Сталь для глибокого волочіння

Реферат: Винахід належить до галузі чорної металургії, зокрема до складу сталі для глибокого волочіння, і може бути використаний, переважно, для виготовлення дроту і канатів, зі специфічними вимогами, що пред'являються до матеріалів для їх виготовлення. Сталь містить вуглець, марганець, кремній, сірку, фосфор, хром, нікель, мідь, бор, азот, залізо, при цьому хімічні елементи її складу взяті в наступному співвідношенні, мас. %: вуглець 0,03-0,95 марганець 0,30-0,80 кремній 0,10-0,30 сірка не більше 0,020 фосфор не більше 0,020 хром 0,05-0,15 нікель 0,05-0,25 мідь 0,05-0,25 бор 0,001-0,008 азот 0,003-0,012 алізо решта, UA 103113 C2 (12) UA 103113 C2 причому вміст бору, азоту і вуглецю встановлюють, виходячи зі співвідношення: B / N  0,82  0,74  C  0,1 , де B - вміст бору, мас. %, N - вміст загального азоту, мас. %, C - вміст вуглецю, мас. %. Винахід забезпечує підвищення механічних (міцність, пластичність) та технологічних (зменшення обривів дроту під час волочіння, здатності деформаційного старіння) властивостей виробів - дроту, канатів з цієї сталі. UA 103113 C2 5 Винахід належить до галузі чорної металургії, зокрема до сталеплавильного виробництва, і може бути використаним, переважно, для виготовлення катанки, дроту і канатів, зі специфічними вимогами, що пред'являються до цих матеріалів. Відома сталь, що містить залізо, вуглець, марганець, кремній, сірку, фосфор, хром, нікель, мідь, азот, кальцій та бор при такому співвідношенні вмісту компонентів, мас. % [1]: вуглець марганець кремній сірка фосфор хром нікель мідь азот кальцій бор залізо 10 15 20 25 30 35 не більше 0,50 1,0-2,0 не більше 0,50 не більше 0,02 не більше 0,03 не більше 1,0 не більше 1,0 0,2-0,8 не більше 0,01 0,001-0,08 0,0005-0,005 решта. Недоліком відомої сталі є висока концентрація в ній азоту, що підвищує її схильність до деформаційного старіння і, тим самим, погіршує пластичні властивості металу. Це обмежує можливості застосування сталі зазначеного хімічного складу як сталі для глибокого волочіння, призначеної для виготовлення дроту і канатів, специфіка виробництва і експлуатація яких висуває підвищені вимоги до матеріалів для їх виготовлення. Крім того, низький вміст вуглецю в цій сталі, обмежений 0,50 мас. %, а також розширені діапазони вмісту таких елементів, як марганець і кремній, знижують комплекс фізико-механічних і технологічних властивостей катанки і експлуатаційних характеристик продукції виробництва металовиробів відповідального призначення, що виготовляється з такої катанки, зокрема, дроту і канатів. За найближчий аналог прийнята відома сталь, що містить вуглець, марганець, кремній, сірку, фосфор, хром, нікель, мідь, кальцій, бор і залізо при такому співвідношенні вмісту компонентів, мас. % [2]: 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 бор 0,001-0,023 кальцій 0,0005-0,030 залізо решта. У цій сталі присутній азот, котрий потрапляє в сталь під час виплавки. Азот перебуває в сталі у вигляді неметалевих включень (нітридів) та/або у вільному стані, розміщуючись у дефектах. Недоліком найближчого аналога є відсутність регламентованого вмісту в ній азоту, високі концентрації якого в сталі у вільному стані підвищують її схильність до деформаційного старіння, наслідком чого є погіршення пластичних властивостей металу. Зменшення схильності металу до деформаційного старіння можливо за рахунок збільшення вмісту як хрому, нікелю, так і бору в сталі. Разом з тим, відомо, що збільшення вмісту хрому і нікелю в сталі знижує комплекс фізико-механічних і технологічних властивостей катанки і експлуатаційних характеристик продукції виробництва металовиробів відповідального призначення, що виготовляється з такої катанки, зокрема дроту і канатів. Зниження комплексу фізико-механічних і технологічних властивостей катанки зі сталі, яка прийнята за найближчий аналог, обумовлено також високими концентраціями марганцю, кремнію, хрому, нікелю і міді, що не дозволяє використовувати її для виробництва дроту і канатів, так як при цьому знижується технікоекономічні показники виготовлених виробів з неї. Задача, яка вирішується винаходом, полягає в розробці складу сталі для глибокого волочіння для виготовлення дроту і канатів, що забезпечує необхідний комплекс фізико 1 UA 103113 C2 5 10 механічних і технологічних властивостей катанки для поліпшення пластичних властивостей сталі і зменшення її схильності до деформаційного старіння при оптимальному співвідношенні "ціна-якість". Технічний результат, який досягається при використанні винаходу, полягає в отриманні необхідних механічних і технологічних властивостей катанки для виробництва дроту і канатів і задовільної технологічної пластичності, при якій зменшується кількість обривів під час волочіння. Вирішення поставленої задачі забезпечується тим, що сталь для глибокого волочіння, що заявляється, містить вуглець, марганець, кремній, сірку, фосфор, хром, нікель, мідь, бор, азот, залізо, при цьому компоненти взяті в такому співвідношенні, мас. %: вуглець 0,03-0,95 марганець 0,30-0,80 кремній 0,10-0,30 не більше сірка 0,020 не більше фосфор 0,020 хром 0,05-0,15 нікель 0,05-0,25 мідь 0,05-0,25 бор 0,001-0,008 азот 0,003-0,012 залізо решта, причому вміст бору, азоту і вуглецю встановлюють, виходячи зі співвідношення: B / N  0,82  0,74  C  0,1, 15 20 25 30 де B - вміст бору, мас. %, N - вміст загального азоту, мас. %, C - вміст вуглецю, мас. %. Порівняння з найближчим аналогом рівня техніки показує, що сталь для глибокого волочіння, яка заявляється, переважно, для виготовлення дроту і канатів, відрізняється тим, що хімічні елементи складу і ній взяті у такому співвідношенні, мас. %: вуглець 0,03-0,95 марганець 0,30-0,80 кремній 0,10-0,30 не більше сірка 0,020 не більше фосфор 0,020 хром 0,05-0,15 нікель 0,05-0,25 мідь 0,05-0,25 бор 0,001-0,008 азот 0,003-0,012 залізо решта, причому вміст бору, азоту і вуглецю встановлюють, виходячи зі співвідношення: B / N  0,82  0,74  C  0,1, де B - вміст бору, мас. %, N - вміст загального азоту, мас. %, C - вміст вуглецю, мас. %. Отже, сталь, що заявляється відповідає умові "новизна". Порівняння сталі, що заявляється, з іншими технічними рішеннями в даній галузі техніки показало, що відомі склади сталі, що містять азот [3-6], вміст основних легуючих елементів у яких знаходиться в наступних діапазонах, мас. %: вуглець 0,05-1,00, марганець 0,30-1,20, кремній 0,10-0,45, хром 0,10-0,25, нікель 0,1-0,3, мідь 0,10-0,25, молібден ≤ 0,02, сірка ≤ 0,02 і фосфор ≤ 0,020 кожного, алюміній ≤ 0,005, азот ≤ 0,006. Однак, аналіз показав, що використання відомих складів сталей не дозволяє вирішити поставлену задачу у технічному рішенні, що заявляється, тому, що до їх складу у великих концентраціях входить вільний азот. Обмеження вмісту азоту у відомих сталях вимагає 2 UA 103113 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 підвищених витрат на дегазацію сталі, що збільшує витрати на її виробництво і погіршує співвідношення "ціна-якість" у процесі її виробництва. Відсутність вмісту добавок бору у відомих сталях не забезпечує зв'язування вільного азоту. Взаємодія бору з вільним азотом в сталі приводить до утворення нітриду бору, що сприяє поліпшенню пластичних властивостей сталі внаслідок зменшення її схильності до деформаційного старіння. Крім того, підвищені концентрації марганцю і кремнію в сталі відомих складів призводять до значного зміцнення катанки в процесі її переробки. Збільшені концентрації хрому, нікелю та міді у сталі, що заявляється, не призводить до зниження технологічної пластичності через добавки бору. При вирішенні поставленої задачі враховувалася також можливість виплавки сталі хімічного складу, що заявляється, в стандартних сталеплавильних агрегатах, а також технологічності її переробки на різних етапах металургійного переділу - під час виплавки, безперервного розливання, обробки тиском на переділах прокатному та металовиробів, термомеханічної обробки. Такий підхід значною мірою вирішує завдання забезпечення оптимального співвідношення "ціна-якість". Наявність у відомих складах сталі алюмінію знижує ефективність роботи ділянки безперервного розливання сталі, тому що наявність алюмінію призводить до швидкого затягування оксидами металу стаканів-дозаторів машин безперервного лиття заготовок, відповідним чином погіршуючи співвідношення "ціна-якість" при виробництві сталі. Зазначені обставини не дозволяють рекомендувати до ефективного використання відомі склади сталей для виробництва дроту і канатів, і забезпечувати вміст у складі сталі, що заявляється, відповідність умові "винахідницький рівень". Виплавку сталі, що заявляється, здійснюють таким чином. Сталь для виробництва дроту і канатів може бути виплавлена в будь-якому сталеплавильному агрегаті. Під час виплавки сталі з застосуванням киснево-конвертерного процесу металошихта складається з 20-25 мас. % металобрухту і 75-80 мас. % рідкого чавуну. Склад металошихти при виплавці сталі в умовах електросталеплавильного цеху складається з 70-90 мас. % металобрухту і 10-30 мас. % твердого чавуну. Під час виплавки сталі, що заявляється, в електропечах можливо також використання у складі металошихти 30-100 мас. % металізованих окатишів і до 70 мас. % металобрухту, чистого від домішок кольорових металів. У конвертер або в електропіч завантажують металошихту. Після закінчення завантаження в конвертер подають через фурму кисень, а в електропіч опускають електроди й подають електричний струм (можливе застосування пальників і кисневих фурм). У ході процесу в агрегати подають флюси (вапно, вапняк, плавиковий шпат та ін.). Процес виплавки сталі ведуть або до заданого вмісту вуглецю, або до низького вмісту вуглецю з подальшим навуглецьовуванням металу в ковші. Під час випуску сталі у ківш присаджують легуючі елементи (феросплави). Видалення фосфору здійснюють, як правило, в сталеплавильних агрегатах, видалення сірки - на установці піч-ківш. На цьому ж етапі здійснюється остаточне доведення металу за складом і температурою. Отриману сталь розливають або у злитки, або у безперервнолиті заготівки (БЛЗ). Суть складу сталі, що заявляється, полягає в наступному. Регламентація вмісту азоту в сталі і співвідношення вмістів бору і азоту по відношенню до вмісту вуглецю дозволяє отримати сталь з достатньою технологічною пластичністю, а, отже, зменшити кількість обривів під час її волочіння. Крім того, збільшення вмісту вуглецю, кремнію, марганцю, хрому, нікелю та міді вище заявлених діапазонів їх змін приведе до значного зміцнення прокату. Зменшення вмісту цих елементів нижче заявлених діапазонів приведе до підвищення пластичних властивостей прокату, однак при цьому знизяться його характеристики міцності. Крім того, підвищення значень концентрації хрому, нікелю та міді вище значень, що заявляються, сприяють утворенню в термообробленій (патентованій) катанці-дроті мартенситно-бейнітних ділянок, що призводять до значного зниження технологічної пластичності при волочінні. Ефективність регламентованого відношення бору до азоту проявляється в підвищенні комплексу фізико-механічних і технологічних властивостей катанки, отриманої з цієї сталі, призначеної для виробництва дроту і канатів, без істотного подорожчання катанки і погіршення, тим самим, співвідношення "ціна-якість". При легуванні сталі бором істотну роль грає співвідношення вмісту в ній бору, азоту та вуглецю. Результати промислових експериментів, виконаних на ВАТ "Молдавський металургійний завод (ММЗ)», показали, що вміст бору (В) та азоту (N) в % по масі в сталі, призначеній для виготовлення дроту і канатів, при заданому вмісті в ній кольорових металів (міді, хрому, нікелю) повинний бути пов'язаним між собою з вмістом вуглецю в сталі залежністю B / N  0,82  0,74  C  0,1. 3 UA 103113 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Залежність співвідношення бору і азоту (B/N) від вмісту в сталі вуглецю була встановлена експериментальним шляхом під час проведення досліджень, виконаних у виробничих умовах ВАТ "ММЗ". Технологічний комплекс обладнання ВАТ "ММЗ" складається з електросталеплавильної печі, установки позапічної обробки сталі, вакууматора, систем захисту струменя і електромагнітного перемішування сталі (ЕМП), машини безперервного лиття заготовок (МБЛЗ), сучасного двониткового дротового стана 320/150 та лінії пришвидшеного охолодження типу "Стелмор". Дослідження проводилися на низьковуглецевих сталях, типу SAE 1005, SAE 1020, вуглецевих сталях марок 35, 65 і 80, хімічний склад яких входить до діапазонів вмісту елементів сталі, що заявляється. При зазначеному співвідношенні бору і азоту, що залежить від вмісту вуглецю в сталі, пластичні властивості стали підвищуються через зменшення її схильності до деформаційного старіння. При цьому на механічні та технологічні характеристики сталі впливає не загальна концентрація бору в сталі, а співвідношення вмісту бору і азоту в залежності від вмісту вуглецю в сталі. Так, при B / N  0,82  0,74  C  0,1 технологічна пластичність низьковуглецевої (0,05 мас. % С) і високовуглецевої (0,8 мас. % С) сталі будуть зменшуватися внаслідок зростання ефекту деформаційного старіння. При B / N  0,82  0,74  C  0,1 в низьковуглецевій (0,05 мас. % С) і високовуглецевій (0,80 мас. % С) сталях при технологічному зварюванні катанки - дроту утворюються гартівні структури (бейніт або бейніт з мартенситом), що знижує технологічну пластичність. У таблиці наведено окремі результати експериментальних досліджень, на підставі яких були визначені оптимальні значення співвідношень вмісту бору і азоту в залежності від концентрації вуглецю в сталі. З таблиці видно, що в плавках № 5, 7 і 12 значення B/N виходять за межі заявлених діапазонів зміни цього відношення. Метал цих плавок через надлишок незв'язаного бору був схильний до утворення структур гартування. Це знижувало комплекс фізико-механічних і технологічних властивостей катанки під час переробки її у дріт і канати. Надлишок вільного (незв'язаного) азоту в металі плавок 3 та 4, викликає деформаційне старіння, що понижує технологічну пластичність катанки - дроту. Метал інших плавок задовольняв вимогам, що пред'являються до вуглецевої сталі, призначеної для виготовлення дроту і канатів. Таким чином, результати досліджень з визначення меж зміни вмісту основних хімічних елементів і діапазону зміни співвідношення бору й азоту в сталі для глибокого волочіння для виготовлення дроту і канатів показали, що співвідношення елементів, що заявляється, у цьому металі відповідального призначення, забезпечує необхідне поєднання технологічних характеристик, перш за все, за рахунок регламентування співвідношення добавок бору і азоту. При цьому концентрація добавок бору враховувала його взаємодію з вільним азотом. Це сприяло утворенню нітридів бору, забезпечувало підвищення технологічної пластичності металу внаслідок зменшення його схильності до окрихчування при оптимальному співвідношенні "ціна-якість" в процесі виробництва сталі на типових металургійних підприємствах, що випускають продукцію масового марочного сортаменту. 4 UA 103113 C2 Таблиця Хімічний склад дослідних плавок сталі марок SAE 1005, 35, 65 та 80, розлитої у заготівки перерізом125×125 мм № Хімічний склад, мас. % досліду; B/Nфакт.B/Nрозр. B/Nфакт. Р S марка B/Nрозр С Мn Si Сr Ni Сu N В ×10 ×10 сталі 1; SAE 0,05 0,25 0,10 0,15 0,20 0,09 0,10 0,19 0,0091 0,0078 0,783 0,855 +0,072 1005 2; SAE 0,05 0,28 0,12 0,16 0,22 0,10 0,10 0,20 0,0102 0,0071 0,783 0,694 -0,089 1005 3; 35 0,32 0,70 0,25 0,08 0,17 0,08 0,09 0,14 0,00825 0,0038 0,583 0,463 -0,120 4; 35 0,36 0,65 0,29 0,14 0,09 0,07 0,10 0,12 0,01188 0,0053 0,554 0,444 -0,110 5; 35 0,40 0,49 0,25 0,17 0,14 0,10 0,08 0,10 0,00903 0,0057 0,524 0,626 +0,102 6; 65 0,64 0,30 0,22 0,18 0,05 0,09 0,10 0,19 0,0101 0,0027 0,346 0,271 -0,075 7; 65 0,65 0,30 0,17 0,11 0,05 0,04 0,08 0,13 0,01076 0,0049 0,339 0,459 +0,120 8; 65 0,66 0,55 0,21 0,18 0,07 0,07 0,14 0,25 0,01043 0,0026 0,332 0,252 -0,080 9; 65 0,67 0,48 0,17 0,15 0,12 0,05 0,14 0,24 0,007 0,0028 0,324 0,402 +0,078 10; 80 0,77 0,47 0,20 0,14 0,05 0,05 0,09 0,20 0,00815 0,0028 0,250 0,337 +0,087 11; 80 0,80 0,58 0,18 0,15 0,05 0,05 0,06 0,10 0,00789 0,0013 0,228 0,158 -0,070 12; 80 0,84 0,49 0,19 0,19 0,16 0,07 0,08 0,17 0,01083 0,0036 0,198 0,328 +0,130 5 10 15 20 25 З вищезазначеного видно, що використання сталі запропонованого складу в технологічному циклі "виплавка сталі - безперервне розливання металу - прокатка катанки - волочіння дроту", що реалізується при виробництві дроту і канатів, забезпечує вирішення поставленої задачі та досягнення очікуваного технічного результату. Джерела інформації: при складанні заявки: 1. Патент Японии, по заявке № 59-45753. Изобретения стран мира, М.: ВНИИПИ, 1985, № 6, с. 34. 7 2. Патент № 64834 (Україна), МПК С22С 38/54, С22С 38/32. Сталь для глибокого волочіння. Заявлено 14.08.2001. - Опубліковано 15.03.2004. - Бюл. № 3 - прототип. 3. Стандарт DIN EN 10016 ч. 1-4-1994 "Катанка из нелегированной стали для волочения и/или холодной прокатки". 4. ГОСТ 1050-88. Прокат сортовой, калиброванный, со специальной отделкой поверхности из углеродистой качественной конструкционной стали. Введ. 01.01.91 до 01.01.96. - М.: Изд-во стандартов. 1989.-24 с: УДК 669.14-122:006.354. Группа В 32. СССР. 5. ДСТУ 3683-98. Катанка стальная канатная. Технические условия. Введ. 30.01.1998. Киев.: Госстандарт Украины. 1998.-12 с: УДК 669.14-423-428., Группа В 32. 6. ТУ У 27.1-4-521-2002. Катанка сталева канатна з вуглецевої сталі. Катанка стальная канатная из углеродистой стали. Технические условия. - Введ. 20.06.2002 до 01.06.2007. Национальный технический комитет по стандартизации в металлургии 4 - ТК 4 (код ОКПО 23365425). 2002.-14 с: ОКПО 093400. ДКПП 27.10.50.300. Группа 77.140.60 (В32). Изм. 1. Введ. С. 31.07.2003. ТК - 4. 2003.-3 с: ОКП 09 3400. ДКПП 27.10.50.300. Группа В 32. УКНД 77.140.60. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 30 Сталь для глибокого волочіння, що містить вуглець, марганець, кремній, сірку, фосфор, хром, нікель, мідь, бор, азот, залізо, яка відрізняється тим, що хімічні елементи її складу взяті в наступному співвідношенні, мас. %: вуглець 0,03-0,95 марганець 0,30-0,80 кремній 0,10-0,30 сірка не більше 0,020 фосфор не більше 0,020 хром 0,05-0,15 нікель 0,05-0,25 5 UA 103113 C2 мідь 0,05-0,25 бор 0,001-0,008 азот 0,003-0,012 залізо решта, причому вміст бору, азоту і вуглецю встановлюють, виходячи зі співвідношення: B / N  0,82  0,74  C  0,1 , де 5 B - вміст бору, мас. %, N - вміст загального азоту, мас. %, C - вміст вуглецю, мас. %. Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6