СОРТОВОЙ ПРОКАТ ИЗ БОРСОДЕРЖАЩЕЙ СТАЛИ ПОВЫШЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ
SECTION IRON MADE OF BORON STEEL OF INCREASED HARDENABILITY

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству сортового проката, круглого, используемого для изготовления зубчатых колес, валов, других ответственных деталей, работающих в условиях ударных нагрузок.
Известен сортовой прокат из борсодержащей стали горячекатаный, закаленный и отпущенный, имеющий заданные параметры макро- и микроструктуры и механических свойств (DE 3434744 А1, 03.04.1986 г., C21D 8/06).
Известен сортовой прокат из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости, содержащей углерод, марганец, кремний, хром, бор, ниобий, алюминий, титан, азот, железо и неизбежные примеси, прокат имеет заданные парметры макро- и микроструктуры и механических свойств (RU 2238335 C1, C21D 8/06, 20.10.2004).
Известен сортовой прокат, круглый из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости, содержащей углерод, марганец, кремний, серу, хром, ванадий, молибден, никель, ниобий, титан, бор, алюминий, азот, железо и неизбежные примеси, горячекатаный и термообработанный, прокат имеет заданные параметры загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам, однородную сфероидизованную структуру из перлита, размер действительного зерна 5-10 баллов и заданные механические свойства (RU 2249626 C1, C21D 8/06, 10.04.2005).
Задача изобретения состоит в получении сортового проката диаметром до 80 мм, обладающего повышенными характеристиками обрабатываемости резанием, при одновременном повышении характеристик прокаливаемости и обеспечении сквозной прокаливаемости
Поставленная задача решена тем, что сортовой прокат, круглый, в прутках, из борсодержащей стали, горячекатаный, имеющий заданные параметры неметаллических включений, структуры, размера действительного зерна, механических свойств, прокаливаемости, согласно изобретению получают из стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас.%:
углерод
0,16-0,23
марганец
0,60-0,90
кремний
0,17-0,37
хром
0,70-1,10
сера
0,005-0,035
никель
0,80-1,00
алюминий
0,02-0,05
титан
0,01-0,06
азот
0,005-0,010
бор
0,001-0,005
кальций
0,001-0,010
мышьяк
0,0001-0,03
олово
0,0001-0,02
свинец
0,0001-0,01
цинк
0,0001-0,005
железо и
неизбежные примеси
остальное,
при выполнении следующих соотношений сумма:
As+Sn+Pb+5×Zn≤0,07;
2
3
3
Прокат имеет неметаллические включения по сульфидам точечным, оксидам точечным, оксидам строчечным, силикатам хрупким, силикатам пластичным, силикатам недеформируемым со средним баллом не более 3,5 по каждому виду включений, пластинчатую ферритоперлитную структуру, размер действительного зерна 5 до 9 балл, макроструктуру - центральная пористость, точечная неоднородность, ликвационный квадрат не более 3 баллов по каждому виду, подусадочная ликвация - не более 3 баллов; ликвационные полоски - не более 1 балла, механические свойства после закалки и низкого отпуска: временное сопротивление разрыву не менее 1200 МПа, предел текучести не менее 1110 МПа, относительное удлинение не менее 12%, относительное сужение не менее 62%, ударная вязкость KCU(+20) не менее 1470 кДж/м. Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h - не более 0,30 мм.
В качестве примесей сталь дополнительно содержит в мас%: медь не более 0,30, молибден не более 0,03, фосфор не более 0,035.
2
3
3
При содержании в стали углерода 0,16-0,20% и серы 0,005-0,020% прокат имеет механические свойства после закалки и низкого отпуска: временное сопротивление разрыву не менее 1200 МПа, предел текучести не менее 1110 МПа, относительное удлинение не менее 14%, относительное сужение не менее 64%, ударная вязкость KCU(+20) не менее 1800 кДж/м, обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h - не более 0,30 мм.
2
3
3
При содержании в стали углерода 0,18-0,23% и серы 0,020-0,035% прокат имеет механические свойства после закалки и низкого отпуска: временное сопротивление разрыву не менее 1250 МПа, предел текучести не менее 1180 МПа, относительное удлинение не менее 12%, относительное сужение не менее 62%, ударная вязкость KCU(+20) не менее 1470 кДж/м, обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h - не более 0,20 мм.
Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в прокате благоприятную пластинчатую структуру с глобулярными сэндвич-включениями, что обеспечивает, с одной стороны, повышенные характеристики резания даже широкими резцами при поперечной подаче режущего инструмента, с другой стороны, благоприятное сочетанием характеристик прочности, пластичности, вязкости и прокаливаемости.
Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0,23%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,16% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.
Марганец и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0,90% и хрома - 1,10% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0,60% и 0,70% соответственно необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.
Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0,035%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.
Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. Верхний предел содержания бора - 0,005% определяется соображениями пластичности стали, а нижний - 0,001%, необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.
Никель в заданных пределах (0,80-1,00%) влияет на характеристики прокаливаемости и вязкости стали.
Алюминий и титан используются в качестве раскислителей стали, элементов, обеспечивающих формирование мелкодисперсной однородной зеренной структуры, а также эффективно защищают бор от связывания в нитриды. Верхний предел содержания адюминия 0,050% и титана 0,06% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел 0,020% и 0,01% соответственно - вопросами технологичности производства, а также обеспечением однородной зеренной структуры стали.
Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота - 0,010% обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел -0,005% вопросами технологичности производства.
Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел (0,010%), как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний (0,001%) предел - вопросами технологичности производства.
Мышьяк, олово, свинец и цинк - цветные примеси, определяющие общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий из рассматриваемой трубной заготовки. Нижний предел по мышьяку, олову, свинцу и цинку (0,0001% по каждому элементу соответственно) обусловлен технологией производства стали, а верхний - (0,03%, 0,02%, 0,01% и 0,005% соответственно) определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости.
Соотношение As+Sn+Pb+5×Zn≤0,05 определяет пониженную склонность стали к проявлению обратимой отпускной хрупкости.
Соотношение  определяет эффективность защиты бора от связывания в нитриды и, как следствие, обеспечивает требуемый уровень прокаливаемости стали.
Примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.
Выплавку исследуемых сталей, каждая из которых имеет химический состав в мас.%:
Пример 1: углерод 0,19, марганец 0,75, кремний 0,25, хром 0,91, никель 0,99, сера 0,011, алюминий 0,037, титан 0,022, кальций 0,0025, бор 0,0023, азот 0,010, мышьяк 0,009, олово 0,005, свинец 0,003, цинк 0,001.
Пример 2: углерод 0,22, марганец 0,70, кремний 0,31, хром 1,02, никель 0,95, сера 0,032, алюминий 0,031, титан 0,025, кальций 0,0025, бор 0,0029, азот 0,007, мышьяк 0,011, олово 0,008, свинец 0,009, цинк 0,002; проводили в 150-ти тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП-150, мощность трансформатора 80 мВа) с использованием в шихте 60% металлизованных окатышей и 40% металлического лома, что обеспечивает получение массовой доли азота перед выпуском из ДСП не более 0,003%, а также низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию проводят в ковше при выпуске из ДСП. Выпускают в ковш перекисленный металл. Раскисление при выпуске ведут алюминием, ферросилицием и легирование - FeMn(SiMn), FeCr. После выпуска проводят продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин. Затем проводят вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом производят легирование (тонкое) - углерод, марганец и кремний. После вакуумирования проводят обработку на печи-ковше. За 15-30 минут до окончания обработки вводят окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводят алюминий (проволокой). За 10-15 минут проводят обработку порошковыми проволоками с силикокальцием и чистой серой. Разливку стали проводили на сортовой УНРС радиального типа в НЛЗ 300х360 мм со скоростью вытягивания 0,6-0,7 м/мин. При разливке осуществляют защиту струи от вторичного окисления следующим образом: стальковш-промковш - погружная труба с подачей аргона; промковш - шлакообразующая смесь; промковш-кристаллизатор - погружной стакан (корундографитовый); в кристаллизаторе шлакообразующая смесь. После разливки и пореза на мерную длину непрерывнолитые заготовки охлаждали в печах контролируемого охлаждения. Далее слитки прокатывали на стане 700 в заготовку. Вся исходная заготовка подвергалась правке, очистке от окалины, контролю поверхности. Для проведения испытаний заготовки исследуемой стали прошли термообработку по следующему режиму: нормализация 930°С, воздух, закалка 880°С, масло, отпуск 200°С, воздух. Сортовой прокат ⌀ 85 мм, длиной 5900 мм, с кривизной не более 0,7 мм/м имеет:
2
3
3
По примеру 1: структура пластинчатого перлита, обезуглероженный слой отсутствует, балл действительного зерна - 7. Макроструктура: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0,5 балла, подусадочная ликвация - 0,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 2 балла, оксиды точечные - 1 балл, оксиды строчечные - 2 балла, силикаты хрупкие - 1 балл, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл. Временное сопротивление разрыву 1250 МПа, предел текучести 1180 МПа, относительное удлинение 15%, относительное сужение 66%, ударная вязкость KCU(+20) 1910 кДж/м. Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h=0,27 мм. As+Sn+Pb+5×Zn=0,022,
2
3
3
По примеру 2: структура пластинчатого перлита, обезуглероженный слой отсутствует, балл действительного зерна - 8. Сульфидные включения глобулярные с оксидной оболочкой. Макроструктура: центральная пористость - 1,0 балл, точечная неоднородность - 1,0 балл, ликвационный квадрат - 1,0 балл, подусадочная ликвация - 0,5 балла, ликвационные полоски - 0,5 балла. Неметаллические включения: сульфиды точечные - 2,5 балла, оксиды точечные - 2,0 балла, оксиды строчечные - 2,0 балла, силикаты хрупкие - 1,5 балла, силикаты пластичные - 1 балл, силикаты недеформирующие - 1 балл. Временное сопротивление разрыву 1290 МПа, предел текучести 1210 МПа, относительное удлинение 13%, относительное сужение 64%, ударная вязкость KCU(+20) 1510 кДж/м. Обрабатываемость резанием - величина износа по задней грани резца (h) при равном пути резания (L) - при L=1320 м, h=0,19 мм. As+Sn+Pb+5×Zn=0,038,
Сортовой прокат обеспечивает повышенные характеристики обрабатываемости резанием и благоприятное соотношением прочности пластичности и вязкости стали.