Способ легирования висмутом конструкционных сталей высокой обрабатываемости резанием

 

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству сталей высокой обрабатываемости резанием, конкретно легированных автоматных сталей. Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа легирования конструкционных сталей высокой обрабатываемости резанием висмутом, обеспечивающего максимальное снижение потерь висмута, более равномерное распределение висмута по объему слитка с помощью сплава, не содержащего компонентов, изменяющих химический состав стали. По способу легирования в струю металла вводят висмутсодержащий сплав в виде сплава висмута с марганцем при следующем соотношении компонентов, мас.%: висмут 70-75, марганец 25-30. 1 табл.

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству сталей высокой обрабатываемости резанием, конкретно легированных автоматных сталей.

Известен способ легирования сталей и сплавов селеном, теллуром или свинцом, состоящий в том, что указанные металлы вводят в сталь в виде лигатуры, полученной на основе тугоплавких соединений этих металлов, распределенных в железе. Лигатуру задают в разливочный ковш, заполненный расплавленным металлом. Изготавливают лигатуру смешением, брикетированием с последующим спеканием высокодисперсных порошков селена, теллура, свинца, железа, никеля [1].

Недостатками этого способа является то, что для расплавления лигатуры в жидкой стали требуется длительное время, при этом часть тяжелых металлов оседает на дно, что создает неравномерное распределение легирующего металла по объему, что снижает обрабатываемость, наблюдается испарение легирующих металлов с поверхности зеркала металла, что ухудшает экологическую обстановку производства стали.

Кроме того, известен способ введения легирующих добавок в виде дроби в сталь. Размер дроби регулируют, чтобы улучшить выход и равномерность распределения легирующих добавок в стали. Добавки, размер которых 0,5 - 2,0 мм, содержат висмут, свинец, теллур или их сплавы, или соединения этих элементов с серой [2].

Недостатками этого способа является то, что дробь, вводимая в струю расплавленного металла, быстро плавится, испаряется, за счет чего возрастают потери, особенно висмута, ухудшается экологическая обстановка, распределение легирующих компонентов зависит от размера дроби, до 70% микровключений висмута составляют 1 - 5 мкм, такие размеры микровключений влияния на обрабатываемость стали практически не оказывают.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка способа легирования конструкционных сталей высокой обрабатываемости висмутом, обеспечивающего максимальное снижение потерь висмута, более равномерное распределение висмута по объему слитка с помощью сплава, не содержащего компонентов, изменяющих химический состав стали.

Поставленная задача решается за счет того, что легирование производят висмутсодержащим сплавом в виде сплава висмута с марганцем при следующем соотношении элементов, мас.%: Висмут - 70 - 75 Марганец - 25 - 30 Сущность изобретения - легирование стали висмутсодержащим сплавом, содержащим висмут и элемент, входящий в состав легируемых сталей, такой как марганец, плавление которого возможно при температуре, возникающей в литниковой системе или в металле, поступающим в изложницу.

Экспериментально установлено: - легирование стали сплавом висмута с марганцем в виде химического соединения BiMn, имеющего температуру плавления 446^oC, гарантирует минимальные потери висмута на испарение и окисление; - размер микровключений 5-20 мкм (оптимальный размер микровключений для повышения обрабатываемости стали); - содержание в сплаве 25% марганца обеспечивает отсутствие в сплаве свободного висмута. При содержании марганца менее 25% в сплаве может находиться свободный висмут, что приводит к увеличению потерь висмута; - содержание в сплаве 30% марганца обеспечивает технологичность изготовления висмутсодержащего сплава. При содержании марганца более 30% твердые частицы нерасплавленного марганца при температуре плавления химического соединения BiMn препятствуют получению сплава с равномерно распределенными элементами сплава и создают трудности при изготовлении легирующих элементов как в виде проволоки, так и в виде дроби; увеличивается расход сплава; - потери висмута при легировании составляют не более 15% от содержания висмута в сплаве; - более низкая удельная масса химического соединения способствует более равномерному распределению висмута по объему слитка с размерами микровключений висмута 5-20 мкм.

Количество таких микровключений составляет до 80% от всех микровключений.

Анализ технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками в заявляемом объекте, и признать их соответствующими критерию "существенные отличия".

Опытно-промышленные испытания по легированию сталей висмутом проводили в ЭСПЦ-2 ОАО "МЕЧЕЛ" ЧМК при производстве сталей АВ12ХН и АВ40Х введением легирующего сплава в струю металла при разливке в изложницу. Название этих сталей условное, ГОСТа на эти стали нет, они аналогичны сталям АС12ХН и АС40Х по ГОСТу 1414-75. Легирование проводили как известным способом висмутовой дробью размером 0,5 - 2,0 мм, так и предлагаемым способом, сплавом, содержащим висмут и марганец. По ГОСТу 1414-75 в стали АС12ХН содержится 0,30-0,60% марганца, в стали AG40X 0,60-0,90% марганца. При легировании учитывалось количество марганца, содержащегося в сплаве.

Металлографические исследования проводили в инженерно- технологическом центре ОАО "МЕЧЕЛ" ЧМК. Испытания по резанию в цехе N 31 МОП ВАЗ.

Результаты опытно-промышленных испытаний представлены в таблице. Легирование проводили висмутсодержащим сплавом как в виде дроби размером 0,5-2,0 мм, так и в виде порошковой проволоки.

Пример 1. Сталь АВ12ХН, название условное, ГОСТа на эту сталь нет. Аналогична стали АС12ХН по ГОСТу 1414-75. Легирование стали дробью из чистого висмута размером 0,5-2,0 мм. Потери висмута 0,9 кг на I т легируемой стали. Микровключения висмута 1-5 мкм. Такой размер микровключений на обрабатываемость влияет мало. Обрабатываемость принята за 1.

Пример 2. Содержание висмута в сплаве 70%. Для содержания висмута в стали 0,20%, вводят 3,28 кг сплава на тонну стали. Сплав содержит 2,3 кг висмута, потери висмута 0,3 кг/т. Марганца в сплаве 0,98 кг. Суммарное содержание марганца в одной тонне стали 4,48 кг или 0,45%. Допустимое содержание марганца 0,6%. Микровключения 5-20 мкм до 80%. Обрабатываемость 1,2.

Пример 3. Содержание висмута в сплаве 72%. Для содержания в стали висмута 0,16% вводят 2,55 кг сплава, который содержит 1,84 кг висмута и 0,71 кг марганца. Суммарное содержание марганца в одной тонне стали 0,47% (меньше 0,6%). Обрабатываемость 1,2.

Пример 4. Содержание висмута в сплаве 0,75%. Для содержания в стали 0,12% висмута в сталь вводят 1,38 кг висмута, потери висмута 0,18 кг/т. Количество сплава 1,84 кг. Размер микровключений 5-20 мкм. Обрабатываемость 1,2.

Пример 5. Содержание висмута в сплаве запредельное, а именно 60%. Расход сплава 3,22 кг/т, в котором содержится 2,3 кг висмута и 0,92 кг марганца. Микровключения 5-20 мкм. Обрабатываемость 1,2.

Пример 6. Содержание висмута в сплаве запредельное, а именно 85%. В сплаве имеется свободный висмут. Потери висмута 0,9 кг. Расход сплава 3,70 кг/т. Микровключения 5-20 мкм. Обрабатываемость 1,2.

Пример 7. Легирование висмутовой дробью размером 0,5-2,0 мм стали АВ40Х. Сталь аналогична стали АС40Х по ГОСТу 1414-75. Потери висмута 1 кг на 1 тонну легируемой стали. Микровключения висмута 1- 5 мкм составляют до 70%. Обрабатываемость принята за 1.

Пример 8. Содержание висмута в сплаве 70%. Для содержания висмута в стали 0,20% вводят 3,28 кг/т сплава, который содержит 2,3 кг висмута, из которых 0,3 кг (15%) составляют потери, остальное (0,98 кг) марганец. Суммарное содержание марганца в стали 8,98 кг или 0,90% при допустимом содержании марганца 0,90%. Микровключения висмута имеют размеры 5-20 мкм, количество их составляет до 77%. Обрабатываемость 1,2.

Пример 9. Содержание висмута в сплаве 73%. Для содержания висмута в стали 0,16% с учетом потерь (15%) вводят 2,52 кг/т сплава, который содержит 1,84 кг висмута, 0,68 кг марганца. Микровключения 5-20 мкм до 80%. Обрабатываемость 1,2.

Пример 10. Содержание висмута в сплаве 75%. Для содержания висмута в стали 0,12% с учетом потерь вводят 1,88 кг/т сплава, который содержит 1,41 кг висмута и 0,47 кг марганца. Микровключения 5-20 мкм, содержание - 79%. Обрабатываемость 1,2.

Пример 11. Содержание висмута в сплаве запредельное, а именно 60%. Для получения стали с содержанием висмута 0,20% вводили 3,92 кг/т сплава, который содержал 2,35 кг висмута и 1,57 марганца. Суммарное содержание марганца в стали 9,57 кг или 0,96% при допустимом содержании марганца 0,90%. Сталь по химическому составу не соответствует техническим требованиям.

Пример 12. Содержание висмута в сплаве запредельное, а именно 85%. В сталь вводили 2,77 кг/т сплава, содержащего 2,35 кг висмута и 0,42 кг марганца. Общее содержание марганца в стали 8,42 кг или 84%. Сталь соответствует техническим условиям. Микровключения висмута 5-20 мкм до 80%. Обрабатываемость 1,2.

Способ прошел опытно-промышленные испытания с положительным результатом. Промышленное внедрение намечается на 1 квартал 1999 года.

Формула изобретения

Способ легирования висмутом конструкционных сталей высокой обрабатываемости резанием, включающий введение висмутсодержащего сплава в струю металла, отличающийся тем, что висмутсодержащий сплав вводят в виде сплава висмута с марганцем при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Висмут - 70 - 75
Марганец - 25 - 30

РИСУНКИ

Рисунок 1