RU2262549C1 - Среднеуглеродистая хромсодержащая сталь повышенной обрабатываемости резанием - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к стали, используемой, например, при изготовлении шаровых пальцев, наконечников тяг и шаровых опор подвески автомобиля методом холодной объемной штамповки. Среднеуглеродистая хромсодержащая сталь повышенной обрабатываемости резанием содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,35-0,42; марганец 0,50-0,80; кремний 0,17-0,37; хром 0,80-1,10; сера 0,020-0,040; ванадий 0,005-0,020; кальций 0,001-0,010; кислород 0,001-0,015; железо и неизбежные примеси - остальное. При этом кислород/кальций = 1÷4,5 и кальций/сера ≥ 0,065. Сталь в качестве примесей дополнительно содержит, мас.%: никель не более 0,25; медь не более 0,25; молибден не более 0,10; мышьяк не более 0,08; фосфор не более 0,035; азот не более 0,015, а неметаллические включения имеют двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой. Техническим результатом является повышение обрабатываемости резанием, обеспечение сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 25 мм при сохранении технологической пластичности. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке среднеуглеродистой хромсодержащей стали повышенной обрабатываемости резанием, используемой для изготовления шаровых пальцев, наконечников тяг и шаровых опор подвески автомобиля, получаемых методом холодной объемной штамповки.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.36-0.44%, марганец 0.50-0.80%, кремний 0,25-0,45%, хром 0.85-1.50%, титан 0.02-0.04%, алюминий 0.005-0.015%, бор 0.003-0.005%, кальций 0.001-0.004%, медь 0.2-0.6%, никель 0.2-0.5, барий 0.01-0.04%, железо - остальное, при этом отношение Cu/Mn+Ni=0.15-0.75. (RU Патент РФ 2023048 C1, C 22 C 38/54,опубликован 15.11.1994 г.).

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.35-0.45%, марганец 0.50-0.80%, кремний 0,17-0,37%, хром 0.8-1.10%, ванадий 0,04-0,09%, алюминий 0.005-0.015%, кальций 0.001-0.004%, азот 0.005-0.009, медь 0.25-0.40%, магний 0.0005-0.0009%, железо и неизбежные примеси - остальное. При этом содержание серы составляет 0.01-0.02 мас.%; содержание фосфора составляет 0.015-0.020 мас.% (SU Авторское свидетельство СССР SU 1216241 А, С 22 С 38/24, опубликовано 07.03.1986 г.).

Недостатком данной стали является нерегламентированное содержание серы, что приведет к существенному ухудшению характеристик резания, снижению стойкости режущего инструмента, увеличению нагрузок на инструмент при нижнем уровне содержания серы в предложенном интервале, т.е. менее 0.012%. Также к числу недостатков следует отнести высокое содержание фосфора в стали, что будет способствовать (учитывая наличие в стали марганца и хрома и отсутствие молибдена) интенсивному развитию процессов обратимой отпускной хрупкости при термической обработке.

Задачей изобретения является повышение характеристик обрабатываемости резанием при одновременном повышении характеристик прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 25 мм, а также сохранении высокого уровня технологической пластичности стали.

Поставленная задача достигается тем, что предложена

1) среднеуглеродистая хромсодержащая сталь повышенной обрабатываемости резанием, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, серу, ванадий, кальций, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0.35-0.42
марганец	0.50-0.80
кремний	0.17-0.37
хром	0.80-1.10
сера	0,020-0,040
ванадий	0.005-0.020
кальций	0.001-0.010
кислород	0.001-0.015
железо и неизбежные примеси	остальное

при этом соотношение содержания кислорода и кальция, а также отношение содержания кальция и серы определяются по следующим зависимостям:

кислород/кальций=1÷4.5 и кальций/сера≥0.065;

2) сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она дополнительно содержит никель, медь, молибден, мышьяк и азот при следующем соотношении, мас.%:

никель	не более до 0.25%
медь	не более 0.25%
молибден	не более 0.10%
мышьяк	не более 0.08%,
фосфор	не более 0.035%
азот	не более 0.015%

3) сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит неметаллические включения, имеющие двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в предлагаемой стали (пруток горячекатаного сортового проката круглого диаметром до 25 мм) 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 и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0.42%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.35% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Карбонитридообразующий элемент - ванадий вводятся в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области и в межкритическом интервале температур (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер γ-α-превращения. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания ванадия 0.02% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.005% - обеспечением требуемого уровня прочности 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 0.80% и хрома 1.10% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний 0.50% марганца и 0.80% хрома соответственно необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 6.17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0.040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.020%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

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.

Кислород, образуя оксидную пленку на сульфидах, способствует повышению обрабатываемости стали резанием при одновременном сохранении высокого комплекса потребительских свойств стали. При этом верхний уровень содержания кислорода 0,015% обусловлен необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний 0.001% соответственно необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.

Соотношения

Соотношение кислород/кальций =1÷4.5 отвечает за возможность образования сэндвич-неметаллического включения. При этом верхняя граница соотношения - уровень содержания кислорода 4.5 обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний 1 соответственно, возможностью образования двухслойного сэндвич-неметаллического включения.

Соотношение кальций/сера ≥ 0,065% определяет условия глобулярных неметаллических включений (сульфидов). Если выполняется данное соотношение, то сульфиды глобулярные, в противном случае в стали присутствуют вытянутые сульфиды, что повышает анизотропию свойств стали и ухудшает соотношение прочность-вязкость, особенно сильно в поперечном направлении проката.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - алюминия, кальция и кислорода, а также соотношениями: кислород/кальций = 1÷4.5 и кальций/сера ≥ 0.065%

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение характеристик обрабатываемости резанием при сохранении благоприятного соотношения прочность-пластичность и вязкость стали.

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

Выплавку опытной партии исследуемой стали (химический состав представлен в таблице 1) 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 проводили в ковше при выпуске из ДСП (Выпуск в ковш перекисленного металла. Раскисление металла - при выпуске алюминием, ферросилицием - раскисление, легирование - FeMn(SiMn), FeCr). После выпуска проводили продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин. Затем вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом производится легирование (тонкое) - углерод, марганец и кремний. После вакуумирования обработка на печи-ковше. За 15-30 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 минут обработка порошковыми проволоками с силикокальцием и чистой серой. Разливку стали проводили на сортовой УНРС радиального типа в НЛЗ 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6-0,7 м/мин. При разливке осуществлялась защита 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 (квадрат 170 мм). Вся исходная заготовка подвергалась правке, очистке от окалины, контролю поверхности. Нагрев заготовки перед прокаткой производили в двух методических печах с шагающим подом. Температура нагрева заготовки 900°С, что обеспечивает снижение энергозатрат на 15% и значительно снижает обезуглероживание проката. Окалину с поверхности заготовки удаляли водой высокого давления на установке гидросбива окалины. Прокатку вели в непрерывных линиях - мелкосортной и среднесортной. Высокая жесткость клетей, автоматическое согласование скорости клетей, система петлерегулирования в чистовой группе мелкосортной линии позволили получить прокат высокой точности. Отделку проката осуществляли вне потока. Отделка включала в себя операции правки, контроля поверхностных дефектов и ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку прутков круглого проката. Точность проката после обточки соответствует квалитету h11. На установке "БУНТ-ПРУТОК" из мотков горячекатаного проката получают обточенные прутки длиной до 6 метров с точностью порезки ±5 мм.

Механические свойства представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь по сравнению с известной имеет более высокие характеристики обрабатываемости резанием при благоприятном соотношении прочности и пластичности.

Внедрение предложенной среднеуглеродистой хромсодержащей стали повышенной обрабатываемости резанием обеспечивает получение двухслойных сэндвич-неметаллических включений, гарантирующих, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны, благоприятное соотношение прочности пластичности и вязкости стали.

Таблица 1.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРЕДЛАГАЕМОЙ И ИЗВЕСТНОЙ СТАЛИ
Номер плавки	Содержание элементов, мас.%																	Соотношение
	С	Mn	Si	S	Р	Cr	V	Al	Cu	Са	Mg	N	O	Ni	Мо	As	Fe	1*	2*
Предлагаемая сталь
1	0.35	0.80	0.37	0.020	0.011	1.10	0.02		0.02	0.003	-	0.003	0.003	0.01	0.02	0.01	ост.	0.150	1
2	0.39	0.70	0.25	0.025	0.016	1.0	0.01		0.03	0.002	-	0.002	0.002	0.11	0.01	0.01	ост.	0.080	1
3	0.40	0.80	0.27	0.029	0.012	0.92	0.01		0.0)	0.002	-	0.007	0.007	0.14	0.09	0.02	ост.	0.069	3.5
4	0.38	0.60	0.20	0.040	0.011	0.85	0.02		0.01	0.004	-	0.015	0.015	0.19	0.03	0.03	ост.	0.100	3.75
5	0.42	0.50	0.17	0.035	0.014	0.80	0.005		0.02	0.003	-	0.012	0.012	0.22	0.04	0.04	ост.	0.086	4
За пределами заявляемого
6	0.39	0.85	0:17	0.045	0.015	1.15	0.022		0.01	0.002	-	0.001	0.001	0.15	0.01	0.05	ост.	0.022	0.5
7	0.45	0.90	0.38	0.021	0.017	0.82	0.015		0.02	0.001	-	0.005	0.005	0.27	0.03	0.01	ост.	0.048	5
8	0.33	0.48	0.16	0.031	0.015	0.77	0.03		0.03	0.001	-	0.003	0.003	0.17	0.02	0.01	ост.	0.032	3
9	0.40	0.54	0.25	0.010	0.016	0.98	0.02		0.01	0.001	-	0.015	0.015	0.18	0.02	0.10	ост.	0.100	15
Известная сталь
10	0.40	0.66	0.25	0.011	0.018	0.92	0.05	0.01	0.32	0.001	0.0007	0.007
Соотношение 1* - кислород/кальций, Соотношение 2* - кальций/сера

Таблица 2.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕДЛАГАЕМОЙ И ИЗВЕСТНОЙ СТАЛИ
Плавка	Временное сопротивление, σв, МПа	Относительное удлинение, δ, %	Относительное сужение, ψ, %	Прокаливаемость, критический диаметр	Результаты переработки
Предлагаемая сталь
1	520	24	64	29	Без замечаний
2	530	25	62	30	Без замечаний
3	535	23	64	35	Без замечаний
4	545	22	65	37	Без замечаний
5	540	21	61	32	Без замечаний
За пределами заявляемого
6	570	18	65	25	Повышенный расход инструмента
7	560	19	62	22	Повышенный расход инструмента
8	580	18	63	26	Повышенный расход инструмента
9	570	19	61	20	Повышенный расход инструмента
Известная сталь
10	580	19	58	21	Повышенный расход инструмента

Claims (3)

1. Среднеуглеродистая хромсодержащая сталь повышенной обрабатываемости резанием, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, серу, ванадий, кальций, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,35-0,42 Марганец 0,50-0,80 Кремний 0,17-0,37 Хром 0,80-1,10 Сера 0,020-0,040 Ванадий 0,005-0,020 Кальций 0,001-0,010 Кислород 0,001-0,015 Железо и неизбежные примеси Остальное

при этом соотношение содержания кислорода и кальция, а также отношение содержания кальция и серы определяются по следующим зависимостям: кислород/кальций=1÷4,5 и кальций/сера≥0,065.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она дополнительно содержит никель, медь, молибден, мышьяк и азот в следующем соотношении, мас.%:

Никель Не более 0,25 Медь Не более 0,25 Молибден Не более 0,10 Мышьяк Не более 0,08 Фосфор Не более 0,035 Азот Не более 0,015

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит неметалические включения, имеющие двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболчкой.