Среднелегированная сталь повышенной обрабатываемости резанием
Владельцы патента RU 2261934:
Открытое акционерное общество "Оскольский электрометаллургический комбинат" (ОАО "ОЭМК") (RU)
Изобретение относится к стали, используемой, например, при изготовлении высоконагруженных шестерен коробки перемены передач автомобиля. Среднелегированная сталь повышенной обрабатываемости резанием содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,17-0,23; марганец 0,65-0,95; кремний 0,17-0,37; хром 0,35-0,65; никель 0,40-0,75; молибден 0,15-0,25; сера 0,020-0,040; фосфор 0,001-0,035; ниобий 0,005-0,02; ванадий 0,005-0,08; кальций 0,001-0,010; кислород 0,001-0,015; железо и неизбежные примеси - остальное. Соотношение кислорода и кальция, кальция и серы определяются по следующим зависимостям: кислород/кальций =1÷4,5 и кальций/сера ≥0,065. В качестве примесей сталь содержит, мас.%: медь не более 0,25; мышьяк не более 0,08; азот не более 0,015, а неметаллические включения имеют двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой. Техническим результатом является повышение обрабатываемости резанием, обеспечение сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 50 мм. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке среднелегированной стали повышенной обрабатываемости резанием, используемой для изготовления высоконагруженных шестерен коробки перемены передач автомобиля.
Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.18-0.27%, марганец 0.6-1.0%, кремний 0,2-0,42%, хром 0.8-1.3%, никель 0.45-0.79%, молибден 0.18-0.28%, титан 0.02-0.05%, сера 0.01-0.06%, бор 0.0005-0.003%, ванадий 0,01-0,06%, цирконий 0.01-0.06%, алюминий 0.005-0.025%, кальций 0.001-0.008%, остальное железо. При этом сумма компонентов титана, ванадия и циркония должна быть равной 0.05-0.12 (вес.%) (авторское свидетельство СССР SU 768849, С 22 С 38/54). Недостатком данной стали является относительно высокое содержание азота и отсутствие в композиции элементов, защищающих бор от связывания в нитриды, что в ряде случаев не позволит достичь заявляемого авторами эффекта по повышению характеристик прокаливаемости. К недостаткам данной стали следует отнести также и довольно широкие границы содержания серы, что на нижнем уровне (до 0.02% мас.) не позволит обеспечить необходимые характеристики обрабатываемости резанием.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.15-0.25%, кремний 0.10-0.15%, марганец 0.45-0.65%, хром 0.5-0.6%, никель 1-2.5%, молибден 0.4-0.8%, серу - не более 0.015%, фосфор - не более 0.015%, ниобий 0.02-0.06%, ванадий 0.02-0.06%, медь не более 0.3%, остальное железо (Патент США №5645795 А. С 22 С 38/48).
Недостатком данной стали является нерегламентированное содержание серы, что приведет к существенному ухудшению характеристик резания, снижению стойкости режущего инструмента, увеличению нагрузок на инструмент при нижнем уровне содержания серы в предложенном интервале - т.е. менее 0.020%. Также к числу недостатков следует отнести отсутствие в ее составе модифицирующих элементов, таких как кальций, что будет способствовать наличию в стали вытянутых сульфидных включений, и, как следствие, повышенной анизотропии механических свойств горячекатаного проката.
Задачей изобретения является повышение характеристик обрабатываемости резанием при одновременном повышении характеристик прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 50 мм.
Поставленная задача достигается тем, что
1. Предложена сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, серу, фосфор, ниобий, ванадий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кальций и кислород при следующем соотношении компонентов в мас.%:
| углерод | 0.17-0.23 |
| марганец | 0.65-0.95 |
| кремний | 0.17-0.37 |
| хром | 0.35-0.65 |
| никель | 0.40-0.75 |
| молибден | 0.15-0.25 |
| сера | 0,020-0,040 |
| фосфор | 0.001-0.035 |
| ниобий | 0.005-0.02 |
| ванадий | 0.005-0.08 |
| кальций | 0.001-0.010 |
| кислород | 0.001-0.015 |
| железо и неизбежные примеси | остальное |
при этом отношение содержания кислорода и кальция, кальция и серы определяются по следующим зависимостям:
кислород/кальций =1÷4.5 и кальций/сера ≥0.065
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она дополнительно содержит медь, мышьяк и азот в следующем соотношении, мас.%:
| медь не более | 0.25% |
| мышьяк не более | 0.08% |
| азот не более | 0.015% |
3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит неметаллические включения, имеющие двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой.
Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в предлагаемой термообработанной стали (закалка 860±15°С, масло с последующим отпуском 170°С, воздух) благоприятную структуру с глобулярными сэндвич-включениями, что обеспечивает, с одной стороны, повышенные характеристики резания даже широкими резцами при поперечной подаче режущего инструмента, с другой стороны - благоприятное сочетание характеристик прочности и пластичности.
Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0.23%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.17% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.
Карбонитридообразующие элементы - ниобий и ванадий - вводятся в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ниобий управляет процессами в верхней части аустенитной области (так как карбонитриды ниобия растворяются лишь при температурах аустенитизации 1200-1250°С), а ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области и в межкритическом интервале температур (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке). И ванадий, и ниобий повышают температуру рекристаллизации стали и, как следствие, влияют на характер γ-α-превращения. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания ванадия - 0.08% и ниобия - 0.02% обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.005% для ниобия и 0.005% для ванадия - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.
Марганец, хром и молибден используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. Молибден известен также как элемент, эффективно препятствующий возникновению обратимой отпускной хрупкости в стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0.95%, хрома - 0.65% и молибдена - 0.25% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.65% марганца, 0.35% хрома и 0.15% молибдена соответственно - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0.17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.
Никель в заданных пределах (0.40-0.75%) влияет на характеристики прокаливаемости, вязкости и хладостойкости стали.
Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0.040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.020%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.
Фосфор - элемент, способствующий увеличению характеристик резания стали. При этом верхний уровень содержания фосфора - 0.035% обусловлен необходимостью предотвращения развития процессов обратимой отпускной хрупкости стали, а также обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.0010% - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.
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.
Кислород, образуя оксидную пленку на сульфидах, способствует повышению обрабатываемости стали резанием при одновременном сохранении высокого комплекса потребительских свойств стали. При этом верхний уровень содержания кислорода - 0.015% обусловлен необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.001% соответственно - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.
Соотношение кислород/кальций =1÷4.5 отвечает за возможность образования сэндвич-неметаллического включения. При этом верхняя граница соотношения - 4.5 обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - 1 соответственно - возможностью образования двухслойного сэндвич-неметаллического включения.
Соотношение кальций/сера ≥0.065% определяет условия образования глобулярных неметаллических включений (сульфидов). Если выполняется данное соотношение, то сульфиды глобулярные, в противном случае в стали присутствуют вытянутые сульфиды, что повышает анизотропию свойств стали и ухудшает соотношение прочность-вязкость, особенно сильно в поперечном направлении проката.
Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - алюминия, кальция и кислорода, а также соотношениями: кислород/кальций =1÷4.5 и кальций/сера ≥0.065%
Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение характеристик обрабатываемости резанием при сохранении благоприятного соотношения прочность-пластичность и вязкость стали.
Ниже дан пример осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.
Выплавку опытной партии исследуемой стали (химический состав представлен в таблице 1) проводили в 150-ти тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП-150, мощность трансформатора 80 МВ·А) с использованием в шихте 60% металлизованных окатышей и 40% металлического лома, 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 проводили в ковше при выпуске из ДСП. (Выпуск в ковш перекисленного металла. Раскисление металла - при выпуске алюминием, ферросилицием - раскисление, легирование - FeMn (SiMn), FeCr). После выпуска проводили продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин. Затем вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом производится легирование (тонкое) - углерод, марганец и кремний. После вакуумирования - обработка на установке печь-ковш. За 15-30 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 минут до разливки - обработка порошковыми проволоками с силикокальцием и чистой серой. Разливку стали проводили на сортовой УНРС радиального типа в НЛЗ 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6-0,7 м/мин. При разливке осуществлялась защита струи от вторичного окисления следующим образом:
- стальковш-промковш - погружная труба с подачей аргона
- промковш - шлакообразующая смесь
- промковш-кристаллизатор - погружной стакан (корундографитовый)
- в кристаллизаторе - шлакообразующая смесь.
После разливки и пореза на мерную длину непрерывнолитые заготовки охлаждали в печах контролируемого охлаждения. Далее слитки прокатывали на стане 700 в заготовку (квадрат 170 мм). Вся исходная заготовка подвергалась правке, очистке от окалины, контролю поверхности. Нагрев заготовки перед прокаткой производили в двух методических печах с шагающим подом. Температура нагрева заготовки - 900°С, что обеспечивает снижение энергозатрат на 15% и значительно снижает обезуглероживание проката. Окалину с поверхности заготовки удаляли водой под высоким давлением на установке гидросбива окалины. Прокатку вели в непрерывных линиях - мелкосортной и среднесортной. Высокая жесткость клетей, автоматическое согласование скорости клетей, система петлерегулирования в чистовой группе мелкосортной линии позволили получить прокат высокой точности. Отделку проката осуществляли вне потока. Отделка включала в себя операции правки, контроля поверхностных дефектов и ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку прутков круглого проката. Точность проката после обточки соответствует квалитету h11. На установке "БУНТ-ПРУТОК" из мотков горячекатаного проката получают обточенные прутки длиной до 6 метров с точностью порезки ±5 мм.
Механические свойства представлены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь по сравнению с известной имеет более высокие характеристики обрабатываемости резанием при благоприятном соотношении прочности и пластичности.
Внедрение предложенной среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием обеспечивает получение двухслойных сэндвич-неметаллических включений, гарантирующих, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны - благоприятное соотношение прочности, пластичности и вязкости стали.
| Таблица 1 | ||||||||||||||||||
| ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРЕДЛАГАЕМОЙ И ИЗВЕСТНОЙ СТАЛИ | ||||||||||||||||||
| Номер плавки | Содержание элементов, мас.% | Соотношение | ||||||||||||||||
| С | Mn | Si | Cr | Ni | Мо | Nb | V | As | N | Cu | Са | S | Р | 0 | Fe | I* | 2* | |
| Предлагаемая сталь | ||||||||||||||||||
| 1 | 0.17 | 0.65 | 0.37 | 0.35 | 0.41 | 0.15 | 0.008 | 0.005 | 0.02 | 0.011 | 0.20 | 0.002 | 0.025 | 0.022 | 0.003 | ост. | 1.5 | 0.080 |
| 2 | 0.19 | 0.70 | 0.25 | 0.44 | 0.47 | 0.17 | 0.020 | 0.031 | 0.01 | 0.009 | 0.15 | 0.003 | 0.029 | 0.005 | 0.004 | ост. | 1.33 | 0.103 |
| 3 | 0.18 | 0.81 | 0.27 | 0.53 | 0.58 | 0.19 | 0.018 | 0.035 | 0.03 | 0.007 | 0.18 | 0.003 | 0.040 | 0.020 | 0.007 | ост. | 2.33 | 0.075 |
| 4 | 0.22 | 0.88 | 0.20 | 0.62 | 0.62 | 0.22 | 0.011 | 0.053 | 0.05 | 0.008 | 0.06 | 0.004 | 0.035 | 0.015 | 0.009 | ост. | 4.5 | 0.114 |
| 5 | 0.23 | 0.95 | 0.17 | 0.65 | 0.74 | 0.24 | 0.015 | 0.078 | 0.01 | 0.014 | 0.08 | 0.003 | 0.020 | 0.030 | 0.012 | ост. | 4 | 0.15 |
| За пределами заявляемого | ||||||||||||||||||
| 6 | 0.16 | 0.60 | 0.17 | 0.30 | 0.40 | 0.11 | 0.003 | 0.091 | 0.09 | 0.016 | 0.01 | 0.002 | 0.045 | 0.005 | 0.001 | ост. | 0.5 | 0.044 |
| 7 | 0.24 | 0.85 | 0.38 | 0.35 | 0.80 | 0.15 | 0.010 | 0.085 | 0.08 | 0.005 | 0.26 | 0.001 | 0.021 | 0.020 | 0.005 | ост. | 5 | 0.048 |
| 8 | 0.20 | 0981 | 0.16 | 0.72 | 0.44 | 0.30 | 0.012 | 0.004 | 0.01 | 0.010 | 0.15 | 0.002 | 0.031 | 0.040 | 0.003 | ост. | 1.5 | 0.064 |
| 9 | 0.24 | 1.0 | 0.25 | 0.70 | 0.48 | 0.26 | 0.035 | 0.077 | 0.01 | 0.011 | 0.01 | 0.001 | 0.010 | 0.008 | 0.015 | ост. | 15 | 0.100 |
| Известная сталь | ||||||||||||||||||
| 10 | 0.20 | 0.56 | 0.12 | 0.55 | 1.1 | 0.45 | 0.055 | 0.045 | 0.25 | - | 0.011 | 0.012 | ост. | |||||
| Соотношение 1* кислород/кальций. Соотношение 2* - кальций/сера |
| Таблица 2 | |||||
| МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕДЛАГАЕМОЙ И ИЗВЕСТНОЙ СТАЛИ | |||||
| Плавка | Временное сопротивление, σв, МПа | Предел текучести, σ0,2, МПа | Относительное удлинение, δ, % | Ударная вязкость, KCU, Дж/см2 | Результаты переработки в условиях действующего производства ОАО "СААЗ" |
| Предлагаемая сталь | |||||
| 1 | 1205 | 955 | 12 | 72 | Без замечаний |
| 2 | 1324 | 970 | 10 | 69 | Без замечаний |
| 3 | 1395 | 970 | 10 | 65 | Без замечаний |
| 4 | 1488 | 1056 | 8 | 64 | Без замечаний |
| 5 | 1520 | 1100 | 9 | 67 | Без замечаний |
| За пределами заявляемого | |||||
| 6 | 1158 | 920 | 11 | 63 | Повышенный расход инструмента |
| 7 | 1360 | 950 | 10 | 57 | Повышенный расход инструмента |
| 8 | 1590 | 1106 | 9 | 54 | Повышенный расход инструмента |
| 9 | 1610 | 1320 | 9 | 51 | Повышенный расход инструмента |
| Известная сталь | |||||
| 10 | 1469 | 10 | 10 | 65 | Повышенный расход инструмента |
1. Среднелегированная сталь повышенной обрабатываемости резанием, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, серу, фосфор, ниобий, ванадий, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кальций и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,17-0,23 |
| Марганец | 0,65-0,95 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Хром | 0,35-0,65 |
| Никель | 0,40-0,75 |
| Молибден | 0,15-0,25 |
| Сера | 0,020-0,040 |
| Фосфор | 0,001-0,035 |
| Ниобий | 0,005-0,02 |
| Ванадий | 0,005-0,08 |
| Кальций | 0,001-0,010 |
| Кислород | 0,001-0,015 |
| Железо и неизбежные примеси | Остальное |
при этом соотношение содержания кислорода и кальция, кальция и серы определяются по следующим зависимостям:
кислород:кальций =1÷4,5 и кальций:сера ≥0,065.
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она дополнительно содержит медь, мышьяк и азот в следующем соотношении, мас.%:
| Медь | Не более 0,25 |
| Мышьяк | Не более 0,08 |
| Азот | Не более 0,015. |
3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит неметаллические включения, имеющие двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой.
