КРУГЛЫЙ СОРТОВОЙ ПРОКАТ, ГОРЯЧЕКАТАНЫЙ
HOT-ROLLED ROUND STOCK

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству круглого сортового проката.
Известен 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 баллов, 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, C22C 38/44, 20.09.2006).
Наиболее близкий к заявляемому - круглый сортовой прокат, горячекатаный, с заданными параметрами структуры 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% получили сортовой прокат диаметром 22,5 мм, длиной 5900 мм, кривизна 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, C22C 38/12, C21C 5/04, 10.01.2006).
Недостаток выявленных в процессе патентного поиска известных технических решений заключается в том, что они позволяют изготовить круглый сортовой прокат, горячекатаный, с заданными параметрами структуры и величиной твердости, только небольших диаметров, а именно: до 30 мм. Кроме того, ограничение нижнего предела твердости проката (229 НВ) не позволяет получить более мягкую сталь, что снижает ее характеристики резания.
Заявленное изобретение решает задачу создания круглого сортового проката, горячекатаного, осуществление которого обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности производства круглого сортового термически обработанного горячекатаного проката больших диаметров (свыше 200 мм), причем из высоколегированной стали, с характеристиками макроструктуры, соответствующими высоколегированной стали, а также в снижении твердости проката за счет возможности снятии ограничения по нижнему пределу твердости.
Сущность заявленного изобретения заключается в том, что в заявленном круглом сортовом прокате, горячекатаном, с заданными параметрами структуры и твердости новым является то, что он изготовлен из легированной стали, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, молибден, ванадий, никель, железо и неизбежные примеси, при следующих соотношениях компонентов, мас.%: углерод 0,42-0,50; марганец 0,50-0,80; кремний 0,17-0,37; хром 1,20-1,50; молибден 0,50-0,80; ванадий 0,30-0,50; никель 3,70-4,20; алюминий 0,020-0,050; железо и неизбежные примеси - остальное, при этом в качестве примесей сталь содержит массовую долю элементов, %: фосфор не более 0,025, сера не более 0,025, медь не более 0,30, прокат имеет твердость - не более 241 НВ, макроструктура проката (максимальные значения): центральная пористость 2 балла, точечная неоднородность 2 балла, ликвационный квадрат 2 балла, подусадочная ликвация 1 балл, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, подкорковые пузыри и межкристаллитные трещины не допускаются.
Заявленный технический результат достигается следующим образом.
Качественное изменение свойств заявленной легированной стали, обеспечивающих достижение заявленного технического результата, заключающегося в возможности производства круглого сортового термически обработанного горячекатаного проката больших диаметров (свыше 200 мм), причем из высоколегированной стали, с характеристиками макроструктуры, соответствующими высоколегированной стали, а также в снижении твердости проката за счет возможности снятии ограничения по нижнему пределу твердости, достигается за счет дополнительного введения в состав стали легирующего элемента ванадия и предложенного количественного содержании легирующих элементов никеля, хрома, молибдена и ванадия, а также за счет корректировки общего качественного и количественного состава стали. Приведенные сочетания легирующих элементов: никеля, хрома, молибдена и ванадия, а также качественный и количественный состав всех компонентов стали, из которой изготавливают заявленный прокат, позволяют получить благоприятную макроструктуру проката с характеристиками, соответствующими высоколегированной стали, при твердости проката не более 241 НВ, что повышает мягкость стали и улучшает характеристики резания. Кроме того, обеспечивается возможность производства круглого сортового термически обработанного горячекатаного проката больших диаметров (свыше 200 мм) с соответствующим характеристиками макроструктуры и твердости. В итоге повышается комплекс потребительских свойств проката.
Качественный и количественный состав стали в заявленном круглом сортовом прокате обусловлен следующим.
Железо является основным компонентом стали.
Углерод упрочняет сталь. Углерод вводят в композицию заявленной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и твердости.
При этом углерод участвует в протекании двух процессов. Первый процесс - это образование графитовых включений в структуре стали, второй - образование частиц карбидной фазы в металлической матрице. При содержании углерода менее 0,42% образуется недостаточное количество как свободного углерода, так и карбидов, что приводит к повышенному износу изделий в процессе эксплуатации и снижению прочностных свойств материала. При содержании углерода более 0,50% происходит выделение избыточного количества частиц карбидной фазы неблагоприятной формы, что приводит к снижению пластических свойств стали.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Кремний способствует выделению углерода в свободном виде в соответствии со стабильной системой железо-углерод, что значительно повышает показатели износостойкости сплава. Количественное содержание кремния в составе стали соответствует количественному содержанию углерода. Для количественного содержания углерода в заявленной стали кремний в количестве менее 0,17% не оказывает значительного влияния на процесс графитизации, вследствие чего углерод находится в связанном состоянии, что приводит к ухудшению твердости стали, к значительному износу изделий при эксплуатации в условиях интенсивного трения. При содержании кремния более 0,37% в структуре стали наблюдается повышенное количество крупных включений графита неблагоприятной формы, что также отрицательно сказывается на характеристиках твердости, ухудшает прочностные и пластические свойства материала.
Марганец, молибден и хром используют, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. В заявленном составе стали марганец и молибден взяты в равных количественных пределах: (0,5-0,8%) марганец, (0,5-0,8%) молибден, что обеспечивает требуемое сочетание прочностных и вязких свойств в совокупности с усилением влияния молибдена на устойчивость переохлажденного аустенита. Марганец, растворяясь в металлической основе, повышает твердость, стабилизирует перлит. При содержании марганца менее 0,5% в структуре стали наблюдается присутствие включений феррита, что приводит к снижению твердости и износостойкости сплава. При содержании марганца более 0,8% происходит снижение пластических свойств стали вследствие локального пересыщения ферритной составляющей перлита марганцем.
23
6
Молибден эффективен в отношении повышения прочности, и в состав стали с этой целью вводится по мере необходимости. В заявленном изобретении молибден оказывает существенное влияние на формирование однородной структуры стали. Молибден в присутствии хрома образует карбид (Мо, Fe)С. Наличие молибдена в заявленных пределах (0,50-0,80%) повышает прокаливаемость стали, что позволяет получать равномерную и мелкозернистую структуру, увеличивает сопротивление стали ползучести, тормозит процесс роста и коагуляции карбидов. При содержании молибдена в стали менее 0,50% снижается количество образующихся соединений, структура стали отличается неоднородностью, что приводит к снижению прочностных и пластических свойств материала. При содержании более 0,80% образуется избыточное количество соединений молибдена, что ведет к снижению пластических свойств стали.
3
Хром представляет собой эффективный легирующий элемент, повышающий коррозионную стойкость к газообразному диоксиду углерода, наиболее дешевый элемент, повышает твердость и прочность при незначительном уменьшении пластичности. Хром при заявленном содержании в стали в количестве 1,2-1,5% полностью растворяется в цементите, образуя сложные карбиды типа (Fe, Cr)С, способствует получению высокой и равномерной твердости, износостойкой поверхности. При содержании хрома менее 1,2% снижается твердость и износостойкость стали. При содержании более 1,5% карбиды укрупняются, увеличивается их количество, что приводит к снижению пластических свойств стали.
В совокупности: верхний уровень содержания марганца - 0,80%, молибдена - 0,80% и хрома - 1,50% - определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали при сохранении выполнения требований к твердости, а нижний уровень содержания марганца - 0,50%, молибдена - 0,50% и хрома - 1,20% соответственно, определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня прочности данной стали.
Ванадий в количестве 0,30-0,50% вводят в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. Ванадий измельчает зерно микроструктуры и одновременно повышает твердость и прочность стали. Ванадий характеризуется отсутствием р-электронов и наличием незаполненных d-орбиталей ядра атома, следствием чего является понижение термодинамической активности углерода при вводе ванадия в расплав. Это приводит к процессу образования высокодисперсных соединений ванадия (карбидов, нитридов, карбонитридов), имеющих округлую форму, которые, равномерно распределяясь по границам зерен, измельчают и упрочняют их, тем самым повышая прочностные и пластические свойства стали, не вызывая при этом появления напряжений.
При содержании ванадия менее 0,30% снижается количество образующихся соединений, процесс измельчения зерна не происходит в полном объеме, в результате чего происходит снижение комплекса механических свойств. При содержании ванадия более 0,50% образуется избыточное количество соединений ванадия, что ведет к снижению пластических свойств стали. В результате верхняя граница содержания ванадия - 0,50% - обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,30% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.
-
Кроме того, ванадий 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 γ-αпревращения.
Никель в заданных пределах (3,7%-4,2%) влияет на характеристики прочности стали, твердости, уменьшает склонность к хрупкому разрушению, увеличивает дисперсность карбидов, повышает сопротивление стали окислению при нагреве и ее прочность при высоких температурах. Кроме того, никель также нейтрализует вредные влияния со стороны, которые заключаются в возможности меди, входящей в состав заявленной стали в виде примесей, образования трещин на поверхности во время горячей прокатки.
Присутствие никеля в составе стали в количестве 3,70% положительно сказывается на уровне вязкости стали и прочностных характеристиках. Ограничение по верхнему уровню содержания никеля в стали - 4,20% обусловлено получением мартенситной структуры при закалке стали (так как никель является аустенитизатором). При содержании никеля более 4,20% дальнейшего благоприятного воздействия на улучшение прочности стали не происходит.
Алюминий является раскисляющим и модифицирующим элементом. Кроме того, он связывает азот в нитриды. При содержании алюминия менее 0,020% его воздействие проявляется слабо. Увеличение содержания алюминия выше 0,050% приводит к разнозернистости микроструктуры стали.
Медь (не более 0,30%) входит в состав стали в качестве примеси и 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
Сера входит в состав стали в качестве примеси. Сера глобулизирует сульфидные включения и участвует в формировании уровня прочности и пластичности стали. Верхний предел (0,025%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел не определен, так как обусловлен вопросами технологичности производства.
Фосфор входит в заявленный состав стали в виде примеси и определяет уровень пластичности стали и ее склонность к обратимой отпускной хрупкости. Содержание фосфора в заявленном составе стали не более 0,025% оказывает положительное влияние на получение заданного уровня прочности, пластичности и отпускной хрупкости стали. Нижний предел не определен, так как обусловлен вопросами технологичности производства.
В результате проведения опытных плавок и последующей горячей прокатки получали сортовой прокат диаметром свыше 200 мм с характеристиками макроструктуры, соответствующими высоколегированной стали, а именно (максимальные значения): центральная пористость 2 балла, точечная неоднородность 2 балла, ликвационный квадрат 2 балла, подусадочная ликвация 1 балл, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра, подкорковые пузыри и межкристаллитные трещины отсутствовали, при твердости проката - не более 241 НВ.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленного изобретения с получением заявленного технического результата, приведены в примере.
Пример осуществления изобретения.
Опытную выплавку исследуемой стали с хим. составом, мас.%: C=0,42; Mn=0,58; Si=0,24; Cr=1,37; Ni=3,93; Mo=0,51; V=0,31; Cu=0,19; Р=0,013; S=0,010; произвели в 10-тонной дуговой сталеплавильной печи (ДСП-10).
Получение стали требуемого состава осуществлялось на печи ДСП-10 в несколько этапов:
- завалка шихты;
- плавление шихты;
- окислительный период;
- рафинировочный период;
- выпуск в ковш;
- разливка в изложницы.
Основными материалами для выплавки стали являются чугун передельный по ГОСТ 805-95 и стальной лом. Никель присаживают в завалку. Молибден вводится в конце окислительного периода. Раскисление осуществляется кремнием. Хром, марганец, кремний, ванадий присаживают в рафинировочный период, также в рафинировочный период производится корректировка молибдена. Удаление фосфора производится в окислительный период (скачивание шлака), сера удаляется в рафинировочный период наводкой «белого» шлака. Требуемого содержания углерода добиваются окислением углерода шихты и добавлением углеродсодержащих материалов. Окончательное раскисление металла алюминием производится в ковше. Температура металла перед выпуском 1585°C-1605°C. Разливка производится в изложницы сифонным способом. После полной кристаллизации слиток извлекается из изложницы, подогревается до температуры прокатки (1130±40°С) в нагревательных колодцах и прокатывается на крупносортном стане линейного типа.
В результате горячей прокатки получили сортовой прокат диаметром 200 мм, длиной 5000 мм. Для предупреждения образования флокенов после горячей пластической деформации прокат охлаждался медленно в термосах замедленного охлаждения. Это дает возможность водороду удалиться из стали.
Для получения требуемой твердости металл отжигался в печах камерного типа: нагрев до температуры 660°С, выдержка при этой температуре 12 часов, охлаждение с печью по 30°С/ч до 500°С, дальнейшее охлаждение на воздухе.
Твердость полученного проката диаметром 200 мм из заявленной стали составляет 197 НВ (диаметр отпечатка 4,3 мм), в то время как по прототипу для диаметра проката 22,9 мм нижняя граница твердости заготовки составляет 229 НВ (диаметр отпечатка 4,0 мм) примерно при той же длине (5900 мм).
При этом макроструктура полученного проката из заявленной стали удовлетворительная и соответствует высоколегированной стали: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0 балл, подусадочная ликвация - 0 балл, общая пятнистая ликвация, краевая пятнистая ликвация, подкорковые пузыри, межкристаллитные трещины - не обнаружены. Металл нерадиоактивный. В изломе флокенов не обнаружено.
Как следует из результатов плавки, полученный сортовой прокат имеет характеристики макроструктуры, соответствующие высоколегированной стали, а после термообработки имеет твердость не более 241 НВ, обеспечивающую повышенные характеристики резания. Кроме того, производство проката из заявленной стали позволяет получить круглый сортовой термически обработанный горячекатаный прокат больших диаметров, а именно: свыше 200 мм, с вышеуказанными характеристиками. В результате повышается комплекс потребительских свойств проката.