Способ производства горячекатаного проката из инструментальной стали
METHOD FOR PRODUCTION OF HOT-ROLLED STEEL PRODUCTS FROM TOOL STEEL

Способ производства горячекатаного проката из инструментальной стали
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству инструментального высокопрочного листового проката для высокоточного машиностроительного оборудования.
Известна инструментальная сталь с заданным химическим составом, в качестве окончательной термообработки которой применяют нормализацию с температуры 870 ºС с отпуском при температуре 600 – 610 ºС [авторское свидетельство СССР № 601322,                                  МПК С22С38/22, 1978].
Недостатком данного способа является повышенное содержание марганца и молибдена, селена, а также отсутствие возможности получения в структуре зернистого перлита при проведении классической нормализации с отпуском на сталях с указанным химическим составом, что в свою очередь ухудшает обрабатываемость стали резанием и проведение механической обработки.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности является способ, включающий выплавку стали, содержащей, мас. %: 0,20-0,38 C, 0,20-1,10 Si, 0,50-1,00 Mn, 0,50-1,45 Cr, 0,70-1,30 Ni, 0,20-0,80 Mo, 0,02-0,16 V, 0,02-0,08 Al, 0,001-0,010 N, не более 0,25 Cu, 0,001-0,030 Nb, 0,001-0,020 Ti, не более 0,008 S, не более 0,013 P, остальное Fe, получение непрерывнолитого сляба, его горячее деформирование, закалку водой при температуре 930-980°C, отпуск при температуре 575±25°C [Патент RU № 2631063,                        МПК C21D8/02, C22C38/54, C21D9/42, 2017].
Недостатком данного изобретения является отсутствие возможности получения оптимальной микроструктуры, необходимой для проведения последующей закалки с отпуском.
Технический результат предлагаемого способа производства горячекатаного проката из инструментальной стали заключается в снижении склонности стали к растрескиванию при закалке, повышении прочности и вязкости стали после финальной термической обработки, а также обеспечении равномерной твердости по сечению металлопроката.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства горячекатаного проката из инструментальной стали, включающем выплавку стали, ее разливку, горячую прокатку и термообработку, согласно изобретению, осуществляют выплавку стали следующего химического состава, мас. %:
Углерод
0,4 – 0,8
Кремний
0,4 – 1,2
Марганец
0,1 – 0,7
Сера
не более 0,03
Фосфор
не более 0,03
Хром
0,7 – 1,5
Никель
0,001 – 0,5
Медь
0,001 – 0,04
Азот
не более 0,012
Ванадий
0,001 – 0,2
Титан
0,001 – 0,15
Молибден
0,001 – 0,3
Вольфрам
не более 0,2
При этом, горячую прокатку начинают при температуре 1110 – 1200 ºС, заканчивают при температуре 830 – 930 ºС.
После этого осуществляют посад листов в разогретую до температуры 790 – 840 ºС печь, проводят выдержку в течение 20 – 50 мин., затем снижают температуру до 740 –                800 ºС и проводят выдержку еще в течение 20 – 50 мин., а затем осуществляют охлаждение листов на воздухе.
Горячую прокатку осуществляют с суммарным обжатием не менее 88 %.
После посада листов в печь их общую выдержку определяют в зависимости от толщины листов:
для толщин 15 – 25 мм общая выдержка составляет 40 – 55 мин;
для толщин 26 – 35 мм общая выдержка составляет 45 – 75 мин;
для толщин 36 – 50 мм общая выдержка составляет 65 – 100 мин.
Сталь имеет перлитную или ферритно-перлитную структуру с содержанием зернистого перлита не менее 70 %, при этом содержание оксидных, сульфидных и силикатных неметаллических включений в стали не превышает 3 баллов каждого.
Сущность предложенного способа заключается в следующем.
Данный химический состав и получаемая после заявляемой (предварительной) термической обработки структура зернистого перлита позволяет обеспечить, в дальнейшем, равномерную структуру и высокие механические свойства металлопроката после финальной термической обработки (у потребителя).
При содержании углерода менее 0,4% не достигается требуемая прочность после финальной термической обработки. При содержании углерода более 0,8% повышается хрупкость металла при механической резке и после проведения термической обработки возможно образование трещин.
Кремний является раскислителем, а также способствует повышению прочности и упругости стали после финальной термической обработки. Содержание кремния более 1,2% в сочетании с высоким содержанием углерода приводит к высокой хрупкости стали.
Марганец выступает в качестве раскислителя, элемента, связывающего серу. Также марганец повышает прочность стали после финальной термической обработки. Содержание марганца более 0,7 % при высоком содержании углерода и кремния может привести к снижению пластичности стали. В целом марганец отрицательно влияет на формирование зернистого перлита, но совместное легирование стали марганцем и хромом в количестве около 1,0 % каждого облегчает сфероидизацию.
Сера и фосфор являются вредными примесями, ухудшающими качество стали, поэтому содержание данных химических элементов следует ограничивать значением менее 0,03 % каждого.
Хром обеспечивает не только высокие механические свойства после финальной термической обработки, но и расширяет допустимый температурный интервал предварительной термической обработки.
Вольфрам, молибден, ванадий, титан, медь способствуют независимому росту цементита в окружении феррита, то есть абнормальному эвтектоидному распаду, а марганец, хром, никель препятствуют ему.
Металл, прошедший предварительную термическую обработку, может подвергаться в дальнейшем холодной или теплой пластической обработке (например, штамповке). В таком случае требуется высокая однородность микроструктуры проката, дефекты макроструктуры должны отсутствовать, количество и размер неметаллических включений должен быть минимальным, не должно быть сетки по границам зерен, требуется минимизировать количество вредных примесей.
При исходной структуре зернистого перлита меньше склонность к росту аустенитного зерна, шире допустимый интервал закалочных температур, меньше склонность к растрескиванию при закалке, выше прочность и вязкость стали после финальной термической обработки (мелкие глобули равномерно распределены в мартенсите).
1
Для получения структуры зернистого перлита характерен узкий температурный интервал. Нижняя его граница должна находиться немного выше точки А, чтобы образовалось большое число центров выделения карбида при последующем охлаждении. Верхняя граница не должна быть слишком высокой, так как из-за растворения в аустените центров карбидного выделения при охлаждении образуется пластинчатый перлит. Чем больше углерода в стали, тем уже температурный интервал термической обработки.
Скорость сфероидизации зависит от исходной микроструктуры и является максимальной для мелкодисперсной структуры, поэтому после прокатки важно отсутствие в структуре грубопластинчатого перлита и бейнита. Прокатка должна проводиться без подстуживания и ускоренного охлаждения.
с1
При одноступенчатой термической обработке не происходит полной сфероидизации цементита, поэтому предлагаемый способ подразумевает проведение двухступенчатой  термообработки с попеременным нагревом и охлаждением около А (первая ступень при температурах 790 – 840 °С, вторая ступень при температурах 740 – 800 °С). В таком случае пластинка цементита при каждом нагреве частично растворяется в аустените. Растворение идет преимущественно с вершин и ребер пластин. При каждом охлаждении из аустенита выделяется цементит на нерастворившихся остатках цементитных пластин, выделение проиходит преимущественно вдали от вершин ребер.
Конечная структура зависит от скорости охлаждения при термической обработке. Чем меньше скорость охлаждения, тем больше размер глобулей при распаде аустенита и выше твердость зернистого перлита.
Микроструктура стали после правильного отжига представляет собой мелкозернистый перлит, а после последующей термической обработки у потребителя – безигольчатый мартенсит с некоторым количеством нерастворившихся зерен избыточного карбида.
Горячую прокатку осуществляют с суммарным обжатием не менее 88 % с целью проработки структуры по сечению и обеспечения требуемого размера зерна.
Содержание оксидных, сульфидных и силикатных неметаллических включений в стали не должно превышать 3 баллов каждого, так как, в дальнейшем, прокат подвергается холодной листовой или объемной штамповке и в таком случае требуется высокая однородность микроструктуры проката и минимальное количество неметаллических включений.
С увеличением толщины проката, для получения одинаковой температуры листов по сечению, время выдержки увеличивается.
Пример реализации.
В таблице 1 приведены химические составы стали с различным содержанием элементов. В таблице 2 приведены контролируемые характеристики стали.
Согласно представленным данным в таблицах 1 и 2 при соблюдении указанных режимов термической обработки, металлопрокат из заявляемой инструментальной стали обладает требуемыми характеристиками: микроструктурой, твердостью, размерами неметаллических включений перед финальной термической обработкой, а следовательно, хорошо поддается механической обработке, обработке резанием и может быть использован для изготовления деталей, подвергающихся последующей термической обработке.
Таблица 1
Химические составы стали
Плавка
C
Si
Mn
P
S
Cr
Ni
Cu
N
Mo
V
Ti
W
1
0,63
0,81
0,275
0,016
0,0035
1,12
0,068
0,118
0,0081
0,007
0,0043
0,0032
0,0035
2
0,66
0,67
0,285
0,015
0,0054
1,09
0,079
0,114
0,008
0,016
0,005
0,0023
0,003
3
0,63
0,71
0,21
0,011
0,0017
1,1
0,121
0,107
0,0077
0,028
0,0042
0,0021
0
Таблица 2
Контролируемые характеристики стали
Плавка
Толщина проката, мм
Твердость по Бринеллю
Обезуглероженный слой (по чистому ферриту)
Микроструктура
Неметаллические включения
№
мм
НВ
мм
% соотношение
Балл
1
15
207-217
0,06-0,08
80% зернистого перлита, 20% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 1,5-3,0Силикаты хрупкие 1,5-3,0Нитриды и карбонитриды строчечные до 0,5Сульфиды 1,0-2,0Оксиды точечные 1,5Оксиды строчечные 0,5-3,0Силикаты пластинчатые 0,5-1,0
17
207-217
0,05-0,08
80% зернистого перлита, 20% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 1,5-3,0Силикаты хрупкие 1,5-3,0Нитриды и карбонитриды строчечные до 0,5Сульфиды 1-2Оксиды точечные 0,5Оксиды строчечные 0,5Силикаты пластинчатые 0,5-1,0
22
207-217
0,05-0,10
85% зернистого перлита, 15% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 1,5-2,0Силикаты хрупкие 0,5-2,0Нитриды и карбонитриды строчечные до 0,5Сульфиды 1-2Оксиды точечные 0,5Оксиды строчечные нетСиликаты пластинчатые 1
2
17
225-226
0,08-0,12
80% зернистого перлита, 20% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 1,0-1,5Силикаты хрупкие 1,0-3,0Нитриды и карбонитриды строчечные нетСульфиды 2,0-2,5Оксиды точечные 0,5Оксиды строчечные нетСиликаты пластинчатые 1
18
217-223
0,12-0,15
80% зернистого перлита, 20% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 1,0-1,5Силикаты хрупкие 1-3Нитриды и карбонитриды строчечные нетСульфиды 2,5Оксиды точечные 0,5Оксиды строчечные нетСиликаты пластинчатые 1-2
20
219-228
0,12-0,18
85% зернистого перлита, 15% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 1-2Силикаты хрупкие 0,5-1,5Нитриды и карбонитриды строчечные нетСульфиды 1,5-2,5Оксиды точечные 0,5Оксиды строчечные нетСиликаты пластинчатые 0,5-1,0
3
20
223-229
0,12-0,14
70% зернистого перлита, 30% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 2,5Силикаты хрупкие 1,0-1,5Нитриды и карбонитриды строчечные нетСульфиды 2,5Оксиды точечные 0,5-1Оксиды строчечные 1,0-1,5Силикаты пластинчатые 1-2
30
230-233
0,09-0,15
70% зернистого перлита, 30% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 1,5-2,0Силикаты хрупкие 1Нитриды и карбонитриды строчечные нетСульфиды 1,0-1,5Оксиды точечные 0,5Оксиды строчечные нетСиликаты пластинчатые 0,5-1,0
40
210-217
0,16-0,24
70% зернистого перлита, 30% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 1,0-2,0Силикаты хрупкие 0,5Нитриды и карбонитриды строчечные нетСульфиды 1,0-1,5Оксиды точечные 0,5Оксиды строчечные нетСиликаты пластинчатые 1-2
50
210-217
0,15-0,20
70% зернистого перлита, 30% пластинчатого перлита
Силикаты недеформирующиеся 1,0-2,0Силикаты хрупкие 0,5Нитриды и карбонитриды строчечные нетСульфиды 1,0-1,5Оксиды точечные 0,5Оксиды строчечные нет