ПРОКАТ КРУГЛОГО ПОПЕРЕЧНОГО СЕЧЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО КРЕПЕЖА
ROLL STOCK WITH ROUND CROSS SECTION FOR PRODUCING OF HIGH-STRENGTH FASTENERS

Изобретение относится к металлургии стали и может быть использовано при производстве сортового проката круглого сечения, для холодной осадки, содержащей хром и марганец, преимущественно для изготовления высокопрочного крепежа.
Стали с повышенным содержанием хрома, как правило, обладают повышенной прочностью, достаточной пластичностью, что позволяет использовать их в условиях динамических нагрузок и повышенного трения (например, крепеж, коленчатые валы, зубчатые колеса). Особенности сталей описаны, например, в справочнике В.Н. Журавлева и О.Н. Николаевой «Машиностроительные стали», изд. 3-е. М., «Машиностроение», 1981, с. 101-106.
Известна легированная сталь, содержащая хром, титан и ванадий, которая дополнительно содержит алюминий, что повышает износостойкость при ударно-абразивном изнашивании (см. а.с. СССР №969779, кл. C2C 38/38, опубл. в БИ №40, 1982 г.).
Недостатком этой стали является низкая пластичность. Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является сталь 30X, описанная в ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной стали». Она содержит углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, медь, и железо и характеризуется содержанием указанных компонентов в соотношении, мас.%:
Углерод
0,24…0,32
Марганец
0,50…0,80
Кремний
0,17…0,37
Фосфор
не более 0,035
Сера
не более 0,035
Хром
0,80…1,10
Никель
не более 0,30
Медь
не более 0,30
Железо
остальное
Известная сталь не гарантирует получение требуемой способности к высадке, выраженной через отсутствие гарантированного обеспечения бездефектной холодной осадки на 66% после термообработки в связи с наследственной крупнозернистостью данной стали.
Ожидаемый технический результат - получение хороших пластических характеристик проката при сохранении высоких прочностных свойств, позволяющих выдерживать прокату холодную осадку в соответствии с требованиями ГОСТа 10702 для группы осадки 66.
Для решения этой задачи прокат круглого поперечного сечения для изготовления высокопрочного крепежа получают из стали, содержащей углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, медь и железо, отличающейся тем, что она дополнительно содержит алюминий, титан, бор и кальций при следующем соотношении, мас.%:
Углерод
0,30…0,35
Марганец
0,50…0,70
Кремний
0,20…0,37
Фосфор
до менее 0,020
Сера
до менее 0,010
Хром
0,40…0,70
Никель
не более 0,15
Медь
не более 0,20
Алюминий
0,015…0,035
Титан
0,03…0,05
Бор
0,002…0,005
Кальций
0,0001…0,005
Железо
остальное
Все вышеуказанные пределы содержания компонентов в предлагаемой стали получены в результате обработки опытных данных.
Сущность заявляемого технического решения заключается в оптимизации содержания отдельных компонентов в хромсодержащей стали. В результате этого повышаются пластические свойства стали при сохранении прочностных, что особенно важно при ее последующей переработке у потребителя.
Бор при кристаллизации захватывает водород и ограничивает насыщение им стали, стабилизирует подкорковую зону непрерывнолитой заготовки, подавляет ликвацию серы и других примесей - то есть значительно снижает подусадочную ликвацию. Кроме того, нитрид бора BN исключает протекание процессов старения во времени за счет полного связывания азота. Более низкая прочность и повышенная пластичность проката с бором, который по сравнению с аналогичным прокатом из стали без бора, обусловлены влиянием бора, способствующего более равномерному распределению базовых и примесных элементов между составляющими структуры. Кроме того, в результате связывания атомов азота в боронитриды и карбоборонитридные соединения мартенсит в структуре проката с бором имеет меньшую концентрацию азота и как менее твердый и прочный приобретает большую склонность к деформационному формоизменению.
Содержание кремния 0,20-0,37% позволяет получить хорошо раскисленный металл и снизить содержание хрупких силикатов, а также при последующей холодной деформации избежать резкого снижения пластических свойств (в связи с тем, что более высокое содержание кремния препятствует движению дислокаций).
Введение титана обеспечивает снижение загрязненности стали неметаллическими включениями, особенно оксидами, повышается пластичность и обеспечивается заданная степень прокаливаемости полосового проката.
Ограничение верхней границы содержания алюминия позволяет максимально снизить содержание неметаллических включений, повысить качество непрерывнолитой заготовки.
За счет низкой активности кислорода кальций реагирует с серой и выделяется в виде сульфидов кальция. Также кальций реагирует с алюминием и продуктами первичного раскисления с образованием жидких алюминатов кальция, что улучшает условия разливаемости металла. Таким образом, кальций позволяет уменьшить включения глинозема и сульфидов марганца. Введение в металл кальция позволяет изменить морфологию образующих неметаллических включений, переводя ее из "опасных" в более благоприятную, глобулярную и очистить границы зерен от карбонитридов.
Введение в металл кальция помимо снижения загрязненности металла неметаллическими включениями позволяет существенно увеличить количество центров кристаллизации, что в последующей переработке приводит к хорошей штампуемости металла.
Опытную проверку заявляемого технического решения осуществили при производстве стали 30XP в электросталеплавильном цехе ОАО «Магнитогорского металлургического комбината» с последующей ее прокаткой на стане 170. Результаты опытов оценивали по результатам механических испытаний круглого проката.
Наилучшие результаты (выход годного проката в пределах 99,0-99,7 после испытаний на холодную осадку в соответствии с требованиями ГОСТа 10702 для группы осадки 66Т) получены при использовании предлагаемой стали.
Отклонения от требуемого химического состава и получение оптимальной микроструктуры приводили к получению брака по механическим свойствам.
Так, при содержании в стали (мас.%) Al<0,015 (но при рекомендуемом содержании остальных элементов), C<0,30, Mn<0,50, Si<0,20, Cr<0,40, Ca<0,0001 (при том же условии) не удалось получить требуемый выход годного после испытаний на холодную осадку в соответствии с требованиями ГОСТа 10702 для группы осадки 66Т у 10-25% круглого проката. При содержании в стали (мас.%) Al>0,035 (но при рекомендуемом содержании остальных элементов), C>0,35, Mn>0,70, Si>0,37, Cr>0,70 и Ca>0,005, а также повышенном содержании S, Р, Ni и Cu (соответственно, больше 0,010, 0,020, 0,15 и 0,20) недостаточные пластические свойства не позволили получить круг с заданным качеством поверхности круглого проката из-за загрязненности проката неметаллическими включениями и крупного аустенитного зерна, полученного после термообработки.
При получении же круглого проката из стали, химический состав которой имел хотя бы один компонент с отличной (от заявляемой) величиной, отсортировка готового проката по недопустимым отклонениям от заданной нормы испытаний на холодную осадку в соответствии с требованиями ГОСТа 10702 для группы осадки 66Т составляла не менее 1,8-4,2%, причем в ряде случаев пластичность была неудовлетворительной.
Сравнительные испытания стали 30X, выбранной в качестве ближайшего аналога, привели к отсортировке по вышеназванной причине от 20,0-35,0% готового проката. Таким образом, опытная проверка подтвердила приемлемость найденного технического решения для выполнения поставленной цели и его преимущество перед известным объектом.
Реализация предлагаемого изобретения при производстве хромсодержащей стали позволит повысить прибыль от реализации проката с улучшенными потребительскими свойствами.
Пример конкретного выполнения
Круглый прокат хромсодержащей стали диаметром 13 мм
содержит (мас.%):
C=0,31; Si=0,24; Mn=0,61; S=0,004; P=0,012; Cr=0,58; Ni=0.06; Cu=0.05; Al=0.019; Ti=0.041; Ca=0.0025, B=0,0029, остальное - железо.