НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ БОРСОДЕРЖАЩАЯ СТАЛЬ ПОВЫШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ
LOW-ALLOY BORON STEEL OF HIGH TREATABILITY

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству сталей повышенной прокаливаемости и обрабатываемости, используемых для производства ответственных деталей автомобилей.
Известна сталь, содержащая, мас.%:
Углерод 0,18-0,23
Кремний 0,17-0,37
Марганец 0,80-1,10
Хром 0,80-1,10
Никель 0,80-1,10
Молибден 0,20-0,30
Титан 0,03-0,09
Сера 0,015-0,035
Фосфор ≤0,025
Медь ≤0,20
Железо - остальное,
предназначенная для изготовления тяжелонагруженных шестерен автомобилей («Прокат сортовой из стали марки 20ХГНМТА, предназначенный для изготовления тяжелонагруженных шестерен автомобилей», ТУ 14-1-5509-2005).
Недостатком данной стали является низкий уровень сопротивления ударным нагрузкам.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является сталь 16MnCrB5 повышенной обрабатываемости, содержащая, мас.%:
Углерод 0,14-0,19
Кремний ≤0,40
Марганец 1,00-1,30
Фосфор ≤0,035
Сера ≤0,035
Хром 0,80-1,10
Бор 0,0008-0,005
Железо - остальное
(Науглероживаемые стали. Европейский стандарт EN 10084:1998).
В следствие того что не учтено влияние никеля, молибдена, азота, не достигается требуемый уровень прочностных характеристик и прокаливаемости. В стали марки 16MnCrB5 не регламентировано содержание алюминия, что может привести к короблению готовых изделий при химико-термической обработке, что в промышленных условиях является критичным.
Техническим результатом изобретения является повышение характеристик прокаливаемости стали, улучшение обрабатываемости, снижение коробления при термической обработке, увеличение сопротивления ударным нагрузкам, что позволит обеспечить гарантированный уровень потребительских свойств изделий.
Для достижения поставленного результата предложена сталь, содержащая, мас.%:
Углерод 0,14-0,23
Марганец 0,9-1,40
Кремний 0,15-0,40
Сера 0,020-0,035
Хром 0,90-1,40
Никель 0,15-0,35
Молибден 0,05-0,12
Алюминий 0,02-0,05
Азот 0,005-0,015
Кальций 0,0004-0,0050
Бор 0,001-0,003
Кислород ≤0,0025
Олово ≤0,025
Титан ≤0,005
Железо и неизбежные примеси - остальное,
причем суммарное содержание марганца, хрома, никеля и молибдена находится в пределах 2,50-3,05%. В качестве примесей сталь регламентировано содержит фосфор ≤0,025% и медь ≤0,15%.
Выбранное соотношение компонентов определяется следующими факторами.
Углерод - основной элемент в стали, определяющий ее прочностные и эксплуатационные характеристики. Нижний предел 0,14% определен необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности данной стали после термической обработки, верхний предел 0,23% обусловлен необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали.
Марганец вводят в композицию с целью обеспечения прокаливаемости, прочностных характеристик, необходимой глубины цементованного слоя и ударной вязкости. При этом верхний уровень содержания марганца 1,40% определяется необходимостью обеспечения необходимого уровня пластичности, глубины цементованного слоя и ударной вязкости, а нижний - (соответственно 0,90%), необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности готовых изделий и прокаливаемости стали. Марганец в пределах 0,90-1,40% обеспечивает необходимую раскисленность борсодержащей стали, а также усиливает воздействие бора на устойчивость переохлажденного аустенита.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,15% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,40% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.
Сера и кальций определяют уровень обрабатываемости стали. Нижний предел по кальцию и сере (0,020% и 0,0004% соответственно) обусловлен необходимостью получения оптимальной обрабатываемости стали, а верхний предел (0,035% и 0,0050% соответственно) - вопросами технологичности производства и для исключения повышенной загрязненности металла неметаллическими включениями.
Хром, никель и молибден 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 1,40% Сr, 0,12% Мо, 0,35% Ni) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали и ударной вязкости, а нижний (соответственно 0,90% Сr, 0,05% Мо. 0,15% Ni) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности готовых изделий и прокаливаемости стали. Для уменьшения карбидов в цементованном слое в предложенную сталь добавляют никель в количестве 0,15-0,35%.
Хром в пределах 0,90-1,40% в сочетании с бором в пределах 0,001-0,003% обеспечивает глубокую прокаливаемость и высокую пластичность стали при термообработке.
Хром в пределах 0,90-1,40% в сочетании с марганцем в пределах 0,90-1,40% обеспечивает существенное повышение предела текучести и предела прочности.
Композиция хрома с молибденом (хром 0,90-1,40%; молибден 0,05-0,12%) резко снижает уровень отпускной хрупкости.
Бор вводят в сталь для увеличения ее прокаливаемости, обеспечения оптимальных свойств по всему сечению деталей и существенного увеличения пластических и вязких характеристик стали в высокопрочном состоянии. Регламентированный верхний предел содержания бора (0,003%) определен из соображений получения минимального коробления изделий - при содержании бора более 0,003% выделяется избыточная бористая фаза, охрупчивающая сталь. Нижний предел (0,001%) оптимален для обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.
Алюминий используется в качестве раскислителя и обеспечивает защиту от роста зерна при термической обработке. Нижний уровень содержания (0,02%) определяется требованием обеспечения мелкозернистой стали, а верхний уровень (0,05%) вопросами технологичности производства.
Азот - элемент, участвующий в образовании карбонитридов, при этом нижний уровень его содержания 0,005% определяется требованием обеспечения заданного уровня прочности, а верхний уровень - 0,015% - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и прокаливаемости. Алюминий в сочетании с азотом в регламентируемых пределах за счет образования высокодисперсных нитридов позволяют получить природно-мелкозернистую сталь.
Титан является сильным карбонитридообразующим элементом. Регламентированный верхний предел по содержанию титана 0,005% позволяет увеличить срок эксплуатации изделий за счет получения оптимального сопротивления ударным нагрузкам.
Максимально регламентированное содержание кислорода (≤0,0025) в представленной композиции обеспечивает получение чистой стали по загрязненности неметаллическими включениями - K4(O)<15, что позволяет дополнительно увеличить эксплуатационный ресурс шестерен.
Содержание олова ≤0,025% позволяет обеспечить в предлагаемой стали пониженную чувствительность к образованию усталостных трещин. Более высокое содержание олова приводит к образованию термических трещин при прокатке.
Нормирование суммы марганца, хрома, никеля и молибдена в диапазоне 2,50-3,05% позволяет увеличить уровень прокаливаемости стали и обеспечить наиболее оптимальные эксплуатационные характеристики изделия.
Предлагаемое соотношение элементов в стали найдено экспериментальным путем и является оптимальным, поскольку позволяет получить комплексный технический эффект. При нарушении соотношения элементов ухудшаются свойства стали, наблюдается их нестабильность и эффект не достигается.
Для получения предложенной стали по остаточным элементам и примесям применен высокотехнологичный метод использования при выплавке стали металлизованных окатышей, получаемых прямым восстановлением железа из руды, тем самым обеспечивается максимальное снижение влияния остаточных элементов и примесей на эксплуатационные свойства стали.
Дан пример осуществления предлагаемого изобретения.
Выплавку стали, содержащей углерод 0,17%, кремний 0,25%, марганец 1,25%, хром 1,20%, никель 0,25%, молибден 0,07%, сера 0,028%, алюминий 0,032%, азот 0,011%, кальций 0,0015%, бор 0,002, кислород 0,0015, олово 0,015, титан 0,003 производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте металлизованных окатышей, что обеспечивает получение низкого содержания цветных примесей. Предварительное легирование металла марганцем, кремнием, хромом, молибденом и никелем производят в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производят продувку аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляют алюминием. Далее сталь вакуумируют на вакууматоре циркуляционного типа. Металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором металл нагревают до необходимой температуры, продувают аргоном через донный продувочный блок, делают дозированные присадки необходимых ферросплавов и обработку стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производится наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием в количестве 30 килограмм на каждые 100 миллиметров шлака. Перед передачей плавки на разливку, после доводки по всем элементам, содержание алюминия в металле корректируют по расчету на 0,020%, после чего производят обработку плавки силикокальцием и окончательное легирование алюминием и серой. Разливку производят на четырехручьевых МНЛЗ радиального типа в слиток размером 300×360 со скоростью вытягивания 0,5-0,6 м/мин. Защиту металла от вторичного окисления осуществляют путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб и погружных стаканов. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждают в печах регулируемого охлаждения.
Таким образом, предлагаемый состав стали обеспечивает стабильность свойств при термической обработке и позволяет получить изделия с заданным уровнем эксплуатационных характеристик.