СТАЛЬ ПОВЫШЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ И ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ
STEEL OF INCREASED HARDENABILITY AND TREATABILITY

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству сталей повышенной прокаливаемости и обрабатываемости, используемых для производства ответственных деталей автомобилей.
Известна сталь 20ХГНМ для изготовления изделий, упрочняемых цементацией, содержащая, мас.%:
Углерод 0,18-0,23
Кремний 0,17-0,37
Марганец 0,7-1,1
Хром 0,4-0,7
Никель 0,4-0,7
Молибден 0,15-0,25
Железо - остальное
(ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной стали»).
Недостатком данной стали является низкий уровень прокаливаемости - сталь
не обеспечивает достижение требуемой твердости деталей.
Наиболее близким аналогом является сталь для цементации (патент РФ №2247172, п.1), содержащая, мас.%:
Углерод 0,12-0,26
Марганец 0,7-1,5
Кремний ≤0,4
Сера 0,01-0,05
Хром 0,4-1,2
Никель 0,4-0,7
Молибден ≤0,3
Железо и неизбежные примеси - остальное, причем суммарное содержание марганца и хрома не менее 1,6 мас.%.
Недостатками прототипа являются:
- широкие концентрационные границы содержания элементов (углерода, марганца, хрома) не обеспечивают стабильность свойств стали;
- отсутствие регламентаций по содержанию азота, нижнему содержанию молибдена не позволяют получить стабильный уровень прокаливаемости;
- не учтены факторы влияния алюминия, бора и азота на прокаливаемость и коробление изделий при химико-термической обработке изделий, что в промышленных условиях часто является критичным.
Техническим результатом изобретения является повышение характеристик прокаливаемости стали, улучшение обрабатываемости и снижение коробления при термической обработке, что позволит обеспечить гарантированный уровень потребительских свойств изделий.
Для достижения поставленного результата предложена сталь, содержащая, мас.%:
Углерод 0,15-0,25
Марганец 0,80-1,10
Кремний 0,15-0,40
Сера 0,020-0,065
Хром 0,45-0,80
Никель 0,45-0,75
Молибден 0,15-0,30
Алюминий 0,02-0,06
Азот 0,004-0,015
Кальций 0,0005-0,0050
Бор ≤0,0008
Железо и примеси - остальное, причем суммарное содержание марганца, хрома, молибдена не менее 1,7 ((Mn+Cr+Мо)≥1,7), а отношение алюминия к азоту не менее 1,8 (Al/N≥1,8). В качестве примесей сталь регламентированно содержит фосфор ≤0,025 мас.% и медь ≤0,20 мас.%.
Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали после химико-термической обработки однородную мелкозернистую структуру с благоприятным сочетанием характеристик прокаливаемости.
Углерод вводят в композицию данной стали с целью обеспечения уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода - 0,25% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - 0,15% - обеспечением требуемого уровня прочности.
Марганец, хром, молибден и никель 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 Mn - 1,10%; Cr - 0,80%; Мо - 0,30%; Ni - 0,75% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний соответственно Mn - 0,80%; Cr - 0,45%; Мо - 0,15%; Ni - 045% необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности готовых изделий и прокаливаемости стали.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,15% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,40% неблагоприятно сказывается на характеристиках пластичности стали.
Кальций и сера определяют уровень обрабатываемости стали. Нижний предел по кальцию - 0,0005% и сере - 0,020% обусловлен необходимостью получения оптимальной обрабатываемости стали, а верхний предел - 0,0050% и 0,065% соответственно - вопросами технологичности производства и для исключения повышенной загрязненности металла неметаллическими включениями.
Алюминий используют в качестве раскислителя, что обеспечивает защиту от роста зерна при термической обработке. Нижний уровень содержания алюминия - 0,02% определяется требованием обеспечения мелкозернистой стали, а верхний уровень - 0,06% - вопросами технологичности производства.
Азот - элемент, участвующий в образовании карбонитридов, при этом нижний уровень его содержания - 0,004% определяется требованием обеспечения заданного уровня прочности, а верхний уровень - 0,015% - требованием обеспечения заданного уровня пластичности и прокаливаемости.
Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали, но приводит к повышенному короблению деталей. Регламентированный верхний предел содержания бора - 0,0008% определен из соображений получения минимального коробления изделий при обеспечении требуемого уровня прокаливаемости.
Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа AlN в результате протекания реакций:
[Al]+[N]=AlN
требуется выполнение следующего соотношения: Al/N не менее 1,8. В противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко увеличивается вероятность коробления деталей.
Соотношение (Мn+Сr+Мо)>1,7 позволяет определять характеристики прочности и вязкости исследуемой стали.
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 0,22%, кремний 0,25%, марганец 0,93%, хром 0,60%, никель 0,55, молибден 0,21%, сера 0,028%, алюминий 0,032%, кальций 0,0015%, азот 0,008%, производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте металлизованных окатышей. 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.