Сталь для холодної висадки і видавлювання

Сталь для холодної висадки і видавлювання, що містить вуглець, марганець, кремній, сірку, фосфор, хром, нікель, мідь, бор, кальцій, азот та залізо, яка відрізняється тим, що вона містить компоненти при такому співвідношенні, мас. %: вуглець 0,10-0,45 марганець 0,50-1,40 кремній 0,02-0,40 сірка не більше 0,035 фосфор не більше 0,035 хром 0,05-1,30 нікель не більше 0,25 мідь не більше 0,25 бор 0,005-0,015 кальцій 0,001-0,08 азот 0,002-0,012 залізо решта, при цьому вміст бору і азоту встановлюють, виходячи з наступного співвідношення: B æ kö = ç 1+ ÷ N è Nø де В - вміст бору, мас. %, N - вміст азоту, мас. %, k - коефіцієнт, що дорівнює 0,0025-0,0035. Винахід відноситься до металургії чорних металів. Зокрема до сталеплавильного виробництва і може бути використаним для виробництва високоміцного кріплення методом холодної висадки і видавлювання (холодного об'ємного штампування), зі специфічними вимогами, які пред'являються до матеріалів для його виготовлення. Відома сталь, яка містить залізо, вуглець, марганець, кремній, сірку, фосфор, хром, нікель, мідь, азот, кальцій і бор при такому співвідношенні вмісту компонентів, в % по масі: [1] вуглець 0,03-0,90; марганець 0,23-1,90; кремній 0,03-1,50; сірка 0,004-0,03; фосфор 0,005-0,04; хром 0,001-0,35 нікель 0,001-0,35 мідь 0,001-0,80 азот не більш 0,01 (19) UA (11) 82258 (13) C2 (21) a200603210 (22) 27.03.2006 (24) 25.03.2008 (46) 25.03.2008, Бюл.№ 6, 2008 рік (72) ПАРУСОВ ВОЛОДИМИР ВАСИЛЬОВИЧ, ПАРУСОВ ОЛЕГ ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA, ЧЕРНИЧЕНКО ВАЛЕНТИНА ГРИГОРІВНА, UA, ЖУЧКОВ СЕРГІЙ МИХАЙЛОВИЧ, UA, САВЬЮК ОЛЕКСАНДР МИКОЛАЙОВИЧ, ДЕРЕВЯНЧЕНКО ІГОР ВІТАЛІЙОВИЧ, СИЧКОВ ОЛЕКСАНДР БОРИСОВИЧ, ОЛЕЙНИК АНАТОЛІЙ АФАНАСІЙОВИЧ (73) ТОВАРИСТВО З ОБМЕЖЕНОЮ ВІДПОВІДАЛЬНІСТЮ "СПЕЦПРОМСТАЛЬ", ІНСТИТУТ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ ІМ. З.І. НЕКРАСОВА НАН УКРАЇНИ, UA (56) UA, 64834, C2, 15.032004 RU, 2124575, C1, 01.10.1999 JP, 2000178683, A, 27.06.2000 JP, 2005002385, A, 06.01.2005 SU, 1813120, A3, 30.04.1993 JP, 57104653, 29.06.1982 US, 5454887, 03.10.1995 Парусов В. В., Сычков А. В., Жигарев М. А., Нестеренко А. М., Парусов О. В. Освоение производства катанки и проволоки из микролегированной бором качественной углеродистой электростали, разлитой в заготовки малого сечения // Металлургия и горнорудная промышленность, 2000. - № 4. - С. 48 - 51 Парусов О. В., Узлов И. Г. Парусов В. В., Олейник 3 82258 4 бор 0,001-0,023 Завдання, розв'язуване винаходом, полягає в кальцій 0,0005-0,030 розробці складу сталі для виготовлення залізо решта високоміцного кріплення, який забезпечує Ця сталь призначена, в основному, для необхідне поєднання її технологічних виробництва металовиробів методом глибокого характеристик - технологічної пластичності і волочіння. прогартовуваності. Недоліком відомої сталі, є відсутність Технічний результат, що досягається при в регламенту вмісту в ній азоту. Наявність азоту в використанні винаходу, полягає в зниженні сталі викликає взаємодію його з бором, наслідком собівартості сталі для холодної висадки і чого є різке зниження прогартовуваності. Це видавлювання за рахунок виключення операцій обмежує можливості застосування такої сталі для вакуумування і легування та підвищення внаслідок виробництва високоміцного кріплення методом цього співвідношення ціна-якість. холодної висадки і видавлювання. Особливо це Вирішення поставленого завдання стосується сталей, які виплавляють в забезпечується тим, що сталь для холодної електропечах, оскільки для такого металу висадки і видавлювання, що містить залізо, характерний підвищений вміст азоту, водню і вуглець, марганець, кремній, сірку, фосфор, хром, кисню. При цьому, якщо видалення водню і кисню нікель, мідь, бор, кальцій і азот, містить з електросталі забезпечується її вакуумуванням, компоненти при такому співвідношенні, в % по то зниження концентрації азоту в ній зазначеним масі: методом поєднано з певними труднощами. вуглець 0,10-0,45; За прототип прийнята відома сталь, яка марганець 0,50-1,40; містить залізо, вуглець, марганець, кремній, сірку, кремній 0,02-0,40; фосфор, хром, нікель, мідь, азот, кальцій і бор при сірка не більше 0,035; такому співвідношенні вмісту компонентів, в % по фосфор не більше 0,035; масі: [2] хром 0,05-1,30; вуглець не більше 0,50; нікель не більше 0,25; марганець 1,0-2,0; мідь не більше 0,25; кремній не більше 0,50; бор 0,005-0,015; сірка не більше 0,02; кальцій 0,001-0,08 фосфор не більше 0,03; азот 0,002-0,012; хром не більше 0,10; залізо решта нікель не більше 0,10; при цьому вміст бору і азоту, в % по масі, мідь 0,2-0,8; установлюють виходячи зі співвідношення азот не більше 0,01; B é kù = 1+ кальцій 0,001-0,08; N ê Nú û ë бор 0,0005-0,005; де В - вміст бору, в % по масі; залізо решта N - вміст азоту, в % по масі; Недоліком прототипу є висока концентрація k - коефіцієнт, рівний 0,0025-0,0035. азоту в сталі, що обмежує можливості її Порівняння із прототипом, показує, що сталь застосування для виробництва високоміцного для холодної висадки і видавлювання, що кріплення методом холодної висадки і заявляється, відрізняється тим, що вона містить видавлювання. При значних концентраціях компоненти при такому співвідношенні, в % по вільного азоту в сталі і невеликих концентраціях масі: бору, відбувається зв'язування бору вільним вуглець 0,10-0,45; азотом, у результаті чого різко знижується марганець 0,50-1,40; прогартовуваність сталі. Низький вміст хрому і кремній 0,02-0,40; нікелю в сталі цього складу не забезпечує сірка не більше 0,035; необхідної у високоміцному кріпленні, фосфор не більше 0,035; виготовленому методом холодної висадки і хром 0,05-1,30; видавлювання, прогартовуваності металу. нікель не більше 0,25; Підвищення цієї технологічної характеристики мідь не більше 0,25; можливо за рахунок збільшення вмісту хрому, бор 0,005-0,015; нікелю або бору в сталі. Разом з тим відомо, що кальцій 0,001-0,08 борвмісні сталі при однаковій прогартовуваності з азот 0,002-0,012 хромонікельвмісними марками сталі менше залізо решта коштують і більш технологічні в процесі холодної при цьому вміст бору і азоту, в % по масі, висадки і видавлювання. Крім того, наявність установлюють виходячи зі співвідношення вільного азоту в сталі інтенсифікує процес, B é kù названий деформаційним старінням, наслідком = 1+ якого є погіршення пластичних властивостей N ê Nú ë û металу. де В - вміст бору, в % по масі; Зниження пластичності і прогартовуваності N - вміст азоту, в % по масі; металу приводить до збільшення відбраковування k - коефіцієнт, рівний 0,0025-0,0035. виробів, отриманих методом холодної висадки і Отже, склад сталі, що заявляється, відповідає видавлювання, що знижує техніко-економічні критерію «новизна». показники виробництва високоміцного кріплення. 5 82258 6 Порівняння з іншими технічними рішеннями в сірка не більше 0,035; даній галузі техніки виконане на підставі аналізу фосфор не більше 0,035; закордонних стандартів [ISO 4954, DIN 1654 і ін.], хром 0,05-1,30; показало, що відомі склади сталі різних марок, які нікель не більше 0,25; використовують для виготовлення кріпильних мідь не більше 0,25; виробів методом холодної висадки і бор 0,005-0,015; видавлювання, вміст основних легуючих кальцій 0,001-0,08 елементів у яких перебуває в таких діапазонах: азот 0,002-0,012 вуглець - 0,15-0,35, марганець - 0,5-1,4, хром - до залізо решта 0,65, кремній - не більше 0,1%, бор - до 0,005% [3, при цьому вміст бору і азоту, в % по масі, 4, 5, 6]. установлюють виходячи зі співвідношення Однак аналіз показав, що використання B é kù = 1+ відомих складів сталі не дозволяє вирішити N ê Nú ë û поставлене в технічному рішенні, що заявляється, де В - вміст бору, в % по масі; завдання, тому, що в сталі відомих складів N - вміст азоту, в % по масі; регламент вмісту мікродобавок бору не враховує k - коефіцієнт, рівний 0,0025-0,0035. взаємодії бору з вільним азотом у сталі з Виплавка сталі здійснюється таким чином. утворенням нітридів бору, які сприяють У конвертер або в електропіч завантажують здрібнюванню зерна і поліпшенню пластичних металошихту. Після закінчення завантаження в властивостей сталі. Крім того, наявність вільного конвертор подають через фурму кисень, а в азоту в сталі збільшує її схильність до електропіч опускають електроди і подають деформаційного старіння. Обмеження вмісту азоту електричний струм (можливе застосування в сталі відомих складів вимагає підвищених витрат пальників і кисневих фурм). За ходом процесу в на дегазацію сталі (вакуумування), що збільшує агрегати подають флюси (вапно, вапняк, витрати на її виробництво і погіршує плавиковий шпат та ін.). Процес виплавки сталі співвідношення ціна-якість у процесі її ведуть або до заданого вмісту вуглецю, або до виробництва. При вирішенні поставленого низького вмісту вуглецю з наступним завдання ураховувалася також можливість навуглецьовуванням металу в ковші. При випуску виплавки сталі хімічного складу, що заявляється, у сталі в ківш присаджують легуючі елементи стандартних сталеплавильних агрегатах, а також (феросплави). Видалення фосфору здійснюють, як технологічність її перероблення на різних етапах правило, у сталеплавильних агрегатах, видалення металургійної переробки - при виплавці, обробці сірки - на установці піч-ківш. На цій же стадії тиском у прокатній переробці і промисловості здійснюється остаточне доведення металу за металевих виробів, термомеханічній і термічній складом і температурою. Отриману сталь обробці. Такий підхід значною мірою вирішує розливають або в злитки, або на машинах завдання забезпечення оптимального безперервного лиття (МБЛЗ) у заготовки. співвідношення ціна-якість при виробництві зі сталі Для підвищення міцністних, пластичних і високоміцного кріплення методом холодної в'язких властивостей, а також збільшення висадки і видавлювання при гарантованому прогартовуваності сталі для виготовлення необхідному комплексі його властивостей. високоміцних кріпильних виробів її одночасно Зазначені обставини забезпечують складу сталі, легують карбідоі некарбідоутворюючими що заявляється, відповідність критерію елементами. Тому до складу сталі, що «винахідницький рівень». заявляється, входять використовувані для цих З урахуванням зазначених обставин, цілей марганець і хром у зазначених діапазонах запропонована сталь для виробництва зміни їхнього вмісту. Діапазони зміни вмісту високоміцного кріплення методом холодної вуглецю, кремнію, нікелю, міді, сірки і фосфору в висадки і видавлювання може бути виплавлена в сталі, що заявляється, також обумовлені будь-яких сталеплавильних агрегатах. При її необхідністю забезпечення потрібних міцністних і виплавці із застосуванням киснево-конвертерного пластичних властивостей металу. Вміст вуглецю, процесу металошихта складається з 20-25% кремнію, марганцю, хрому вище діапазонів, що металобрухту і 75-80% рідкого чавуну. Для умов заявляються, приведе до значного зміцнення електросталеплавильного цеху, склад прокату, що вимагає проведення зм'якшувального металошихти містить 70-90% металобрухту і 10відпалу перед холодним висадженням кріпильних 30% твердого чавуну. При виплавці сталі, що виробів. заявляється, у якості сталі-супутника якісної сталі, Зниження вмісту цих елементів нижче у складі металошихти можливе використання 30діапазонів, що заявляються, приведе до 100% металізованих окатишів і до 70% підвищення пластичних властивостей прокату, металобрухту, чистого від домішок кольорових однак при цьому знизяться міцністні металів. характеристики готових кріпильних виробів. Сталь, що заявляється, містить вуглець, Зменшення вмісту сірки, фосфору, нікелю і міді за марганець, кремній, сірку, фосфор, хром, нікель, межі діапазонів, що заявляються, поєднано зі мідь, бор, кальцій і азот при такому співвідношенні значними технологічними труднощами, що компонентів, в % по масі: приводять до зростання витрат на виробництво вуглець 0,10-0,45; металу більш чистого по домішках без істотного марганець 0,50-1,40; підвищення його технологічних характеристик, що кремній 0,02-0,40; 7 82258 8 збільшує собівартість прокату і погіршує значення цього коефіцієнта більше 0,0035 може співвідношення ціна-якість, а збільшення їхнього привести до надлишку вільного (незв'язаного) вмісту приводить до значного зниження якості. бору в сталі, що викликає ефект окрихчування. Наявність кальцію в межах, що заявляється, Зниження k менш 0,0025 не забезпечить дозволяє зробити практично повне розкислення зв'язування всієї кількості азоту у діапазонах його сталі і забезпечити модифікування неметалічних вмісту, що заявляються, що збільшить схильність включень. При вмісті кальцію менше 0,001% металу до деформаційного старіння. ефективність його впливу на розкислення і Діапазон зміни співвідношення бору і азот у модифікування сталі різко зменшується, а (В/N) був установлений розрахунково-аналітичним збільшення його вмісту вище 0,08% економічно (максимальні значення, В/N=2,75) і необгрунтовано, оскільки не приводить до експериментальним (мінімальні значення, помітного підвищення якості. В/N=1,20) шляхами. Максимальні значення B/N Найбільш важливим аспектом, що визначає можуть мати місце при низьких значеннях вмісту оптимальне сполучення технологічних азоту в сталі, що в умовах виробництва поєднано характеристик сталі, відповідно до вимог, які зі значними труднощами. Мінімальні значення В/N, пред'являються до матеріалів для виготовлення встановлені експериментальним шляхом, мають високоміцного кріплення методами холодної місце при підвищених значеннях вмісту азоту в висадки і видавлювання, є співвідношення вмісту в сталі. ній бору (В) і азоту (N). Наявність бору в сталі в Для визначення оптимальних значень концентраціях, що заявляються, сприяє співвідношення В/N були проведені дослідні і підвищенню прогартовуваності сталі до рівня, що промислові експерименти з виробництва прокату і відповідає вимогам, які пред'являються до високоміцного кріплення із сталі, що заявляється. матеріалів для виготовлення високоміцного Дослідження проводилися на сталі 20Г2Р кріплення методами холодної висадки і аналогу сталі 20CEBG2 (ISO 4954), хімічний склад видавлювання. Крім того, у цьому випадку бор, якої входить у діапазони вмісту елементів сталі що взаємодіючи з азотом у сталі, утворює нітриди заявляється. У процесі проведення досліджень, бору, які сприяють здрібнюванню зерна і виконаних на СЗАТ «Молдавський металургійний поліпшенню пластичних властивостей сталі, завод» (ММЗ), варіювалося співвідношення вмісту зменшенню її схильності до деформаційного в ній бору і азоту. Технологічний комплекс старіння. устаткування СЗАТ «ММЗ» складається з Межі вмісту азоту в сталі, що заявляється, електросталеплавильної печі, вакууматора, охоплюють граничні концентрації його при всіх установки позапічної обробки сталі, систем відомих способах виплавки і рафінування сталей захисту струменя і електромагнітного [7]. перемішування сталі (ЕМП), машини При концентрації бору нижче заявленого безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), сучасного значення не забезпечується необхідна дрібносортного дротового стана 320/150 і лінії прогартовуваність сталі, а при концентрації бору Стелмор. вище заявленого значення знижується У таблиці наведені окремі результати пластичність сталі. експериментальних досліджень, на підставі яких При цьому на характеристики були визначені оптимальні значення В/N для цієї прогартовуваності сталі, впливає не загальна марки сталі і установлена нижня межа діапазону концентрація бору в сталі, а вміст незв'язаного зміни співвідношення В/N для сталі складу, що («ефективного») бору, що перебуває у твердому заявляється. розчині. Мінімальний ефект прогартовуваності сталі досягається при 0,0010% «ефективного» бору, загальний вміст якого може при цьому коливатися в широких межах і багато в чому Хімічний склад дослідних плавок сталі 20Г2Р, розлитих в з залежати від вмісту в ній азоту. При цьому надлишок вільного (незв'язаного) бору викликає №№ Хімічний склад сталі, ефект окрихчування сталі. Аналіз показав, що плавок С Μn Si Сr Ni Ρ´10 S´10 співвідношення бору і азоту (В/N) при 1 0,21 0,98 0,21 0,18 0,05 0,09 0,10 максимальних і мінімальних значеннях вмісту цих 2 0,24 1,00 0,17 0,11 0,05 0,04 0,08 елементів у сталі повинне перебувати в межах 3 0,23 1,17 0,22 0,18 0,07 0,07 0,14 1,20-2,75, а власне вміст бору і азоту в % по масі 4 0,25 1,14 0,16 0,15 0,12 0,05 0,14 варто встановлювати виходячи зі співвідношення 5 0,26 1,24 0,22 0,17 0,09 0,09 0,12 B é kù = ê1 + ú 6 0,23 1,21 0,18 0,16 0,08 0,09 0,11 N ë Nû 7 0,24 1,18 0,17 0,14 0,09 0,06 0,11 де В - вміст бору, в % по масі; 8 0,24 1,23 0,17 0,15 0,10 0,05 0,10 Ν - вміст азоту, в % по масі; 9 0,23 1,22 0,19 0,13 0,16 0,04 0,09 k - коефіцієнт, рівний 0,0025-0,0035. 10 0,23 1,24 0,19 0,14 0,05 0,05 0,09 При цьому вміст бору в сталі визначається не тільки кількістю азоту, але і необхідністю З таблиці видно, що в плавках 1, 2 і 8 значення забезпечення необхідної прогартовуваності Β/Ν нижче діапазону, що заявляється. Метал цих металу (HRC - не менш 37). Це враховується плавок, у яких при високому вмісті азоту була коефіцієнтом k, рівним 0,0025-0,0035. Збільшення недостатня кількість бору, не забезпечував 9 82258 10 відповідності нормам прогартовуваноті (твердість сталей и химический состав (по плавочному анализу). Стр.37.  HRC 37). При цьому, як показали результати 5. Стандарт DIN 1654, часть 4. Сталь для дослідних і промислових експериментів з холодной высадки и холодного выдавливания. виготовлення високоміцного кріплення із цього Таблица 2. химический состав (анализ плавки). металу в умовах ВАТ «Завод Красная Этна» Стр.7. (Нижній Новгород), низькі значення Β/Ν при 6. Разработка микролегированных високому вмісті азоту і низькому вмісті бору борсодержащих сталей для производства збільшували схильність металу до высокопрочных крепежных изделий. /О.В. деформаційного старіння через наявність азоту в Парусов, И.Г. Узлов, В.В. Парусов и др. сталі. Метал інших плавок задовольняв вимогам, //Металлургическая и горнорудная які пред'являються до матеріалів для промышленность. -1998.- №1.- С.49-50. виготовлення високоміцного кріплення методом 7. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев холодної висадки і видавлювання. A.M. Общая металлургия. -М.: Металлургия. -1979. На підставі результатів досліджень із -488с. урахуванням даних про прогартовуваність прокату з дослідних плавок сталі 20Г2Р і гарантованого забезпечення норм прогартовуваності (твердість  HRC 37) при промисловому виробництві були розроблені рекомендації, що передбачають коректування хімічного складу цієї марки сталі, зокрема: вміст бору повинен бути в межах 0,0050,015%, причому вміст його повинен бути більше вмісту азоту і визначатися, виходячи зі співвідношення, що заявляється. B é kù = 1+ N ê Nú û ë Таким чином, результати досліджень показали, що співвідношення хімічних елементів у сталі, що заявляється, забезпечує необхідні прогартовуваність і пластичність. При цьому врахована взаємодія бору з азотом у сталі з утворенням нітридів бору, що сприяють здрібнюванню зерна і поліпшенню пластичних властивостей сталі для виготовлення високоміцного кріплення методами холодної висадки і видавлювання, і зменшенню схильності до деформаційного старіння в процесі виробництва сталі на типових металургійних підприємствах, що випускають продукцію масового марочного сортаменту. Зазначена обставина свідчить про те, що використання сталі запропонованого складу у виробництві високоміцного кріплення методами холодної висадки і видавлювання забезпечує вирішення поставленого завдання при оптимальному співвідношенні ціна-якість і досягненні технічного результату, що заявляється. Джерела інформації. 1. Патент №64834 (Україна), МПК7 С22С38/54, С22С38/32. Сталь для глибокого волочіння. Заявлено 14.08.2001.- Опубліковано 5.03.2004.Бюл. №3. 2. Патент Японии по заявке №59-45753. Изобретения стран мира, М.: ВНИИПИ, 1985, №6, с.34 - прототип. 3. Освоение производства катанки и проволоки из микролегированной бором качественной углеродистой электростали, разлитой в заготовки малого сечения. /В.В. Парусов, А.Б. Сычков, A.M. Нестеренко й др. //Металлургическая и горонорудная промышленность. -2000.- №4.- С.48-51. 4. Стандарт ISO 4954. Сталь для холодной высадки и холодной экструзии. Таблица 16. Типы