Способ производства круглого сортового проката из борсодержащей стали с повышенной пластичностью

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству круглого сортового проката диаметром от 6 до 13 мм. Для повышения пластических свойств проката, позволяющих гарантировать степень деформируемости проката на уровне 66% при изготовлении крепежных изделий холодной высадкой выплавляют сталь, содержащую, мас.%: углерод 0,07-0,11, кремний 0,15-0,40, марганец 0,30-0,55, алюминий 0,02-0,05, сера 0,005-0,025, фосфор 0,005-0,025, хром 0,02-0,15, никель 0,02-0,30, медь 0,03-0,18, титан 0,002-0,03, бор 0,001-0,003, молибден 0,002-0,03, азот 0,005-0,010, олово 0,001-0,015, свинец 0,001-0,010, цинк 0,001-0,018, кальций 0,001-0,003, железо и примеси – остальное, осуществляют непрерывную разливку стали с получением заготовки сечением 150×150 мм с уровнем ликвации в макроструктуре не более 2 балла, аустенизацию заготовки, прокатку на промежуточное квадратное сечение размера 106×106 мм, сплошную зачистку и шлифовку, нагрев, прокатку заготовки на круглый профиль и охлаждение в две стадии, причем сначала ускоренное охлаждение водой высокого давления до 850-930°C, а затем воздушное охлаждение со скоростью движения круглого проката 0,4-1,0 м/с и с возможностью регулирования интенсивности охлаждения в зависимости от диаметра сортового проката и температуры окружающей среды. Круглый прокат имеет относительное удлинение не менее 34% и относительное сужение не менее 72%.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству круглого сортового проката диаметром от 6 до 13 мм из углеродистой борсодержащей стали повышенной пластичности, предназначенного для изготовления крепежных изделий методом холодной высадки.

Известен сортовой прокат диаметром 10-25 мм из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки, содержащей, мас. %: С 0,06-0,35, Mn 0,60-1,40, Si 0,001-0,37, S 0,005-0,020, Cr 0,001-0,35, V 0,001-0,05, Nb 0,005-0,02, Ti 0,01-0,04, B 0,0005-0,0050, Al 0,02-0,06, N 0,005-0,015, As 0,0001-0,03, Sn 0,0001-0,02, Pb 0,0001-0,01, Zn 0,0001-0,005, железо и примеси, при соотношениях: (As+Sn+Pb+5Zn) 0,07; [3000×(Ti/24-N/7)+2,2] 0. В качестве примесей сталь содержит, мас %: фосфор не более 0,025, медь не более 0,15, кислород не более 0,004, молибден не более 0,10, никель не более 0,10. Прокат имеет металлические включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам не более 3 баллов по каждому виду включений, феррито-перлитную структуру, размер действительного зерна 5-10 баллов, диаметр от 10 до 25 мм, обезуглероженный слой не более 1,5% от диаметра проката, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, временное сопротивление разрыву не более 580 Н/мм², предел текучести не более 540 Н/мм², относительное удлинение не менее 18%, относительное сужение не менее 55%, критический диаметр при закалке в масло не менее 15 мм (патент РФ №2336316, МПК C21D 8/06, С22С 38/60, С22С 38/54, опубл. 20.10.2008).

Недостатком известного способа является то, что легирование марганцем более 0,60% повышает прочность проката, но снижает его пластические свойства, для обеспечения которых приходится применять дополнительное микролегирование стали ниобием и ванадием, микроструктура проката формируется за счет дополнительной термообработки.

Наиболее близким по технической сущности к предложенному способу является производство сортового проката диаметром 10-16 мм из борсодержащей стали, содержащей следующее соотношение компонентов, мас. %: углерод 0,06-0,11, марганец 0,30-0,9, кремний 0,001-0,15, бор 0,0005-0,0050, ванадий 0,005-0,08, алюминий 0,02-0,06, титан 0,01-0,04, сера 0,005-0,020, азот 0,005-0,015, кальций 0,001-0,010, железо и неизбежные примеси остальное, при выполнении соотношений: Ti/48+Al/27-N/14≥0,6⋅10^-3; Mn+5,0 С ≥0,80, Ca/S ≥0,065, прокат имеет максимальный балл загрязненности стали неметаллическими включениями по сульфидам, оксидам, силикатам и нитридам, не превышающий 3 балла по каждому виду включений, прокат имеет однородную сфероидизованную структуру по длине, состоящую из не менее 60% зернистого перлита, размер действительного зерна - 5-10 балл, диаметр от 10 до 16 мм, обезуглероженный слой не более 1,0% от диаметра, величину холодной осадки не менее 1/3 высоты, 50% - прокаливаемость в кругах диаметром до 16 мм, временное сопротивление разрыву не более 500 МПа, относительное удлинение не менее 22%, относительное сужение не менее 70%. Сталь, микролегированная титаном, производится из катаной заготовки, прокатываемой на проволочном стане с применением ускоренного охлаждения водой высокого давления, охлаждением на воздухе до 300°C и последующей смоткой в бунты (патент РФ №2249627, МПК C21D 8/06, С22С 38/14, опубл. 10.04.2005).

Недостатком известного способа является отсутствие ограничений по массовой доле легкоплавких элементов олова, свинца и цинка, наличие которых в стали снижает пластические свойства проката. Легирование марганцем более 0,60% приводит к снижению пластичности стали и для получения заданной микроструктуры проката требуется применять дополнительную термообработку, что повышает производственные затраты на производство продукции.

Задачей изобретения является обеспечение повышенных пластических свойств проката, позволяющих гарантировать степень деформируемости проката на уровне 66% без дополнительной термообработки при изготовлении крепежных изделий заданной прочности методом холодной высадки.

Важнейшим требованием к круглому сортовому прокату диаметром 6-13 мм из борсодержащей стали с повышенной пластичностью для изготовления крепежных изделий методом холодной высадки является повышение пластических свойств проката, выражающихся в способности стали к деформируемости в холодном состоянии без предварительной термообработки проката, оцениваемой по результатам испытания проката на холодную осадку со степенью деформации не менее 66% гарантированно без трещин и надрывов проката и по уровню механических свойств (относительное удлинение, относительное сужение).

Поставленная задача решается тем, что в способе производства круглого сортового проката диаметром 6-13 мм из борсодержащей стали с повышенной пластичностью для изготовления крепежных изделий методом холодной высадки, включающем аустенизацию непрерывнолитой заготовки, прокатку на промежуточное сечение, последующую ее зачистку, нагрев, прокатку на круглый профиль и охлаждение, на аустенизацию направляют непрерывно литую заготовку сечением 150×150 мм с уровнем ликвации в макроструктуре не более 2 балла, прокатку на промежуточное сечение осуществляют до достижения сечения заготовки размера 106×106 мм, производят сплошную зачистку и шлифовку абразивными кругами, а охлаждение осуществляют в две стадии: ускоренное охлаждение водой высокого давления до температуры 850-930°C и затем воздушное охлаждение витков со скоростью движения круглого профиля 0,4-1,0 м/с, интенсивность которого регулируют в зависимости от диаметра сортового проката и температуры окружающей среды, при этом сталь содержит следующее соотношение компонентов, мас. %:

углерод	0,07-0,11
кремний	0,15-0,40
марганец	0,30-0,55
алюминий	0,02-0,05
сера	0.005-0,025
фосфор	0.005-0,025
хром	0.02-0,15
никель	0.02-0,30
медь	0.03-0,18
титан	0,002-0,03
бор	0,001-0,003
молибден	0.002-0,03
азот	0,005-0,010
олово	0.001-0,015
свинец	0.001-0,010
цинк	0.001-0,018
кальций	0,001-0,003
железо и примеси	остальное,

а прокат имеет уровень пластических свойств по относительному удлинению не менее 34%, по относительному сужению не менее 72%.

Сущность изобретения заключается в выборе определенных параметров заготовки, оптимизации ее химического состава и технологических параметров способа производства, которые позволяют выполнить поставленную задачу.

Использование для производства круглого сортового проката диаметром 6-13 мм непрерывно литой заготовки сечением 150×150 мм обеспечивает минимальную ликвацию в квадратной заготовке, не превышающую 2 балла, в связи с высокими скоростями кристаллизации и малой продолжительностью затвердевания металла, и как следствие, низкий уровень дефектности и однородность макроструктуры заготовок и готового проката.

Прокатку на промежуточное сечение осуществляют до достижения сечения заготовки размера 106×106 мм, что обеспечивает дополнительную проработку сечения с общей вытяжкой 2,02 и дает возможность более глубокой зачистки для удаления дефектов поверхности, т.к. зачистка непрерывнолитой заготовки всегда ограничена толщиной корковой зоны. Зачистка и шлифовка абразивными кругами промежуточных заготовок сечением 106×106 мм на абразивных станках позволяет удалить дефекты поверхности заготовок и не допустить их трансформацию в готовый прокат. Таким образом, исключаются дефекты поверхности проката, являющиеся концентраторами напряжений при операции высадки крепежных изделий, устраняется причина потери пластичного деформирования без разрушения поверхности проката в процессе изготовления крепежных изделий.

Охлаждение осуществляют в две стадии. Первая - ускоренное охлаждение водой высокого давления до температуры 850-930°C позволяет сформировать равноосную перлито-ферритную структуру с размером действительного зерна 8-10 номера. Снижение температуры ниже 850°C приводит к образованию отдельных участков недопустимой тростомартенситной структуры, повышение температуры охлаждения выше 930°C приводит к образованию грубопластинчатой структуры, снижающей исходную пластичность металла. Вторая стадия - воздушное охлаждение (в «линии Стелмор») со скоростью движения витков круглого профиля 0,4-1,0 м/с. При скорости движения менее 0,4 м/с не обеспечивается допустимая стойкость работы сетчатого транспортера. При скорости движения более 1,0 м/с не обеспечивается максимально возможное охлаждение и выравнивание структуры проката на сетчатом транспортере. Интенсивность воздушного регулирования в зависимости от диаметра сортового проката и температуры окружающего воздуха, например, производят в пределах: для диаметра от 6 до 9 мм при температуре окружающей среды выше 0°C используют 4 вентилятора, ниже 0°C используют 2 вентилятора; для диаметра 10-13 мм при температуре окружающей среды выше 0°C используют 6 вентиляторов, ниже 0°C используют 4 вентилятора, что позволяет получить оптимальную равномерную мелкозернистую структуру проката. Конкретное количество работающих вентиляторов определяется также их мощностью при сохранении выше указанного регулирования.

Заявленный химический состав позволяет получить наследственную мелкозернистую структуру проката с заданными пластическими и прочностными свойствами. Это достигается за счет микролегирования стали бором, титаном, алюминием, ограничением марганца в установленном диапазоне и за счет установления ограничений по максимально допустимой массовой доле легкоплавких элементов олова, свинца и цинка.

Нижние пределы массовой доли углерода (0,07%), кремния (0,15%) и марганца (0,30%) обусловлены заданной минимально допустимой прочностью крепежных изделий, изготавливаемых из горячекатаного проката без применения дополнительной термообработки. Верхние пределы углерода (0,11%), кремния (0,40%), марганца (0,55%) обусловлены заданной максимально допустимой прочностью и гарантированной пластичностью при деформировании проката со степенью деформации не менее 66% без применения дополнительной термообработки.

Алюминий и титан используются в качестве раскислителей стали, а также для связывания азота в нитриды и формирования природной мелкозернистой структуры. Этим назначением определяется нижний уровень алюминия (не менее 0,02%). Нижний уровень титана (0,002%) определяется по технологии. Верхний уровень алюминия (0,05%) и титана (0,03%) определяется необходимостью достижения максимально возможной пластичности проката и минимального количества неметаллических включений в стали.

Бор в сталь вводится для повышения пластичности проката на стадии холодной калибровки (промежуточной операции у потребителя перед операцией холодной высадки). При массовой доле бора менее 0,001% эффект от введения бора не определяется, при массовой доле бора более 0,003% пластичность проката снижается.

Сера, фосфор, медь являются примесями, снижающими пластичность проката. Верхние пределы серы и фосфора (не более 0,025%), меди (не более 0,18%) обусловлены необходимым уровнем пластичности, нижние уровни - технологией производства.

Хром, никель, молибден в данном составе стали являются остаточными элементами. Верхние пределы хрома (не более 0,15%), никеля (не более 0,30%), молибдена (не более 0,03%) ограничены для обеспечения установленного уровня прочности (твердости) и повышения пластичности стали. Нижние пределы по массовой доле хрома и никеля (0,02%) и молибдена (0,002%) установлены, исходя из технологии производства.

Олово, свинец, цинк - цветные легкоплавкие примеси, определяющие склонность стали к отпускной хрупкости и общий уровень пластичности. Верхние пределы олова (не более 0,015%), свинца (не более 0,010%), цинка (не более 0,018%) обусловлены достижением максимальной пластичности стали, отсутствием дефекта «чешуйчатости», приводящего к браку крепежных изделий, нижний предел по элементам (0,001%) обусловлен технологией производства.

Верхний предел массовой доли азота (0,010%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности (природной мелкозернистой стали) и вязкости проката. Нижний предел (0,005%) обусловлен технологией производства.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел (не более 0,03%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности, нижний уровень (не менее 0,001%) - технологией производства.

Остальные (неупомянутые элементы) присутствуют в стали как примеси.

Заявленный химический состав стали и применяемая технология двухстадийного охлаждения с прокатного нагрева обеспечивают уровень пластических свойств по относительному удлинению не менее 34%, по относительному сужению не менее 72%.

Пример осуществления предлагаемого способа.

Выплавку стали производили в шахтной печи электросталеплавильного производства следующего химического состава: С=0,10%; Si=0,23%; Mn=0,45%; P=0,009; S=0,006; Cr=0,05; Ni=0.04%; Cu=0,07; Al=0,028; N=0,007%; Ti=0,014%; Мо=0,006%; В=0,0019%; Са=0,002%; Sn=0,004%; Pb=0,001%; Zn=0,012%. Сталь разливали на машине непрерывной разливки стали в квадратное сечение 150×150 мм. Уровень ликвации в макроструктуре стали составлял 0,5-1,0 баллов. Далее заготовку перекатывали на среднесортном стане 350 на квадратное сечение 106×106 мм. Поверхность заготовки обрабатывали на абразивных станках «Генрих Рау» по режиму «сплошная зачистка со шлифовкой» для удаления дефектов поверхности непрерывно литой заготовки и заготовки после переката в сечение 106×106 мм.

Заготовки 106×106 мм нагревали в методической печи до температуры 1180°C и прокатывали на проволочном стане 150 ПАО «Северсталь» на круглый сортовой профиль диаметром 9 мм. Охлаждение с прокатного нагрева применяли в две стадии: первая стадия - водой высокого давления 2,5 МПа до температуры 900°C; вторая стадия - охлаждение воздухом на сетчатом транспортере, на котором двигался прокат со скоростью 0,8 м/с при двух включенных вентиляторах при температуре окружающего воздуха минус 2°C. Прокат испытывался на холодную осадку со степенью деформации 66%, результаты получены удовлетворительные: на образцах после осадки отсутствовали трещины и надрывы, твердость проката не превышала 111 ед. НВ при требовании по ГОСТ 10702 не более 137 ед. НВ, относительное удлинение составило 40%, относительное удлинение - 77%, действительное зерно составило 9, 10 номер. Горячекатаный сортовой прокат переработан у потребителя со 100% выходом годного (без учета технически обоснованных технологических отходов).

Применение предлагаемого способа производства круглого сортового проката из борсодержащей стали позволяет получать прокат с повышенной пластичностью, выражаемой в гарантированном обеспечении степени деформируемости проката в холодном состоянии не менее 66% без дополнительной термообработки при изготовлении крепежных изделий с установленным классом прочности методом холодной высадки.

Способ производства круглого сортового проката диаметром 6-13 мм из борсодержащей стали с повышенной пластичностью для изготовления крепежных изделий методом холодной высадки, включающий аустенизацию непрерывнолитой заготовки, прокатку на промежуточное сечение, последующую ее зачистку, нагрев, прокатку на круглый профиль и охлаждение, отличающийся тем, что на аустенизацию направляют непрерывно литую заготовку сечением 150×150 мм с уровнем ликвации в макроструктуре не более 2 балла, прокатку на промежуточное сечение осуществляют до достижения сечения заготовки размера 106×106 мм, производят сплошную зачистку и шлифовку абразивными кругами, охлаждение осуществляют в две стадии, причем сначала проводят ускоренное охлаждение водой высокого давления до температуры 850-930°С, а затем воздушное охлаждение при движения круглого проката со скоростью 0,4-1,0 м/с с возможностью регулирования интенсивности охлаждения в зависимости от диаметра сортового проката и температуры окружающей среды, при этом сталь содержит следующее соотношение компонентов, мас. %:

углерод	0,07-0,11
кремний	0,15-0,40
марганец	0,30-0,55
алюминий	0,02-0,05
сера	0,005-0,025
фосфор	0,005-0,025
хром	0,02-0,15
никель	0,02-0,30
медь	0,03-0,18
титан	0,002-0,03
бор	0,001-0,003
молибден	0,002-0,03
азот	0,005-0,010
олово	0,001-0,015
свинец	0,001-0,010
цинк	0,001-0,018
кальций	0,001-0,003
железо и примеси	остальное,

а прокат имеет уровень пластических свойств по относительному удлинению не менее 34% и относительному сужению не менее 72%.