RU2363753C1 - Low-alloy boron steel of high treatability - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to ferrous metallurgy, particularly to manufacturing of boron steel, used for manufacturing of components in automobile industry, including for manufacturing of components of type toothed wheel of gearboxes, components of undercarriage of tractors and automobiles of heavy payload. Steel is smelted with usage of metallised pellets and contains carbon, manganese, silicon, sulphur, chrome, boron, nickel, molybdenum, aluminium, nitrogen, calcium, oxygen, tin, titanium, iron and unavoidable admixtures, at following ratio wt %: carbon 0.14 - 0.23, manganese 0.90 - 1.40, silicon 0.15 - 0.40, sulphur 0.020 - 0.035, chrome 0.90 - 1.40, nickel 0.15 - 0.35, molybdenum 0.05 - 0.12, aluminium 0.02 - 0.05, nitrogen 0.005 - 0.015, calcium 0.0004 - 0.0050, boron 0.001 - 0.003, oxygen ≤ 0.0025, tin ≤ 0.025, titanium ≤ 0.005, iron and unavoidable admixtures are the rest. Overall content of manganese, chrome, nickel and molybdenum is 2.50 - 3.05. In the capacity of unavoidable admixtures steel contains phosphorus not more than 0.025 wt % and copper not more than 0.15 wt %.

EFFECT: there are increased characteristics of steel hardenability, improved treatability and reduced distortion at thermal treatment, that provides guaranteed level of consumer properties of products.

2 cl

Description

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к производству сталей повышенной прокаливаемости и обрабатываемости, используемых для производства ответственных деталей автомобилей.The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to the production of steels of high hardenability and machinability used for the production of critical automobile parts.

Известна сталь, содержащая, мас.%:Known steel containing, wt.%:

Углерод 0,18-0,23Carbon 0.18-0.23

Кремний 0,17-0,37Silicon 0.17-0.37

Марганец 0,80-1,10Manganese 0.80-1.10

Хром 0,80-1,10Chrome 0.80-1.10

Никель 0,80-1,10Nickel 0.80-1.10

Молибден 0,20-0,30Molybdenum 0.20-0.30

Титан 0,03-0,09Titanium 0.03-0.09

Сера 0,015-0,035Sulfur 0.015-0.035

Фосфор ≤0,025Phosphorus ≤0.025

Медь ≤0,20Copper ≤0.20

Железо - остальное,Iron is the rest

предназначенная для изготовления тяжелонагруженных шестерен автомобилей («Прокат сортовой из стали марки 20ХГНМТА, предназначенный для изготовления тяжелонагруженных шестерен автомобилей», ТУ 14-1-5509-2005).Designed for the manufacture of heavily loaded gears of automobiles ("Rolled steel bar 20KhGNMTA, designed for the manufacture of heavily loaded gears of automobiles, TU 14-1-5509-2005).

Недостатком данной стали является низкий уровень сопротивления ударным нагрузкам.The disadvantage of this steel is the low level of resistance to shock loads.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является сталь 16MnCrB5 повышенной обрабатываемости, содержащая, мас.%:The closest in technical essence and the achieved result is steel 16MnCrB5 high machinability, containing, wt.%:

Углерод 0,14-0,19Carbon 0.14-0.19

Кремний ≤0,40Silicon ≤0.40

Марганец 1,00-1,30Manganese 1.00-1.30

Фосфор ≤0,035Phosphorus ≤0.035

Сера ≤0,035Sulfur ≤0.035

Хром 0,80-1,10Chrome 0.80-1.10

Бор 0,0008-0,005Boron 0.0008-0.005

Железо - остальноеIron - the rest

(Науглероживаемые стали. Европейский стандарт EN 10084:1998).(Carburized steels. European standard EN 10084: 1998).

В следствие того что не учтено влияние никеля, молибдена, азота, не достигается требуемый уровень прочностных характеристик и прокаливаемости. В стали марки 16MnCrB5 не регламентировано содержание алюминия, что может привести к короблению готовых изделий при химико-термической обработке, что в промышленных условиях является критичным.Due to the fact that the influence of nickel, molybdenum, nitrogen is not taken into account, the required level of strength characteristics and hardenability is not achieved. In the steel grade 16MnCrB5 aluminum content is not regulated, which can lead to warping of finished products during chemical-thermal treatment, which is critical in industrial conditions.

Техническим результатом изобретения является повышение характеристик прокаливаемости стали, улучшение обрабатываемости, снижение коробления при термической обработке, увеличение сопротивления ударным нагрузкам, что позволит обеспечить гарантированный уровень потребительских свойств изделий.The technical result of the invention is to increase the hardenability characteristics of steel, improve workability, reduce warpage during heat treatment, increase resistance to impact loads, which will ensure a guaranteed level of consumer properties of products.

Для достижения поставленного результата предложена сталь, содержащая, мас.%:To achieve the result, a steel containing, wt.%:

Углерод 0,14-0,23Carbon 0.14-0.23

Марганец 0,9-1,40Manganese 0.9-1.40

Кремний 0,15-0,40Silicon 0.15-0.40

Сера 0,020-0,035Sulfur 0.020-0.035

Хром 0,90-1,40Chrome 0.90-1.40

Никель 0,15-0,35Nickel 0.15-0.35

Молибден 0,05-0,12Molybdenum 0.05-0.12

Алюминий 0,02-0,05Aluminum 0.02-0.05

Азот 0,005-0,015Nitrogen 0.005-0.015

Кальций 0,0004-0,0050Calcium 0.0004-0.0050

Бор 0,001-0,003Boron 0.001-0.003

Кислород ≤0,0025Oxygen ≤0.0025

Олово ≤0,025Tin ≤0.025

Титан ≤0,005Titanium ≤0.005

Железо и неизбежные примеси - остальное,Iron and unavoidable impurities are the rest,

причем суммарное содержание марганца, хрома, никеля и молибдена находится в пределах 2,50-3,05%. В качестве примесей сталь регламентировано содержит фосфор ≤0,025% и медь ≤0,15%.moreover, the total content of manganese, chromium, nickel and molybdenum is in the range of 2.50-3.05%. As impurities, regulated steel contains phosphorus ≤0.025% and copper ≤0.15%.

Выбранное соотношение компонентов определяется следующими факторами.The selected ratio of the components is determined by the following factors.

Углерод - основной элемент в стали, определяющий ее прочностные и эксплуатационные характеристики. Нижний предел 0,14% определен необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности данной стали после термической обработки, верхний предел 0,23% обусловлен необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали.Carbon is the main element in steel that determines its strength and performance characteristics. The lower limit of 0.14% is determined by the need to provide the required level of strength of this steel after heat treatment, the upper limit of 0.23% is due to the need to ensure the required level of ductility of steel.

Марганец вводят в композицию с целью обеспечения прокаливаемости, прочностных характеристик, необходимой глубины цементованного слоя и ударной вязкости. При этом верхний уровень содержания марганца 1,40% определяется необходимостью обеспечения необходимого уровня пластичности, глубины цементованного слоя и ударной вязкости, а нижний - (соответственно 0,90%), необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности готовых изделий и прокаливаемости стали. Марганец в пределах 0,90-1,40% обеспечивает необходимую раскисленность борсодержащей стали, а также усиливает воздействие бора на устойчивость переохлажденного аустенита.Manganese is introduced into the composition in order to ensure hardenability, strength characteristics, the required depth of the cemented layer and impact strength. In this case, the upper level of the manganese content of 1.40% is determined by the need to ensure the necessary level of ductility, the depth of the cemented layer and the toughness, and the lower (respectively 0.90%), the need to provide the required level of strength of the finished products and hardenability of steel. Manganese in the range of 0.90-1.40% provides the necessary deoxidation of boron-containing steel, and also enhances the effect of boron on the stability of supercooled austenite.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию 0,15% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0,40% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.Silicon refers to ferrite-forming elements. The lower silicon limit of 0.15% is due to steel deoxidation technology. A silicon content above 0.40% will adversely affect the ductility characteristics of steel.

Сера и кальций определяют уровень обрабатываемости стали. Нижний предел по кальцию и сере (0,020% и 0,0004% соответственно) обусловлен необходимостью получения оптимальной обрабатываемости стали, а верхний предел (0,035% и 0,0050% соответственно) - вопросами технологичности производства и для исключения повышенной загрязненности металла неметаллическими включениями.Sulfur and calcium determine the level of steel workability. The lower limit for calcium and sulfur (0.020% and 0.0004%, respectively) is due to the need to obtain the optimum machinability of steel, and the upper limit (0.035% and 0.0050%, respectively) is due to issues of manufacturability and to exclude increased metal contamination by non-metallic inclusions.

Хром, никель и молибден используются, 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 указанных элементов (соответственно 1,40% Сr, 0,12% Мо, 0,35% Ni) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали и ударной вязкости, а нижний (соответственно 0,90% Сr, 0,05% Мо. 0,15% Ni) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности готовых изделий и прокаливаемости стали. Для уменьшения карбидов в цементованном слое в предложенную сталь добавляют никель в количестве 0,15-0,35%.Chrome, nickel and molybdenum 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 these elements (respectively 1.40% Cr, 0.12% Mo, 0.35% Ni) is determined by the need to ensure the required level of ductility of steel and toughness, and the lower (respectively 0.90% Cr, 0, 05% Mo. 0.15% Ni) - the need to provide the required level of strength of finished products and hardenability of steel. To reduce carbides in the cemented layer, nickel in an amount of 0.15-0.35% is added to the proposed steel.

Хром в пределах 0,90-1,40% в сочетании с бором в пределах 0,001-0,003% обеспечивает глубокую прокаливаемость и высокую пластичность стали при термообработке.Chrome in the range of 0.90-1.40% in combination with boron in the range of 0.001-0.003% provides deep hardenability and high ductility of steel during heat treatment.

Хром в пределах 0,90-1,40% в сочетании с марганцем в пределах 0,90-1,40% обеспечивает существенное повышение предела текучести и предела прочности.Chromium in the range of 0.90-1.40% in combination with manganese in the range of 0.90-1.40% provides a significant increase in yield strength and tensile strength.

Композиция хрома с молибденом (хром 0,90-1,40%; молибден 0,05-0,12%) резко снижает уровень отпускной хрупкости.The composition of chromium with molybdenum (chromium 0.90-1.40%; molybdenum 0.05-0.12%) sharply reduces the level of temper brittleness.

Бор вводят в сталь для увеличения ее прокаливаемости, обеспечения оптимальных свойств по всему сечению деталей и существенного увеличения пластических и вязких характеристик стали в высокопрочном состоянии. Регламентированный верхний предел содержания бора (0,003%) определен из соображений получения минимального коробления изделий - при содержании бора более 0,003% выделяется избыточная бористая фаза, охрупчивающая сталь. Нижний предел (0,001%) оптимален для обеспечения требуемого уровня прокаливаемости.Boron is introduced into steel to increase its hardenability, to ensure optimum properties over the entire cross section of parts, and to significantly increase the plastic and viscous characteristics of steel in a high-strength state. The regulated upper limit of boron content (0.003%) is determined from the considerations of obtaining minimal warpage of products - when the boron content is more than 0.003%, an excess boron phase is emitted, embrittling steel. The lower limit (0.001%) is optimal to provide the required level of hardenability.

Алюминий используется в качестве раскислителя и обеспечивает защиту от роста зерна при термической обработке. Нижний уровень содержания (0,02%) определяется требованием обеспечения мелкозернистой стали, а верхний уровень (0,05%) вопросами технологичности производства.Aluminum is used as a deoxidizer and provides protection against grain growth during heat treatment. The lower level of content (0.02%) is determined by the requirement to provide fine-grained steel, and the upper level (0.05%) by issues of manufacturability.

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. Алюминий в сочетании с азотом в регламентируемых пределах за счет образования высокодисперсных нитридов позволяют получить природно-мелкозернистую сталь.Nitrogen is an element involved in the formation of carbonitrides, while the lower level of its content of 0.005% is determined by the requirement to ensure a given level of strength, and the upper level is 0.015% by the requirement to ensure a given level of ductility and hardenability. Aluminum in combination with nitrogen within the regulated limits due to the formation of finely dispersed nitrides make it possible to obtain naturally fine-grained steel.

Титан является сильным карбонитридообразующим элементом. Регламентированный верхний предел по содержанию титана 0,005% позволяет увеличить срок эксплуатации изделий за счет получения оптимального сопротивления ударным нагрузкам.Titanium is a strong carbonitride forming element. The regulated upper limit on the titanium content of 0.005% allows to increase the service life of products by obtaining optimal resistance to shock loads.

Максимально регламентированное содержание кислорода (≤0,0025) в представленной композиции обеспечивает получение чистой стали по загрязненности неметаллическими включениями - K4(O)<15, что позволяет дополнительно увеличить эксплуатационный ресурс шестерен.The maximum regulated oxygen content (≤0.0025) in the presented composition ensures the production of pure steel by contamination with non-metallic inclusions - K4 (O) <15, which allows to further increase the service life of gears.

Содержание олова ≤0,025% позволяет обеспечить в предлагаемой стали пониженную чувствительность к образованию усталостных трещин. Более высокое содержание олова приводит к образованию термических трещин при прокатке.The tin content of ≤0.025% allows to provide in the proposed steel a reduced sensitivity to the formation of fatigue cracks. A higher tin content leads to the formation of thermal cracks during rolling.

Нормирование суммы марганца, хрома, никеля и молибдена в диапазоне 2,50-3,05% позволяет увеличить уровень прокаливаемости стали и обеспечить наиболее оптимальные эксплуатационные характеристики изделия.The normalization of the sum of manganese, chromium, nickel and molybdenum in the range of 2.50-3.05% allows to increase the hardenability of steel and to provide the most optimal performance characteristics of the product.

Предлагаемое соотношение элементов в стали найдено экспериментальным путем и является оптимальным, поскольку позволяет получить комплексный технический эффект. При нарушении соотношения элементов ухудшаются свойства стали, наблюдается их нестабильность и эффект не достигается.The proposed ratio of elements in steel was found experimentally and is optimal, since it allows you to get a comprehensive technical effect. If the ratio of elements is violated, the properties of steel deteriorate, their instability is observed and the effect is not achieved.

Для получения предложенной стали по остаточным элементам и примесям применен высокотехнологичный метод использования при выплавке стали металлизованных окатышей, получаемых прямым восстановлением железа из руды, тем самым обеспечивается максимальное снижение влияния остаточных элементов и примесей на эксплуатационные свойства стали.To obtain the proposed steel for residual elements and impurities, a high-tech method was used to use metallized pellets obtained by direct reduction of iron from ore in steel smelting, thereby minimizing the effect of residual elements and impurities on the operational properties of steel.

Дан пример осуществления предлагаемого изобретения.An example of the implementation of the invention is given.

Выплавку стали, содержащей углерод 0,17%, кремний 0,25%, марганец 1,25%, хром 1,20%, никель 0,25%, молибден 0,07%, сера 0,028%, алюминий 0,032%, азот 0,011%, кальций 0,0015%, бор 0,002, кислород 0,0015, олово 0,015, титан 0,003 производят в 150-тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) с использованием в шихте металлизованных окатышей, что обеспечивает получение низкого содержания цветных примесей. Предварительное легирование металла марганцем, кремнием, хромом, молибденом и никелем производят в ковше при выпуске из ДСП. После выпуска производят продувку аргоном через донный продувочный блок, во время которой сталь раскисляют алюминием. Далее сталь вакуумируют на вакууматоре циркуляционного типа. Металл поступает на агрегат комплексной обработки стали (АКОС), на котором металл нагревают до необходимой температуры, продувают аргоном через донный продувочный блок, делают дозированные присадки необходимых ферросплавов и обработку стали порошковой проволокой с различными наполнителями. На АКОСе производится наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, раскисление шлака гранулированным алюминием в количестве 30 килограмм на каждые 100 миллиметров шлака. Перед передачей плавки на разливку, после доводки по всем элементам, содержание алюминия в металле корректируют по расчету на 0,020%, после чего производят обработку плавки силикокальцием и окончательное легирование алюминием и серой. Разливку производят на четырехручьевых МНЛЗ радиального типа в слиток размером 300×360 со скоростью вытягивания 0,5-0,6 м/мин. Защиту металла от вторичного окисления осуществляют путем использования покровных шлаковых смесей в промежуточном ковше и кристаллизаторе, защитных труб и погружных стаканов. После разливки и пореза на мерную длину полученные непрерывнолитые заготовки охлаждают в печах регулируемого охлаждения.Smelting of steel containing carbon 0.17%, silicon 0.25%, manganese 1.25%, chromium 1.20%, nickel 0.25%, molybdenum 0.07%, sulfur 0.028%, aluminum 0.032%, nitrogen 0.011 %, calcium 0.0015%, boron 0.002, oxygen 0.0015, tin 0.015, titanium 0.003 are produced in 150-ton arc steel-smelting furnaces (DSP) using metallized pellets in the charge, which ensures a low content of color impurities. The preliminary alloying of the metal with manganese, silicon, chromium, molybdenum and nickel is carried out in the ladle upon discharge from the particleboard. After release, argon is purged through the bottom purge unit, during which the steel is deoxidized with aluminum. Next, the steel is evacuated on a circulating type vacuum. The metal enters the integrated steel processing unit (AKOS), on which the metal is heated to the required temperature, purged with argon through the bottom blowing unit, the dosed additives of the necessary ferroalloys are made, and the steel is treated with flux-cored wire with various fillers. At AKOS, refining slag is induced with an additive of lime and fluorspar, slag is deoxidized with granulated aluminum in an amount of 30 kilograms for every 100 millimeters of slag. Before transferring the smelting to casting, after fine-tuning all the elements, the aluminum content in the metal is adjusted by calculation to 0.020%, after which the smelting is processed with silicocalcium and the final alloying with aluminum and sulfur. Casting is carried out on four-strand continuous casting caster of radial type into an ingot 300 × 360 in size with a drawing speed of 0.5-0.6 m / min. The protection of the metal from secondary oxidation is carried out by using cover slag mixtures in the intermediate ladle and mold, protective tubes and immersion glasses. After casting and cutting to a measured length, the continuously cast billets obtained are cooled in controlled cooling furnaces.

Таким образом, предлагаемый состав стали обеспечивает стабильность свойств при термической обработке и позволяет получить изделия с заданным уровнем эксплуатационных характеристик.Thus, the proposed steel composition provides stability of properties during heat treatment and allows to obtain products with a given level of operational characteristics.

Claims (2)

1. Низколегированная борсодержащая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, серу, хром, бор, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она выплавлена с использованием металлизованных окатышей и дополнительно содержит никель, молибден, алюминий, азот, кальций, кислород, олово и титан при следующем регламентированном соотношении элементов, мас.%:
углерод 0,14-0,23 марганец 0,9-1,40 кремний 0,15-0,40 сера 0,020-0,035 хром 0,90-1,40 никель 0,15-0,35 молибден 0,05-0,12 алюминий 0,02-0,05 азот 0,005-0,015 кальций 0,0004-0,0050 бор 0,001-0,003 кислород ≤0,0025 олово ≤0,025 титан ≤0,005 железо и неизбежные примеси остальное
при этом суммарное содержание марганца, хрома, никеля и молибдена находится в пределах 2,50-3,05 мас.%.1. Low-alloy boron steel containing carbon, manganese, silicon, sulfur, chromium, boron, iron and inevitable impurities, characterized in that it is smelted using metallized pellets and additionally contains nickel, molybdenum, aluminum, nitrogen, calcium, oxygen, tin and titanium in the following regulated ratio of elements, wt.%:
carbon 0.14-0.23 manganese 0.9-1.40 silicon 0.15-0.40 sulfur 0,020-0,035 chromium 0.90-1.40 nickel 0.15-0.35 molybdenum 0.05-0.12 aluminum 0.02-0.05 nitrogen 0.005-0.015 calcium 0.0004-0.0050 boron 0.001-0.003 oxygen ≤0.0025 tin ≤0.025 titanium ≤0.005 iron and inevitable impurities rest
while the total content of manganese, chromium, nickel and molybdenum is in the range of 2.50-3.05 wt.%. 2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве неизбежных примесей она содержит фосфор не более 0,025% и медь не более 0,15%. 2. Steel according to claim 1, characterized in that as inevitable impurities it contains phosphorus not more than 0.025% and copper not more than 0.15%.