СОРТОВОЙ ПРОКАТ КАЛИБРОВАННЫЙ, КРУГЛЫЙ, В ПРУТКАХ
ROUND GAGED PROFILED TOLLED BARS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката в прутках, калиброванного, круглого, из среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, диаметром 32, 45, 54, 55 мм, используемого для изготовления штоков амортизаторов.
Известен круглый сортовой прокат, горячекатаный, с заданными параметрами структуры, твердости и механических свойств, изготовленный из легированной стали, состав которой описан в способе производства прутка из среднеуглеродистой стали, при следующем соотношении 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 0,03-0,05, 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 этом соотношение содержания кислорода и кальция, а также кальция и серы определяются по следующим зависимостям: кислород/кальций 1÷4,5 и кальций/сера ≥0,065.
В результате горячей прокатки и последующей горячей калибровки со степенью деформации 25% получают сортовой прокат диаметром до 25 мм с кривизной прутков не более 0,7 мм/м. Структура пластинчатого перлита, обезуглероженный 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% (РФ, патент №2285053, C21D 8/06, С22С 38/12, С21С 5/04, 10.01.2006).
Наиболее близким к предлагаемому является круглый сортовой прокат, горячекатаный, с заданными параметрами структуры и механических свойств, изготовленный из легированной стали, при следующем соотношении 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 0,03-0,05, кальций 0,001-0,010, кислород 0,001-0,015, хром не более 0,25, никель не более до 0,025, 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 этом соотношение содержания кислорода и кальция, а также кальция и серы определяются по следующим зависимостям: кислород/кальций=1÷4,5 и кальций/сера ≥0,065.
Диаметр проката составляет от 10 до 30 мм. Неметаллические включения сульфидов имеют двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой, кривизна прутков - не более 1,0 мм/м.
Прокат имеет пластинчатую феррито-перлитовую структуру, размер действительного зерна - 5-8 балл, имеет обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, твердость заготовки 229-255, временное сопротивление разрыву не менее 640 МПа, относительное удлинение не менее 6%, относительное сужение не менее 30% (РФ, патент №2283875, C21D 8/06, С22С 38/44, 20.09.2006).
Недостаток выявленных в процессе патентного поиска известных технических решений заключается в том, что они позволяют изготавливать круглый сортовой прокат с благоприятными соотношениями механических свойств, твердости, структуры и чистоты по неметаллическим включениям, обеспечивающими оптимальные условия для получения повышенных характеристик обрабатываемости резанием, только с диаметрами от 10 до 30 мм.
Заявленное изобретение решает задачу создания сортового проката калиброванного, круглого в прутках, осуществление которого обеспечивает возможность получения технического результата, заключающегося в возможности получения проката диаметром от 32 до 55 мм с благоприятными соотношениями механических свойств, твердости, структуры и чистоты по неметаллическим включениям, обеспечивающими оптимальные условия для получения повышенных характеристик обрабатываемости резанием.
Сущность изобретения заключается в том, что в заявленном сортовом прокате калиброванном, круглом, в прутках, с заданными параметрами твердости и структуры, из легированной стали, содержащей углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, хром, железо и неизбежные примеси, новым является то, что сталь содержит входящие в нее компоненты в следующих соотношениях, мас.%: углерод 0,48-0,53; марганец 0,50-0,75; кремний 0,36-0,60; сера 0,005-0,020; фосфор 0,001-0,030; хром 2,70-3,20; железо и неизбежные примеси - остальное, при этом в качестве неизбежных примесей сталь содержит массовую долю элементов, в %: молибдена не более 0,15, ванадия не более 0,05, никеля не более 0,25, меди не более 0,25, при этом прокат, диаметром от 32 до 55 мм, имеет размер аустенитного зерна не более 5 номера, содержание неметаллических включений по среднему баллу не более 3,5, кривизну не более 1,0 мм/м, твердость не более 241 НВ, обезуглероженный слой не более 1,0% от диаметра проката, однородную макроструктуру.
Качественный и количественный химический состав стали в заявленном круглом сортовом калиброванном прокате обусловлен следующим.
Углерод - это элемент, который выполняет основную роль при формировании твердости и пластичности стали. Повышение пластичности стали в литом состоянии способствует снижению образования трещин и рванин и гарантирует прокатку стали без дефектов. Углерод участвует в протекании процесса образования графитовых включений в структуре стали и в процессе образования частиц карбидной фазы в металлической матрице. При содержании углерода менее 0,48% образуется недостаточное количество как свободного углерода, так и карбидов, что приводит к снижению прочностных свойств стали. При содержании углерода более 0,53% происходит выделение избыточного количества частиц карбидной фазы неблагоприятной формы, что приводит к снижению пластических свойств стали, а следовательно, ухудшает характеристики резания при обработке проката. При этом в обоих случаях это сказывается отрицательно на однородности проката, что в дальнейшем снижает характеристики резания. Содержание углерода в пределах 0,48-0,53% является оптимальным, при котором углерод, участвуя в формировании структуры и механических свойств заявленной стали, обеспечивает их требуемые количественные характеристики.
Марганец используют, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент, повышающий устойчивость переохлажденного аустенита стали. Марганец, растворяясь в металлической основе, стабилизирует перлит, способствуя тем самым формированию однородной макроструктуры стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0,75%, определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,50%, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности стали. Кроме того, при содержании марганца менее 0,50% в структуре стали наблюдается присутствие включений феррита. При содержании марганца более 0,75% наблюдается локальное пересыщение ферритной составляющей перлита марганцем. Содержание марганца в пределах 0,50-0,75% является оптимальным, улучшающим характеристики резания заявленного проката.
Количественное содержание углерода (0,48-0,53%) в заявленной стали при заявленном количественном содержании марганца (0,50-0,75%) позволяет повысить пластичность литого металла, уменьшить красноломкость и уменьшить анизотропию деформированного металла (пластичность металла в поперечном направлении значительно ниже пластичности металла в продольном направлении). При содержании углерода более 0,53% снижается обрабатываемость проката, а именно: ухудшаются условия резания металла, скорость резанием уменьшается. То же самое происходит и при увеличении марганца более 0,75%.
При содержании углерода ниже 0,48% снижаются механические свойства, в том числе и временное сопротивление. Содержание марганца ниже 0,50% приводит к возрастанию красноломкости.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,36% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,60% неблагоприятно сказывается на характеристиках пластичности стали, а следовательно, на характеристиках резания.
Кремний способствует выделению углерода в свободном виде в соответствие со стабильной системой железо-углерод, что значительно повышает показатели износостойкости сплава. Для заявленного количественного содержания углерода в заявленной стали кремний в количестве менее 0,36% 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 0,60% увеличивается активность углерода стали и, соответственно, тенденция к осаждению первичных карбидов. Кроме того, кремний является элементом, стабилизирующим феррит, что является неблагоприятным свойством кремния. При содержании кремния более 0,60%, возможен захват феррита сталью в свою матрицу. Кроме того, превышение содержания кремния 0,60% приводит к появлению в структуре стали повышенного количества крупных включений графита неблагоприятной формы. В заявленном составе стали количественное содержание кремния (0,36-0,60%) находится в соответствии с количественным содержанием углерода, что обеспечивает достижение заявленного технического результата.
3
Хром, как и марганец, используют, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элемент, повышающий устойчивость переохлажденного аустенита стали. Кроме того, хром представляет собой эффективный легирующий элемент, повышающий коррозионную стойкость к газообразному диоксиду углерода, повышает твердость и прочность при незначительном уменьшении пластичности. При заявленном содержании углерода хром в заявленном количестве 2,70-3,20% полностью растворяется в цементите, образуя сложные карбиды типа (Fe, Cr)C, что способствует получению высокой и равномерной твердости, износостойкой поверхности. При содержании хрома менее 2,7% снижается твердость и износостойкость стали. При содержании более 3,2% карбиды укрупняются, увеличивается их количество, что приводит к снижению пластических свойств стали, а следовательно, ухудшаются условия резания.
Содержание хрома в совокупности с марганцем: верхний уровень содержания марганца - 0,75% и хрома - 3,20% - определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали при сохранении выполнения требований к твердости, а нижний уровень содержания марганца - 0,50% и хрома - 2,70% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня прочности данной стали.
Сера глобулизирует сульфидные включения и участвует в формировании уровня пластичности стали, способствует складыванию образующейся при механической обработке стружки. Нижний предел (0,005%) обусловлен вопросами технологичности производства. Верхний предел (0,020%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали. Кроме того, ограничение по верхнему уровню содержания серы (0,020%) обусловлено тем, что при высокой концентрации серы плохо завариваются во время обработки давлением усадочные пустоты слитка, которые обычно являются местом скопления неметаллических включений, особенно сульфидов. Заявленное количественное содержание серы в составе стали (0,005-0,020%) является оптимальным для достижения заявленного технического результата.
Фосфор - элемент, способствующий улучшению характеристик резания стали, так как участвует в формировании уровня пластичности и однородности 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. Нижний уровень содержания фосфора (0,001%) обусловлен необходимостью обеспечения требуемого уровня прочности и обрабатываемости резанием стали.
Медь, ванадий, молибден и никель входят в состав стали в качестве примесей.
Медь (не более 0,25%) в заданных пределах обеспечивает повышение механических свойств и износостойкости в условиях высоких температур и теплосмен. Нижний предел не определен, так как обусловлен вопросами технологичности производства.
Ванадий вводится в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. При этом он управляет процессами в нижней части аустенитной области (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер - превращения). Верхняя граница содержания ванадия 0,05% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали.
Молибден (не более 0,15%) повышает твердость, прочность, обрабатываемость резанием, жаропрочность, способствует образованию мелкозернистой структуры.
Никель (не более 0,25%) в заявленном количестве нейтрализует вредные влияния со стороны меди, которые заключаются в возможности образования трещин на поверхности во время горячей прокатки. Также способствует поглощению газов металлом в процессе плавки, в особенности водорода, который вызывает образование в слитках газовых пузырей, а в случае крупнозернистой первичной структуры - трещин по границам зерен.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленный состав стали, из которой изготавливают заявленный сортовой прокат калиброванный, круглый в прутках, при осуществлении обеспечивает получение технического результата, заключающегося в возможности получения проката, калиброванного, круглого, в прутках, диаметрами 32 до 55 мм, с благоприятными соотношениями механических свойств, твердости, структуры и чистоты по неметаллическим включениям, обеспечивающими оптимальные условия для получения повышенных характеристик обрабатываемости резанием.
Заявленный прокат, диаметром от 32 до 55 мм, имеет размер аустенитного зерна не более 5 номера, содержание неметаллических включений по среднему баллу не более 3,5, кривизну не более 1,0 мм/м, твердость не более 241 НВ, обезуглероженный слой не более 1,0% от диаметра проката, однородную макроструктуру.
Глубина обезуглероженного слоя не более 1,0% от диаметра проката не вызывает образования трещин и преждевременного разрушения изделий.
Благодаря тому, что зерно аустенита размером не более 5 номера (в прототипе 5-8), повышается прочность, пластичность и порог хладноломкости, снижается склонность стали к хрупкому разрушению.
Требования, предъявляемые к твердости проката не более 241 НВ (в прототипе 229-255 НВ), позволяют получить более мягкий металл, что обеспечивает получение повышенных характеристик обрабатываемости резанием.
Содержание неметаллических включений по среднему баллу не более 3,5 и однородная макроструктура проката повышают прочность и пластичность заявленного проката.
В результате обеспечивается возможность получения проката диаметром от 32 до 55 мм с благоприятными соотношениями механических свойств, твердости, структуры и чистоты по неметаллическим включениям, обеспечивающими оптимальные условия для получения повышенных характеристик обрабатываемости резанием.
В результате произведенных плавок получали сортовой прокат калиброванный, круглый, в прутках, требуемых диаметров, с характеристиками: размер аустенитного зерна проката не более 5 балла, содержание неметаллических включений по среднему баллу не более 3,5. Прокат с диаметрами от 32 до 55 мм имел кривизну не более 1,0 мм/м, твердость не более 241 НВ, обезуглероженный слой не более 1,0% от диаметра проката, однородную макроструктуру.
Полученные результаты подтверждены примерами.
Выплавку исследуемой стали производили в 80-тонной дуговой сталеплавильной печи (ДСП-80) с использованием в шихте до 40% жидкого чугуна.
В ходе выплавки полупродукта осуществляется обезуглероживание, дефосфорация полупродукта и нагрев до температуры 1620-1650°C.
Во время выпуска полупродукта из ДСП-80 осуществляются 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 производилась на установке внепечной обработки стали (УВОС), где осуществляются наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, продувка металла аргоном через донный продувочный блок, десульфурация, нагрев металла до необходимой температуры, корректировка химического состава металла присадкой кусковых ферросплавов и порошковой проволоки с наполнителями.
Пример 1, плавка 7936. В результате выплавки получена сталь с химическим составом в мас.%: C=0,49; Mn=0.60; Si=0,45; Cr=3,07; S=0,008, P=0,016.
В результате горячей прокатки и последующей калибровки получаем сортовой прокат диаметром 45 мм, длиной 5600 мм, с твердостью 207НВ. Обезуглероженного слоя нет. Размер аустенитного зерна - 7 балл.
Для получения требуемой твердости металл отжигался в печи камерного типа: нагрев до температуры 670°C, выдержка при этой температуре 15 часов, охлаждение с печью до 600°C, дальнейшее охлаждение на воздухе.
Макроструктура при проверке на протравленных темплетах: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0 балл, подусадочная ликвация - 0 балл, подкорковые пузыри - 0 балл, межкристаллитные трещины - 0 балл.
2
2
2
Механические свойства в состоянии поставки: предел текучести - 630 Н/мм, временное сопротивление - 780 Н/мм, относительное удлинение - 21,5%, относительное сужение - 67%, ударная вязкость KCU - 99 Дж/см. Неметаллические включения контролируются по ГОСТ 1778-70.
Вид включения
Средний балл
Максимальный балл
С (сульфиды)
1,58
2,0
СН (силикаты недеформируемые)
0
0
ОТ (оксиды точечные)
2,0
2,0
ОС (оксиды строчные)
2,0
2,0
СП (силикаты пластичные)
2,0
2,0
СХ (силикаты хрупкие)
2,0
2,0
Пример 2, плавка 2861. В результате выплавки получена сталь с химическим составом в мас.%: C=0,51; Mn=0.56; Si=0,43; Cr=2,86; S=0,015, P=0,020.
В результате горячей прокатки и последующей калибровки получаем сортовой прокат диаметром 54 мм, длиной 5400 мм, с твердостью 229НВ. Обезуглероженного слоя нет. Размер аустенитного зерна - 7 балл.
Макроструктура при проверке на протравленных темплетах: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0 балл, подусадочная ликвация - 0 балл, подкорковые пузыри - 0 балл, межкристаллитные трещины - 0 балл.
2
2
2
Механические свойства в состоянии поставки: предел текучести 530 Н/мм, временное сопротивление 750 Н/мм, относительное удлинение 23,0%, относительное сужение 67,0%, ударная вязкость KCU 113 Дж/см.
Неметаллические включения, контролируются по ГОСТ 1778-70.
Вид включения
Средний балл
Максимальный балл
С (сульфиды)
2,0
2,0
СН (силикаты недеформируемые)
1,75
2,0
ОТ (оксиды точечные)
2,25
2,5
ОС (оксиды строчные)
2,25
2,5
СП (силикаты пластичные)
2,25
2,5
СХ (силикаты хрупкие)
2,25
2,5
Анализ данных, полученных по результатам плавок в приведенных примерах осуществления изобретения, подтверждает, что прокат, диаметрами от 32 до 55 мм, изготовленный из стали с заявленным качественным и количественным составом, имеет однородную макроструктуру и низкое содержание неметаллических включений, гарантирующих обеспечение повышенных характеристик резанием и, одновременно, благоприятное для этого соотношение механических свойств и твердости, что подтверждается результатами соответствующих измерений. Таким образом, обеспечивается получение технического результата, заключающегося в получении проката диаметром от 32 до 55 мм с благоприятными соотношениями механических свойств, твердости, структуры и чистоты по неметаллическим включениям, обеспечивающими оптимальные условия для получения повышенных характеристик обрабатываемости резанием.