RU2238334C1 - Method for producing from continuously cast rolled bar with spheroidized structure of boron steel for cold bulk pressing of high-strength fastening parts - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: method involves melting steel, with components being used in the following ratio, wt%: carbon 0.17-0.34; manganese 0.90-1.40; silicon 0.01-0.20; chromium 0.005-0.40; boron 0.0005-0.0050; titanium 0.01-0.04; sulfur 0.005-0.020; aluminum 0.02-0.06; calcium 0.001-0.010; nitrogen 0.005-0.015; iron and inevitable contaminants the balance, with following ratio being met: N/(Ti+0.5Al+10B)≤0.21; Ca/S≥0.065; deoxidizing discharged melt and alloying in ladle with the use of deoxidizers and alloying elements with low nitrogen content; at the stage of processing beyond furnace, alloying with titanium and boron in vacuumizer; pouring metal while protecting metal flow from contacting with air; cooling ingot and subjecting to hot rolling, with initial hot rolling temperature being within the range of 950-900⁰C and final hot rolling temperature being within the range of 850-740⁰C at deformation extent of at least 20% in outer passes; providing cold gauging deformation with following spheroidizing annealing by high-speed heating to temperature of A_s1+(10-30)⁰C and regulated cooling to temperature of 730-650⁰C at cooling rate of 0.5-1.0⁰C/min and further cooling in thermal chamber at medium temperature of 100-200⁰C.

EFFECT: provision for producing of rolled bars having structure allowing adequate cold bulk pressing conditions to be created for producing of compound-shaped high-strength fastening parts with increased hardenability characteristics of steel.

4 cl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству из непрерывнолитой заготовки сортового проката со сфероидизованной структурой из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to the production of continuous cast billets with a spheroidized structure of boron steel for cold forming of high strength fasteners.

Известна конструкционная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,06-0,30%, кремний 0,17-1,0%, марганец 0,8-2,0%, ванадий 0,01-0,25%, азот 0,005-0,040%, бор 0,001-0,.008%, алюминий 0,005-0,10%, титан 0,005-0,015%, остальное железо (авторское свидетельство СССР № 601321, С 22 С 38/12, 06.02.1976 г.).Known structural steel containing, wt.%: Carbon 0.06-0.30%, silicon 0.17-1.0%, manganese 0.8-2.0%, vanadium 0.01-0.25%, nitrogen 0.005-0.040%, boron 0.001-0 .008%, aluminum 0.005-0.10%, titanium 0.005-0.015%, the rest is iron (USSR copyright certificate No. 601321, C 22 C 38/12, 02/06/1976 )

Важнейшим требованием, предъявляемым к сортовому прокату из борсодержащей стали для холодной объемной штамповки высокопрочных крепежных деталей особо сложной формы, является, с одной стороны, высокая технологическая пластичность и низкий коэффициент деформационного упрочнения в состоянии поставки и, с другой стороны, способность обеспечить заданный уровень потребительских свойств после завершающего термоупрочнения. Данная сталь от шихтовки до готового сортового проката проходит достаточно длительный передел, включающий следующие операции: выплавку, горячую прокатку, сфероидизирующий отжиг, калибровку. Задача обеспечения необходимого комплекса механических свойств, показателей технологической пластичности и низкого коэффициента деформационного упрочнения металлопроката в состоянии поставки в настоящее время успешно разрешается за счет ряда приемов, применяемых на различных стадиях изготовления стали.The most important requirement for long products made of boron-containing steel for cold forging of high-strength fasteners of particularly complex shape is, on the one hand, high technological ductility and low coefficient of strain hardening in the delivery state and, on the other hand, the ability to provide a given level of consumer properties after the final hardening. This steel from the batch to the finished long products undergoes a fairly lengthy redistribution, which includes the following operations: smelting, hot rolling, spheroidizing annealing, calibration. The task of providing the necessary set of mechanical properties, indicators of technological plasticity and a low coefficient of strain hardening of rolled metal in the delivery state is currently being successfully solved by a number of techniques used at various stages of steelmaking.

Известен способ производства сортового проката, включающий выплавку борсодержащей стали, выпуск металла, разливку, горячую прокатку, охлаждение... (патент DE 3434744 А1, 03.04.1986 г., С 21 D 8/06, формула изобретения).A known method for the production of long products, including the smelting of boron-containing steel, metal production, casting, hot rolling, cooling ... (patent DE 3434744 A1, 04/03/1986, C 21 D 8/06, claims).

Наиболее близким аналогом является известный способ производства сортового проката, включающий выплавку стали в электропечи, выпуск металла, внепечную обработку, непрерывную разливку, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки, охлаждение (RU 2156313 С1, С 21 D 8/02, 20.09.2000 г.).The closest analogue is the known method for the production of long products, including steel smelting in an electric furnace, metal production, after-furnace treatment, continuous casting, hot rolling of a continuously cast billet, cooling (RU 2156313 C1, C 21 D 8/02, 09/20/2000).

В основу изобретения поставлена задача разработки стали повышенной прокаливаемости. Техническим результатом изобретения является повышение прокаливаемости и получение структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей.The basis of the invention is the task of developing steel of high hardenability. The technical result of the invention is to increase the hardenability and obtain the structure of long products, guaranteeing rational conditions for the cold forging of complex-profile high-strength fasteners.

Для достижения технического результата в способе производства сортового проката, включающем выплавку стали в электропечи, выпуск металла, внепечную обработку, непрерывную разливку, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки, охлаждение, выплавляют сталь при следующем соотношении компонентовTo achieve a technical result in a method for the production of long products, including steelmaking in electric furnaces, metal production, after-furnace treatment, continuous casting, hot rolling of continuously cast billets, cooling, steel is smelted in the following ratio of components

Углерод 0,17-0,34Carbon 0.17-0.34

Марганец 0,90-1,40Manganese 0.90-1.40

Кремний 0,01-0,20Silicon 0.01-0.20

Хром 0,005-0,40Chrome 0.005-0.40

Бор 0,0005-0,0050Boron 0.0005-0.0050

Титан 0,01-0,04Titanium 0.01-0.04

Сера 0,005-0,020Sulfur 0.005-0.020

Алюминий 0,02-0,06Aluminum 0.02-0.06

Кальций, 0,001-0,010Calcium, 0.001-0.010

Азот 0,005-0,015Nitrogen 0.005-0.015

Железо и неизбежные примеси ОстальноеIron and inevitable impurities

При выполнении соотношений: {N/(Ti+0,5Аl+10В)}≤0,21; (Ca/S)≥0,065 горячую прокатку начинают при температуре 950-900°С и заканчивают 850-740°С со степенью деформации в последних проходах не менее 20%, затем проводят холодную деформацию калибровкой со степенью деформации 20-25% и сфероидизирующий отжиг путем скоростного нагрева до температуры A_C1+10-30°C и регламентированного охлаждения в интервале температур 730-650°С со скоростью 0,5-1,0°С/мин и дальнейшего охлаждения в термокамере при температуре среды 100-200°С.When fulfilling the relations: {N / (Ti + 0.5Al + 10V)} ≤0.21; (Ca / S) ≥0.065 hot rolling starts at a temperature of 950-900 ° C and ends with 850-740 ° C with a degree of deformation in the last passes of at least 20%, then cold deformation is carried out by calibration with a degree of deformation of 20-25% and spheroidizing annealing by high-speed heating to temperature A _C1 + 10-30 ° C and regulated cooling in the temperature range 730-650 ° C at a speed of 0.5-1.0 ° C / min and further cooling in a heat chamber at an ambient temperature of 100-200 ° C .

При выпуске расплава осуществляют раскисление и легирование в ковше раскислителями и легирующими элементами с низким содержанием азота; на стадии внепечной обработки осуществляют легирование стали бором в вакууматоре; при непрерывной разливке осуществляют защиту струи металла от контакта с воздухом.When releasing the melt, deoxidation and alloying in the ladle with deoxidants and alloying elements with a low nitrogen content are carried out; at the stage of out-of-furnace treatment, steel is alloyed with boron in a vacuum vessel; during continuous casting, the metal stream is protected from contact with air.

Приведенные сочетания легирующих элементов позволяют получить в предлагаемой стали (в готовом изделии диаметром до 25 мм), после его термоулучшения (закалка от температуры не менее 920°С с последующим отпуском от температуры не ниже 620°С) однородную мелкодисперсную структуру мартенсита отпуска с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности.The given combinations of alloying elements make it possible to obtain a uniform finely dispersed tempering martensite structure with a favorable combination in the proposed steel (in the finished product with a diameter of up to 25 mm), after its thermal improvement (quenching from a temperature of at least 920 ° C and subsequent tempering from a temperature of at least 620 ° C) strength and ductility characteristics.

Углерод и карбидообразующие элементы вводятся в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. Верхняя граница содержания углерода (0,34%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0,17% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.Carbon and carbide-forming elements are introduced into the composition of this steel in order to provide a finely dispersed grain structure, which will increase both its strength level and provide a given level of ductility. The upper limit of the carbon content (0.34%) is due to the need to ensure the required level of ductility of steel, and the lower - respectively 0.17% - to ensure the required level of strength of this steel.

Марганец и хром используется, 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 марганца 1,30% и хрома 0,35% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний 0,90% и 0,005% соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали.Manganese and chromium are used, on the one hand, as solid solution hardeners, and on the other hand, as elements that significantly increase the stability of supercooled austenite and increase the hardenability of steel. Moreover, the upper level of the content of manganese 1.30% and chromium 0.35% is determined by the need to ensure the required level of ductility of steel, and the lower 0.90% and 0.005%, respectively, by the need to provide the required level of strength and hardenability of steel.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,07% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.Silicon refers to ferrite-forming elements. The lower silicon limit of 0.07% is due to steel deoxidation technology. A silicon content above 0.37% will adversely affect the ductility characteristics of steel.

Бор способствует резкому увеличению прокаливаемости стали. Верхний предел содержания бора определяется соображениями пластичности стали, а нижний - необходимостью обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.Boron contributes to a sharp increase in the hardenability of steel. The upper limit of boron content is determined by considerations of ductility of steel, and the lower - by the need to ensure the required level of hardenability.

Алюминий и титан используются в качестве раскислителей и обеспечивают защиту бора от связывания в нитриды, что способствует резкому повышению прокаливаемости стали. Так нижний уровень содержания данных элементов (0,02 и 0,01 соответственно) определяется требованием обеспечения прокаливаемости стали, а верхний уровень (0,06 и 0,04) требованием обеспечения заданного уровня пластичности стали.Aluminum and titanium are used as deoxidizers and protect boron from binding to nitrides, which contributes to a sharp increase in the hardenability of steel. So the lower level of the content of these elements (0.02 and 0.01, respectively) is determined by the requirement to ensure hardenability of steel, and the upper level (0.06 and 0.04) by the requirement to ensure a given level of ductility of steel.

Азот - элемент, участвующий в образовании карбонитридов, при этом нижний уровень его содержания (0,005%) определяется требованием обеспечения заданного уровня прочности, а верхний уровень (0,015%) требованием обеспечения заданного уровня пластичности и прокаливаемости.Nitrogen is an element involved in the formation of carbonitrides, while the lower level of its content (0.005%) is determined by the requirement to ensure a given level of strength, and the upper level (0.015%) by the requirement to ensure a given level of ductility and hardenability.

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.Calcium is an element that modifies non-metallic inclusions. The upper limit (0.010%), as in the case of sulfur, is due to the need to obtain a given level of ductility and toughness of steel, and the lower (0.001%) limit is due to issues of manufacturability.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0,020%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0,005%) вопросами технологичности производства.Sulfur determines the level of ductility of steel. The upper limit (0.020%) is due to the need to obtain a given level of ductility and toughness of steel, and the lower limit (0.005%) is related to the manufacturability.

Для обеспечения полного связывания азота в нитриды типа TiN и AlN в результате протекания реакцийTo ensure complete binding of nitrogen to nitrides such as TiN and AlN as a result of reactions

[Ti]+[N]=TiN, [Al]+[N]=AlN[Ti] + [N] = TiN, [Al] + [N] = AlN

требуется выполнение следующего соотношения элементов: в противном случае не обеспечивается защита бора от связывания его в нитриды и резко снижаются характеристики прокаливаемости стали.the following ratio of elements is required: otherwise, boron is not protected from binding to nitrides and the hardenability characteristics of steel are sharply reduced.

Соотношения

The ratio

определяют условия сохранения в стали более 50% эффективного бора, что обеспечивает заданные характеристики прокаливаемости стали.determine the conditions for maintaining in steel more than 50% of the effective boron, which provides the specified characteristics of hardenability of steel.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного.Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the claimed composition is different from the known.

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".Therefore, the claimed combination of features meets the criterion of "significant differences".

Ниже дан пример осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.The following is an example implementation of the invention, not excluding others in the scope of the claims.

Выплавку борсодержащей стали, содержащей углерод 0,22%, марганец 1,20%, кремний 0,10%, хром 0,25%, бор 0,0022%, титан 0,025%, сера 0,008%, алюминий 0,04%, кальций 0,0015%, азот 0,007%, производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте 100% металлизованных окатышей, 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 производится в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производилась продувка металла аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляется алюминием. После этого металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором имеется возможность нагрева металла до необходимой температуры, продувки его аргоном через донный продувочный блок, дозированной присадки необходимых ферросплавов и обработки стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производится наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием, легирование металла алюминием до содержания 0,050%, доводка металла по содержанию марганца, нагрев до температуры, обеспечивающей дальнейшую обработку. После обработки на АКОС металл подвергается вакуумной обработке на порционном вакууматоре. Во время вакуумирования производится окончательная корректировка по химическому составу. На этой стадии внепечной обработки металл легируется титаном и бором, что позволяет эффективно использовать эти элементы. После вакуумирования металл обрабатывается силикокальцием и передается на разливку. Разливка производится на четырехручьевых МНРС радиального типа в слиток размерами 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6-0,7 м/мин, с защитой металла от окисления путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб, погружных стаканов и подачей аргона. Это также обеспечивает получение низкого содержания азота и кислорода и чистоту металла по неметаллическим включениям. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждались в печах контролируемого охлаждения. Горячую прокатку сортового проката начинают при температуре 950-900°С и заканчивают при температуре 850-740°С при деформации в последних проходах не менее 20%. Далее следует травление горячекатаного проката в растворе серной кислоты (концентрация 180-200 г/л) при температуре 80°С в течение 30 мин с последующим нанесением подсмазочного покрытия. Далее следует холодная деформация калибровкой с деформацией 20-25% и сфероидизирующий отжиг, включающий скоростной индукционный нагрев в межкритический интервал температур (A_Cl+10-30°C) холоднодеформированного металла с последующим регламентированным охлаждением в интервале температур 650-730°С со скоростями 0,5-1,0°С/мин и дальнейшим охлаждением в термокамере при температуре среды 100-200°С, что обеспечивает сокращение продолжительности процесса сфероидизации в 5-10 раз.Smelting of boron-containing steel containing carbon 0.22%, manganese 1.20%, silicon 0.10%, chromium 0.25%, boron 0.0022%, titanium 0.025%, sulfur 0.008%, aluminum 0.04%, calcium 0.0015%, nitrogen 0.007%, is produced in 150-ton steel arc furnaces (EAF) using 100% metallized pellets in the charge, which ensures that the mass fraction of nitrogen before discharge from the EAF is not more than 0.003%, as well as a low content of color impurities . The preliminary alloying of the metal with manganese and silicon is carried out in the ladle upon discharge from the particleboard. After the release, the metal was purged with argon through the bottom purge unit, during which the steel was deoxidized by aluminum. After that, the metal enters the integrated steel processing unit (AKOS), where it is possible to heat the metal to the required temperature, purge it with argon through the bottom blowing unit, dosed the necessary ferroalloys and treat the steel with flux-cored wire with various fillers. At AKOS, refining slag is imposed with an additive of lime and fluorspar, slag is deoxidized with granulated aluminum, the metal is alloyed with aluminum to a content of 0.050%, the metal is refined according to the manganese content, and it is heated to a temperature that ensures further processing. After processing at AKOS, the metal is subjected to vacuum treatment at a batch vacuum. During evacuation, a final adjustment of the chemical composition is made. At this stage of out-of-furnace treatment, the metal is alloyed with titanium and boron, which makes it possible to effectively use these elements. After evacuation, the metal is treated with silicocalcium and transferred to casting. Casting is performed on four-strand radial-type INRMs into an ingot 300 × 360 mm in size with a drawing speed of 0.6-0.7 m / min, with metal protection from oxidation by using coating slag mixtures in the intermediate ladle and mold, protective tubes, immersion glasses and argon feed. It also provides a low nitrogen and oxygen content and metal purity from non-metallic inclusions. After casting and cutting to a measured length, the continuously cast billets obtained were cooled in controlled cooling furnaces. Hot rolling of long products starts at a temperature of 950-900 ° C and ends at a temperature of 850-740 ° C with a deformation in the last passes of at least 20%. This is followed by etching of hot-rolled steel in a solution of sulfuric acid (concentration of 180-200 g / l) at a temperature of 80 ° C for 30 minutes, followed by applying a lubricant coating. This is followed by cold deformation by calibration with a deformation of 20-25% and spheroidizing annealing, including high-speed induction heating in the intercritical temperature range (A _Cl + 10-30 ° C) of a cold-deformed metal with subsequent regulated cooling in the temperature range 650-730 ° C with speeds of 0 , 5-1.0 ° C / min and further cooling in a heat chamber at an ambient temperature of 100-200 ° C, which reduces the duration of the spheroidization process by 5-10 times.

Выполнение соотношения легирующих элементов позволило обеспечить содержание “эффективного” бора в стали на уровне 0,0020% и сквозную прокаливаемость заготовки диаметром 22 ммFulfillment of the ratio of alloying elements allowed to ensure the content of “effective” boron in steel at the level of 0.0020% and through hardenability of the workpiece with a diameter of 22 mm

титан 0,025%, алюминий 0,04%, бор 0,0022%, азот 0,007%,

titanium 0.025%, aluminum 0.04%, boron 0.0022%, nitrogen 0.007%,

сера 0,008%, кальций 0,0015%.

sulfur 0.008%, calcium 0.0015%.

Внедрение предложенного способа производства сортового проката из борсодержащей стали повышенной прокаливаемости обеспечивает получение структуры сортового проката, гарантирующей рациональные условия холодной объемной штамповки сложнопрофильных высокопрочных крепежных деталей.Implementation of the proposed method for the production of long products from high-hardenability boron-containing steel provides a structure for long products that guarantees rational conditions for cold forging of complex profile high-strength fasteners.

Claims (4)

1. Способ производства сортового проката, включающий выплавку стали в электропечи, выпуск металла, внепечную обработку, непрерывную разливку, горячую прокатку непрерывнолитой заготовки и охлаждение, отличающийся тем, что выплавляют сталь при следующем соотношении компонентов, мас.%:1. Method for the production of long products, including steelmaking in an electric furnace, metal production, out-of-furnace processing, continuous casting, hot rolling of a continuously cast billet and cooling, characterized in that the steel is smelted in the following ratio of components, wt.%: Углерод 0,17-0,34Carbon 0.17-0.34 Марганец 0,90-1,40Manganese 0.90-1.40 Кремний 0,01-0,20Silicon 0.01-0.20 Хром 0,005-0,40Chrome 0.005-0.40 Бор 0,0005-0,0050Boron 0.0005-0.0050 Титан 0,01-0,04Titanium 0.01-0.04 Сера 0,005-0,020Sulfur 0.005-0.020 Алюминий 0,02-0,06Aluminum 0.02-0.06 Кальций 0,001-0,010Calcium 0.001-0.010 Азот 0,005-0,015Nitrogen 0.005-0.015 Железо ОстальноеIron Else при выполнении соотношений N/(Ti+(0,5Al+10B)≤0,21, Ca/S≥0,065, где N - азот, Ti - титан, В - бор, Al - алюминий, Са - кальций, S - сера, горячую прокатку начинают при 950-900°С и заканчивают при 850-740°С со степенью деформации в последних проходах не менее 20%, затем проводят холодную деформацию калибровкой со степенью деформации 20-25% и сфероидизирующий отжиг путем скоростного нагрева в интервале температур А_с1+(10-30)°С регламентированного охлаждения в интервале температур 730-650°С и дальнейшего охлаждения в термокамере при температуре среды 100-200°С.when the ratios N / (Ti + (0.5Al + 10B) ≤0.21, Ca / S≥0.065, where N is nitrogen, Ti is titanium, B is boron, Al is aluminum, Ca is calcium, S is sulfur, hot rolling starts at 950-900 ° C and ends at 850-740 ° C with a degree of deformation in the last passes of at least 20%, then carry out cold deformation by calibration with a degree of deformation of 20-25% and spheroidizing annealing by high-speed heating in the temperature range A _c1 + (10-30) ° С of regulated cooling in the temperature range of 730-650 ° С and further cooling in a heat chamber at an ambient temperature of 100-200 ° С. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используются раскислители и легирующие элементы с низким содержанием азота.2. The method according to claim 1, characterized in that deoxidizers and alloying elements with a low nitrogen content are used. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что на стадии внепечной обработки осуществляют легирование бором и титаном в вакууматоре.3. The method according to claim 1, characterized in that at the stage of out-of-furnace treatment, alloying with boron and titanium is carried out in a vacuum. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при непрерывной разливке осуществляют защиту струи металла от контакта с воздухом.4. The method according to claim 1, characterized in that during continuous casting, the metal stream is protected from contact with air.