ПРОКАТ ПЕРЕДЕЛЬНЫЙ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА МЕТИЗНОЙ ПРОДУКЦИИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОЧНОСТИ

Предложенное решение относится к металлургии и обработке металлов давлением, более конкретно - к изготовлению проката круглого гладкого профиля (катанки) из низкоуглеродистой и низколегированной стали для производства метизной продукции (крепежных изделий и холоднодеформированного арматурного проката) повышенной прочности.
7
Известна катанка из углеродистой стали для последующей переработки в метизную продукцию по патенту РФ №2292247, МПК B21B 1/16, «СПОСОБ ПРОКАТКИ КАТАНКИ» (опубликован в 2007 г.), которая получена путем нагрева стальной заготовки до температуры аустенитизации, последующего многопроходного обжатия в вертикальных и горизонтальных валках с калибрами с регламентированной температурой конца прокатки равной 970÷1050°C и охлаждения водой с температуры конца прокатки до температуры 730÷790°C. Параметры технологии обеспечивают повышение качества и выхода годной катанки, а также требуемую степень проработки микроструктуры углеродистой стали, исключение образования дефектов. Последнее благоприятно сказывается на технологичности производства канатной проволоки.
Однако использование такой катанки для производства крепежной продукции методом холодной объемной штамповки невозможно из-за неблагоприятного сочетания ее прочностных и пластических свойств, а также повышенного содержания в ней углерода.
в
т
2
2
Также известен прокат по патенту РФ №2336316, МПК C21D 8/06, C21C 38/60, C21C 38/54 «СОРТОВОЙ ПРОКАТ КРУГЛЫЙ ИЗ БОРСОДЕЖА-ЩЕЙ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ» (опубликован в 2006 г.), который для обеспечения рациональных условий холодной объемной штамповки сложно-профильных высокопрочных крепежных деталей получают из стали, содержащей мас. %: C - 0,06-0,35; Mn - 0,60-1,40; Si - 0,001-0,37; Cr - 0,001-0,35; V - 0,001-0,05; Nb - 0,005-0,02; Ti - 0,01-0,04; B - 0,0005-0,0050; Al - 0,02-0,06; Ν - 0,005-0,015; As - 0,0001-0,03; Sn - 0,0001-0,02; Pb - 0,0001-0,01; Zn - 0,0001-0,005. Прокат имеет регламентированные параметры по металлическим включениям (сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам), структуре, размеру действительного зерна и обезуглероженному слою. Изготавливается в стержнях диаметр от 10 до 25 мм и характеризуется следующими показателями механических свойств: величина холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву (σ) не более 580 Н/мм, предел текучести (σ) не более 540 Н/мм, относительное удлинение - не менее 18%, относительное сужение - не менее 55%. Из данного проката в процессе холодной штамповки и последующей термической обработки получают высокопрочные крепежные изделия класса прочности 900 МПа и выше, однако, в виду сложного легирования стали стоимость такой продукции высока. Применение такого проката для изготовления метизной продукции массового применения, которой, например, является гайка класса прочности 8 и 9, недопустимо по причине неконкурентоспособности.
7
2
в
5
Прототипом предлагаемой полезной модели, как наиболее близкой по своей технической сущности и достигаемому результату, является прокат по патенту РФ №2330891, МПК C21D 8/06, C21C 38/60, C21C 38/14 «СОРТОВОЙ ПРОКАТ КРУГЛЫЙ ИЗ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОЙ ВЫСОКОПЛАСТИЧНОЙ СТАЛИ ДЛЯ ХОЛОДНОЙ ОБЪЕМНОЙ ШТАМПОВКИ» (опубликован в 2008 г.), который изготавливается диаметром от 12 до 36 мм в виде стержней мерной длины. Техническим результатом изобретения является получение повышенных характеристик технологической пластичности и вязкости проката для обеспечения рациональных условий холодной объемной штамповки сложно-профильных крепежных деталей. Технический результат достигается тем, что сортовой прокат получают из стали, содержащей мас. %: C - 0,04-0,11; Mn -0,25-0,60; Si - 0,01-0,055; Al - 0,03-0,05; S - 0,005-0,015; P - 0,005-0,02; Ν - 0,005-0,015; 0-0,001-0,015; As - 0,0001-0,03; Sn - 0,0001-0,02; Pb - 0,0001-0,01; Zn - 0,0001-0,005, железо и примеси - остальное. Прокат имеет макро-структуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат - не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация - не более 3 баллов; ликвационные полоски - не более 1 балла, неметаллические включения по размером, не превышающим 3 балл, однородную сфероидизированную структуру по длине, состоящую из не менее 60% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 баллов, величину холодной осадки - не менее 1/3 высоты и механические свойства: временное сопротивление разрыву (σ) - не более 460 Н/мм, δ - не менее 28%, ψ - не менее 65%.
Недостатком известного проката являются его низкие прочностные свойства, которые не обеспечивают получения крепежной продукции класса прочности 800 МПа без финишной термической обработки (закалки с отпуском) из-за низкого содержания в стали углерода, марганца и кремния - основных упрочняющих компонентов. Также неблагоприятным является формат поставки проката, который изготавливается диаметром от 12 до 36 мм в виде стержней мерной длины. Данное обстоятельство затрудняет его применение в современных высокотехнологичных производствах крепежных изделий, основанных на применении проката в мотках, что минимизирует потерю металла. Стоимость проката (стали) и энергозатраты на последующую термическую обработку крепежа (гайки класса прочности 8 и 9) приводят к значительному удорожанию готовой продукции и невозможности конкурировать с аналогичной продукцией, поставляемой из стран Юго-Восточной Азии.
Предлагаемая полезная модель решает задачу получения проката передельного (катанки) из рядовых низкоуглеродистых марок стали для производства метизной продукции повышенной прочности, применение которого, позволит исключить термическую обработку готовой продукции и обеспечит снижение ее себестоимости.
2
2
5
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый прокат передельный для производства метизной продукции повышенной прочности из низкоуглеродистой стали гладкого круглого профиля, выполняют в виде стержня диаметром от 6,0 до 25,0 мм, сформированного в моток, который имеет предел текучести не менее 350 Н/мм, временное сопротивление разрыву не менее 480 Н/мм, относительное удлинение (δ) не менее 30%, относительное сужение не менее 60%. При этом прокат изготавливают из стали, содержащей 0,15…0,30% углерода, 0,5…1,2% марганца, 0,015…0,030% азота, 0,025…0,070% алюминия, 0,005…0,040% титана, остальное железо и неизбежные примеси. Еще сталь дополнительно может содержать 0,15…0,60% кремния. При этом процесс получения проката включает выплавку стали, изготовление заготовки, ее горячую прокатку с окончанием в интервале от 950 до 1050°C и последующее воздушное охлаждение или охлаждение водой до среднемассовой температуры 720…860°C, а также последующее формирование мотка массой до 5,0 тонн.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является получение проката передельного (катанки) диаметром 6,0…25,0 мм сформированного в моток массой до 5,0 тонн для производства метизной продукции повышенной прочности. Наличие такого проката обеспечивает снижение себестоимости производства изделий за счет применения рядовых низкоуглеродистых марок стали и сокращения расходов на термическую обработку путем исключения операций закалки и отпуска. Последнее значительно повышает конкурентоспособность продукции без ущерба для обеспечения качества и механических свойств.
2
2
5
Достижение указанного технического результата обеспечивается набором отличительных признаков, а именно тем, что прокат передельный круглого профиля для производства метизной продукции повышенной прочности выполнен в виде стержня диаметром от 6 до 25 мм, сформированного в моток, который имеет предел текучести не менее 350 Н/мм, временное сопротивление разрыву не менее 480 Н/мм, относительное удлинение (δ) не менее 30%, относительное сужение не менее 60% и изготовлен из стали, содержащей 0,15…0,30% углерода, 0,5…1,2% марганца, 0,015…0,030% азота, 0,025…0,070% алюминия, 0,005…0,040% титана, остальное железо и неизбежные примеси. Сталь дополнительно может содержать 0,15…0,60% кремния. Процесс получения проката включает выплавку стали, изготовление заготовки, ее горячую прокатку с окончанием в интервале от 950 до 1050 C и последующее воздушное охлаждение или охлаждение водой до среднемассовой температуры 720…860°C, а также последующее формирование мотка массой до 5,0 тонн.
2
2
2
2
5
5
5
Все отличительные признаки полезной модели являются взаимосвязанными и способствуют достижению поставленной задачи. Так, если прокат имеет предел текучести не менее 350 Н/мм, временное сопротивление разрыву не менее 480 Н/мм, относительное удлинение (δ) не менее 30%, относительное сужение не менее 60%, то уже в самом исходном сырье заложены более высокие механические свойства, которые наследуются готовой продукцией, которая из него будет изготовлена. Получаемая метизная продукция, например, гайка, будет иметь более высокий класс прочности и отпадает необходимость в ее закалке. Применение проката с пределом текучести менее 350 Н/мм и временным сопротивлением разрыву менее 480 Н/мм не обеспечивает необходимых свойств получаемой гайки. Прокат с заявляемыми свойствами, несмотря на повышенную прочность по сравнению с отожженным или горячекатаным прокатом, остается достаточно пластичным (δ≥30%, ψ≥60%) и при холодной пластической деформации, например, штамповке гайки, на готовой продукции не происходит образование трещин. Если характеристики пластичности проката - относительное удлинение (δ) будет меньше 30%, а относительное сужение (ψ) будет менее 60%, то при штамповке гайки образуются трещины, что является браковочным признаком. Изготовление проката из стали с содержанием углерода менее 0,15% и марганца менее 0,5% не обеспечивает прочностных свойств проката на заявляемом уровне из-за недостаточного количества перлитной составляющей в структуре металла. Изготовление проката из стали с содержанием углерода более 0,30% и марганца более 1,2%, приведет к необходимости перед холодной объемной штамповкой подвергать его сфероидизирующему отжигу для перевода повышенного количества перлита из пластинчатой в глобулярную форму и последующему травлению для удаления окалины, что увеличивает себестоимость производства и энергозатраты. Возможность использования кремния для раскисления стали и твердорастворного упрочнения феррита предоставляет дополнительные преимущества. Нижняя граница по кремнию - 0,15% обусловлена технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,60% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.
Азот способствует образованию карбонитридов в стали, которые упрочняют прокат. Нижняя граница содержания азота 0,015% обусловлена необходимостью получения заданного уровня прочностных свойств стали, а верхняя граница 0,030% - образованием открытой пористости в слитке или литой заготовке и резким снижением выхода годного при прокатке. Алюминий используют как раскислитель стали и как модифицирующий элемент, обеспечивающий формирование мелкодисперсной, однородной зернистой структуры за счет образования нанодисперсных нитридов алюминия. При этом образование нитридов алюминия происходит в твердом состоянии в процессе горячей деформации. Так, нижний уровень содержания алюминия - 0,02% определяется требованием обеспечения однородности структуры, а верхний уровень 0,070% - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и ударной вязкости стали. Кроме того, указанный уровень концентрации алюминия, азота и титана гарантирует исключение старения продукции в процессе длительной эксплуатации.
Титан используют в качестве основной составляющей для формирования инокулятора второго рода, за счет которых происходит образование карбонитридов при температурах выше температуры ликвидус, что получает развитие при его содержании ≥0,005%. Выше верхнего уровня содержания титана (0,040%) размер карбонитридов резко возрастает, их инокулирующие возможности снижаются с одновременным падением ударной вязкости стали без существенного увеличения прочности. Поэтому нижний уровень содержания титана - 0,005% определяется требованием обеспечения однородности распределения карбонитридных фаз по структуре стали, а верхний уровень 0,040% - требованием обеспечения заданного уровня ударной вязкости. В стали в качестве неизбежных примесей могут присутствовать один или несколько легирующих элементов из группы хром, медь, молибден, ванадий, никель и др. в незначительных количествах, которые специально в сталь не вводятся, а попадают из лома при выплавке. Эти элементы также способствуют повышению класса прочности и твердости проката за счет упрочнения твердого раствора и увеличения доли карбидов.
Процесс получения проката повышенной прочности включает несколько поэтапных технологических операций, которые также способствуют достижению поставленной задачи. Выплавка стали и получение заготовки может осуществляться по любой из ныне действующих технологий. Горячая прокатка осуществляется в потоке непрерывного стана на готовый размер проката с окончанием в интервале температур от 950 до 1050°C. При окончании прокатки при температуре ниже 950°C усложняется работа оборудования из-за снижения пластичности металла и повышения нагрузок на прокатные клети. Завершение прокатки при температуре выше 1050°C приводит к формированию неблагоприятной крупнозернистой структуры металла и усложнению процесса последующего охлаждения движущегося проката перед сматыванием. Охлаждение проката может осуществляться с помощью воздуха (ВО), или комбинированно - водой и воздухом (УО). В случае ВО прокат сматывают в мотки, которые охлаждаются на воздухе в произвольном режиме. При УО прокат сначала кратковременно охлаждают потоками воды, движущимися в специальных проводковых устройствах до среднемассовой температуры 720…860°C, а затем его сматывают в мотки, которые охлаждаются на воздухе. Среднемассовая температура зависит от продолжительности охлаждения и в приведенном интервале существенно влияет на уменьшение количества окалины. Как в случае ВО, так и при УО механические свойства проката формируются за счет карбонитридного упрочнения (КНУ), которое обусловлено повышенным содержанием азота в стали.
Изготовление проката в виде стержня диаметром от 6,0 до 25,0 мм, сформированного в моток массой до 5,0 тонн дает ряд преимуществ при последующей его переработке в крепежную продукцию. Так на металлургическом переделе производство проката в мотках ведется на высокопроизводительном оборудовании при минимальных потерях металла на обрезь при формировании однородного уровня механических свойств. На метизном переделе применение проката такого сортамента и формата (моток массой до 5,0 тонн) позволяет производить метизную продукцию, например, гайку класса прочности 8 и 9 широкого ассортимента от М4 до М16 включительно при минимальных потерях металла и без закалки готовой продукции.
Сравнительный анализ предлагаемого изобретения с прототипом позволяет выявить различия, которые заключаются в том, что прокат, который заявляется, обладает более высоким уровнем прочностных свойств, его получение достигается путем использования рядовой низкоуглеродистой стали определенного состава, а также конкретным набором операций изготовления, обеспечивающих выгодный формат поставки (в мотках).
Пример изготовления проката.
т
в
5
В условиях металлургического производства осуществляли выплавку низкоуглеродистой стали марки 20сп, которую разливали в два ковша. Во втором ковше путем дополнительной обработки получали металл с повышенным содержанием азота (КНУ). Далее сталь (табл. 1) разливали в слитки, которые прокатывали на заготовки. На проволочном стане из этих заготовок путем горячей прокатки с окончанием при температуре около 1000°C производили круглый прокат (катанку) диаметром 8,0 и 12,0 мм, который подвергали охлаждению на воздухе (ВО) и последующему сбору колец в моток. От мотков проката отбирались образцы, которые испытывались на статическое растяжение по ГОСТ 1497 с определением характеристик σ, σ, δ и ψ. Результаты испытаний представлены в табл. 2.
Таблица 1.
Химический состав базовой и опытной стали 20 с КНУ
Марка стали
Содержание элементов, % мас.
C
Mn
Si
S
P
Al
Ti
N
20сп
0,19
0,71
0,30
0,010
0,024
0,018
0,006
0,006
20сп с КНУ
0,19
0,63
0,28
0,014
0,015
0,029
0,006
0,018
Таблица 2.
Механические свойства проката базовой и опытной стали 20 с КНУ
Марка стали
σ<sub>т</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
ψ, %
Класс прочности
20сп
265
403
36,1
66,4
240
20сп с КНУ
363
493
32,6
63,8
360
Пример изготовления метизной крепежа повышенной прочности.
В условиях метизного производства прокат диаметром 8,0 мм перерабатывали на болты размером М8×70 мм, а прокат диаметром 12,0 мм перерабатывали на гайку размером М8. Перед переработкой с поверхности проката удаляли окалину и проводили технологическую операцию нанесения смазочного слоя на поверхность (фосфатирования). При волочении проката на волочильном стане АЗТМ 1/750 на заготовку диаметром, необходимым для изготовления болтов и гайки использовали однократную калибровку на диаметр 7,44 и 10,40 мм соответственно. Последующее изготовления болтов по ГОСТ 180 898 осуществляли на холодновысадочном автомате марки АВ1921, а изготовление шестигранной гайки по ГОСТ 5927 проводили на холодновысадочном автоматическом прессе марки А412. Испытания болтов и гаек пробной нагрузкой проводили в соответствии с действующими стандартами путем осевого растяжения с помощью испытательной машины FP-100/1. Отдельно определяли нагрузку, при которой происходит разрыв болта и срыв резьбы гайки (испытания до разрушения). Результаты испытания болтов и гаек приведены в табл. 3.
Таблица 3.
Механические свойства болтов и гайки, класс прочности
Марка стали
Свойства болтов
Свойства гайки
Класс прочности
Н/мм<sup>2</sup>
Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
Нагрузка срыва резьбы, КН
Напряжение срыва резьбы, Н/мм<sup>2</sup>
20сп
580
665
15,3
-
-
6.8
20сп с КНУ
765
820
13,0
-
-
8.8
20сп
-
-
26400
720
6
20сп с КНУ
-
-
34950
955
9
Пример изготовления арматуры повышенной прочности. Прокат (катанку) из стали марки 20сп с КНУ диаметром 8,0 мм путем холодной деформации перерабатывали в арматуру для армирования железобетонных конструкций периодического профиля диаметром 7,5 и 6,0 мм.
Изготовление арматуры осуществляли на автоматизированной линии (Патент на ПМ РФ №90719 «Линия для изготовления холоднодеформированного арматурного проката периодического профиля в мотках») путем перемотки катанки из мотка в моток с одновременным деформированием на 16-46% и нанесением периодического трехстороннего профиля по DIN 488 при помощи роликовой кассеты. Испытания образцов арматуры проводили согласно ГОСТ 12004 путем растяжения на машины FP-100/1.
Механические свойства проката (катанки) в горячекатаном состоянии и арматуры представлены в табл. 4.
Таблица 4.
Механические свойства катанки и арматуры
Вид проката, диам., мм
Степень деформации
Механические свойства
Класс прочности
σ<sub>0,2</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
σ<sub>в</sub>, Н/мм<sup>2</sup>
δ<sub>5</sub>, %
δ<sub>р</sub>, %
Катанка, 8,0
0
365
537
1,56
36,5
18,3
А300С
Арматура, 7,5
0,16
512
611
1,20
20,7
6,0
В500С
Арматура, 6,0
0,46
632
728
1,19
14,2
2,7
В600С
Переработка передельного проката (катанки) диаметром 8,0 мм из стали с КНУ в арматуру диаметром 7,5 и 6,0 мм показала возможность получения повышенных механических свойств готовой продукции. Так, при малых степенях деформации в арматуре диаметром 7,5 мм обеспечивается уровень свойств класса В500С по ГОСТ Р 52544. При увеличении степени деформации получаемая арматура диаметром 6,0 мм по показателям механических свойств соответствует классу прочности А600С по ГОСТ 10884.
Приведенные результаты свидетельствуют о том, что предлагаемое техническое решение обеспечивает получение проката (катанки) из рядовых низкоуглеродистых сталей для дальнейшего производства метизной продукции повышенной прочности - крепежа, например, болтов прочности класса 8.8 и гаек класса прочности 8 и 9, или строительной арматуры класса В500С и В600С. При этом получаемый прокат по своим характеристикам прочности превышает свойства аналогичной продукции, поставляемой для метизной отрасли по ГОСТ 30136 (Катанка из углеродистой стали обыкновенного качества. Технические условия) и ГОСТ 10702 (Прокат из качественной конструкционной углеродистой и легированной стали для холодного выдавливания и высадки. Технические условия).
Метизная продукция, производимая из заявляемого проката передельного характеризуется более высокими потребительскими свойствами и может широко применяться в машиностроении, автомобилестроении и строительстве. Она имеет более низкую себестоимость за счет применения дешевых марок стали и сокращения расходов на сырье и производство (исключаются операции отжига сырья и нагрева болтов и гайки под закалку). Это обстоятельство повышает ее конкурентоспособность на внутреннем и внешних рынках.