточного количества частиц карбидной фазы неблагоприятной формы, что приводит к снижению пластических свойств стали.
Марганец, молибден и хром используют, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. В заданных пределах марганец обеспечивает требуемое сочетание прочностных и вязких свойств в совокупности с усилением влияния молибдена на устойчивость переохлажденного аустенита.
Марганец и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающие прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания указанных элементов (соответственно 1.30% Mn, 0,65% Cr) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний (1,00% Mn, 0,45% Cr) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.
Кроме того, марганец, растворяясь в металлической основе, стабилизирует перлит. При содержании марганца менее 1,00% в структуре стали наблюдается присутствие включений феррита, что снижает однородность проката, а при содержании марганца более 1,30% происходит локальное пересыщение ферритной составляющей перлита марганцем, что отрицательно сказывается на свойствах стали.
3
Хром представляет собой эффективный легирующий элемент, повышающий коррозионную стойкость к газообразному диоксиду углерода. Хром при содержании в стали в количестве 0,45-0,65% полностью растворяется в цементите, образуя сложные карбиды типа (Fe, Cr)С, способствует получению высокой и равномерной твердости, износостойкой поверхности. При содержании хрома более 0,65% карбиды укрупняются, увеличивается их количество, что снижает однородность проката.
23
6
Кремний способствует выделению углерода в свободном виде в соответствии со стабильной системой железо-углерод, что значительно повышает показатели износостойкости сплава. Количественное содержание кремния в составе стали соответствует количественному содержанию углерода. Для количественного содержания углерода в заявленной стали кремний в количестве менее 0,17% не оказывает значительного влияния на процесс графитизации, вследствие чего углерод находится в связанном состоянии, что приводит к значительному износу изделий при эксплуатации в условиях интенсивного трения. При содержании кремния более 0,37% в структуре стали наблюдается повышенное количество крупных включений графита неблагоприятной формы, что отрицательно сказывается на однородности проката. Молибден содержится в заявленной стали в виде примеси и оказывает положительное влияние на прокаливаемость. Молибден в присутствии хрома образует карбид (Мо, Fe)С. Наличие молибдена в заявленных пределах повышает прокаливаемость стали, что, в свою очередь, позволяет получить равномерную и мелкозернистую структуру, тормозит процесс роста и коагуляции карбидов. При содержании молибдена в стали менее 0,001% снижается количество образующихся соединений, структура стали отличается неоднородностью, что ведет к ухудшению прокаливаемости проката. При содержании в заявленном составе стали молибдена более 0,08% образуется избыточное количество соединений молибдена, что ведет к снижению пластических свойств стали, а следовательно, к ухудшению прокаливаемости проката.
В совокупности заданные количественные характеристики содержания в заявленной стали марганца, молибдена и хрома обеспечивают требуемый уровень прокаливаемости заявленной борсодержащей стали.
Никель в заданных пределах 0,010-0,30% влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали, повышает прочность стали, уменьшает склонность к хрупкому разрушению, увеличивает дисперсность карбидов, повышает сопротивление стали окислению при нагреве и ее прочность при высоких температурах. Кроме того, никель также нейтрализует вредные влияния со стороны меди, которая также входит в состав заявленной стали, которые заключаются в возможности образования трещин на поверхности во время горячей прокатки. Присутствие никеля в составе стали в количестве 0,010% положительно сказывается на уровне вязкости стали и прочностных характеристиках. Ограничение по верхнему уровню содержания никеля в стали - 0,30% обусловлено получением мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором). При содержании никеля более - 0,30% дальнейшего благоприятного воздействия на свойства стали не происходит.
Для повышения прокаливаемости хромистые стали легируют бором. Бор ограничивает образование крупных ферритов у границ зерен в процессе прокатки и способствует образованию тонкого мелкого феррита внутри зерен, что благоприятно сказывается на твердости и прочностных характеристиках проката, а следовательно, повышает прокаливаемость. Заявленное количественное содержание бора (0,001-0,003%) в составе стали является оптимальным. При этом верхний предел содержания бора определяется соображениями пластичности стали, а нижний - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.
Алюминий и титан используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так, нижний уровень содержания данных элементов (0.020% и 0.020% соответственно для алюминия и титана) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0.045 и 0,045) - требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали, который играет определяющую роль для достижения заданного уровня прокаливаемости.
Сера глобулизирует сульфидные включения и участвует в формировании уровня пластичности стали, а следовательно, в уровне прокаливаемости. Верхний предел (0,040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,020%) - вопросами технологичности производства.
Медь в заявленном составе стали содержится в составе примесей в переделах 0,10-0,30% и в заданных пределах обеспечивает повышение механических свойств и износостойкости в условиях высоких температур и теплосмен.
Фосфор определяет уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Содержание фосфора в заявленном составе примесей стали (не более 0,03%) не оказывает отрицательного влияния на получение заданного уровня пластичности и отпускной хрупкости стали.
Азот способствует образованию карбонитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,010% - обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а следовательно, заданным уровнем прокаливаемости, а нижний предел - 0,001% - вопросами технологичности производства.
Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN и AlN в результате протекания реакций: [Ti]/+[N]=TiN требуется выполнение следующего соотношения элементов: 40≥С/0,01+В/0,001≥33; 500×[Ti/24-N/7]+0,02≥0; 12/С-Mn/0,055≤20.
При невыполнении соотношения 40≥C/0,01+В/0,001≥33 не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.
Выполнение соотношения 500×(Ti/24-N/7)+0,2≥0 определяет условия сохранения в стали более 50% "эффективного" бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.
Выполнение соотношения 12/С-Mn/0,055≤20 определяет условия заданного уровня характеристик прокаливаемости стали и параметры технологичности.
Изготовление опытных образцов круглого сортового проката из заявленного состава борсодержащей стали показало повышение глубины прокаливаемости, по сравнению с прототипом, а именно: прокаливаемость - твердость образца при торцевой закалке соответствует:
- на расстоянии от торца образца 1,5 мм - 52-56 HRC;
- на расстоянии от торца образца 11,0 мм - не менее 51 HRC;
- на расстоянии от торца образца 20,0 мм - не менее 45 HRC;
- на расстоянии от торца образца 40,0 мм - 40-48 HRC.
При этом прокат имел ферритоперлитную мелкодисперсную структуру, величина аустенитного зерна балл №5; макроструктура (не более): центральная пористость балл, точечная неоднородность 3 балла, ликвационный квадрат 3 балла, подусадочная ликвация 1 балл, подкорковые пузыри и межкристаллитные трещины не допускаются; неметаллические включения: по сульфидам, оксидам строчным, оксидам точечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным - не более 3 балла по среднему баллу по каждому виду включений. Кроме того, изготовление опытных образцов круглого сортового проката повышенной прокаливаемости из заявленного состава борсодержащей стали подтвердило возможность изготовления заявленного сортового проката больших диаметров (свыше 190 мм) с вышеуказанными характеристиками.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленного изобретения с получением заявленного технического результата, приведены в примере.
Пример выполнения заявленного изобретения.
Выплавка исследуемой стали с химическим составом в мас.%:
C=0,35; Mn=1,07; Si=0,28; P=0,014; S=0,037; Cr=0,52; Ni=0,08; Cu=0,20; Мо=0,010; Ti=0,04; Al=0,023; N=0,0056; В=0,0025 производится в 80-тонной дуговой сталеплавильной печи (ДСП-80) с использованием в шихте до 40% жидкого чугуна.
Соотношения: 12/C-Mn/0,055=14,83, C=0,35%, Mn=1,07%;
500×(Ti/24-N/7)+0,2=0,65, Ti=0,04%, N=0,0056%;
C/0,01+B/0,001=37, C=0,35%, B=0,0025%.
В ходе выплавки полупродукта осуществляется обезуглероживание, дефосфорация полупродукта и нагрев до температуры 1620-1650°C.
Во время выпуска полупродукта из ДСП-80 осуществляется раскисление металла чушковым алюминием и предварительное легирование марганцем, хромом, кремнием на нижний предел требуемого содержания с учетом остаточного содержания элементов.
После выпуска осуществляется продувка металла аргоном через донный продувочный блок.
Дальнейшая обработка металла производится на установке внепечной обработки стали (УВОС), где осуществляется наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, продувка металла аргоном через донный продувочный блок, нагрев металла до необходимой температуры, корректировка химического состава металла присадкой кусковых ферросплавов и порошковой проволоки с наполнителями.
Разливка осуществляется в изложницы с защитой струи аргоном.
В результате горячей прокатки получают сортовой прокат диаметром 190 мм, длиной 5500 мм (по прототипу максимальный диаметр равен 170 мм).
Макроструктура по ГОСТ 10243-75 (в скобках количественные характеристики по прототипу): центральная пористость - 1 (3) балл, точечная неоднородность - 1 (3) балл, ликвационный квадрат - 0 (3) балл, подусадочная ликвация - 0 (2) балл. Металл не радиоактивный.
Неметаллические включения, контролируемые по ГОСТ 1778-70 метод Ш6 (в скобках количественные характеристики по прототипу): по сульфидам, оксидам строчным, оксидам точечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформированным - 3 (3,5) балл по среднему баллу по каждому виду включений.
Определение величины зерна проводят по ГОСТ 5639-82. Испытание на величину зерна проводят методом окисления. Величина аустенитного зерна номер 5.
Прокаливаемость определялась методом торцевой закалки по ГОСТ 5657-69. Режим обработки образцов для контроля прокаливаемости: из готового сорта круг 190 мм осуществляется переков на заготовку размером 35 мм, проводится нормализация заготовки при температуре 900°C. Из заготовки изготавливается образец, который подвергается закалке при температуре 850°C.
Прокаливаемость - твердость образца при торцевой закалке соответствует:
- на расстоянии от торца образца 1,5 мм - 55,5 HRC;
- на расстоянии от торца образца 11,0 мм - 55 HRC;
- на расстоянии от торца образца 20,0 мм - 51,5 HRC;
- на расстоянии от торца образца 40,0 мм - 40 HRC.
Из результатов примера следует, что заявленный сортовой прокат из борсодержащей стали, при осуществлении обеспечивает достижение заявленного технического результата, заключающегося в расширении комплекса потребительских свойств путем возможности повышения показателей прокаливаемости проката с одновременным улучшением показателей, характеризующих структуру проката и чистоту проката по неметаллическим включениям, причем по всем видам показателей, при одновременном достижении увеличения глубины прокаливаемости. Одновременно, изготовление заявленного проката из заявленного состава стали позволяет получить прокат больших диаметров, по сравнению с прототипом, с сохранением вышеуказанных характеристик.