Сталь для изготовления изделий ротационным обжатием
Изобретение относится к металлургии, в частности к стали, предназначенной для изготовления изделий на автоматической линии методом ротационного обжатия. Предложена сталь для изготовления изделий ротационным обжатием, содержащая, мас.%: углерод 0,22-0,26, кремний 0,17-0,29, марганец 0,50-0,80, хром 0,70-1,10, медь 0,1-0,30, азот 0,005-0,020, алюминий 0,01-0,05, никель не более 0,20, сера не более 0,025, фосфор не более 0,025, железо остальное, при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди не более 0,87; суммарное содержание углерода и азота не более 0,265, содержание серы и марганца связано зависимостью Mn·S≤0,016, суммарное содержание углерода, марганца и хрома не более 1,87, а отношение предела текучести к пределу прочности σ0,2/σв не более 0,65. Технический результат - повышение технологической пластичности и ее стабильности при сохранении уровня механических свойств. 1 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к стали, предназначенной для изготовления изделий на автоматической линии методом ротационного обжатия.
Известна сталь АС30ХМ для изготовления заготовок валов автомобильных стартеров ротационным обжатием, содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,27-0,35 |
| Марганец | 0,40-0,70 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Хром | 0,80-1,10 |
| Никель | не более 0,30 |
| Молибден | 0,15-0,25 |
| Свинец | 0,15-0,30 |
| Медь | не более 0,30 |
| Железо и неизбежные примеси | остальное |
Механические свойства стали (после калибровки и улучшения): временное сопротивление σв≥780 Н/мм2, σ0,2≥630 Н/мм2, относительное удлинение δ5≥12%, твердость НВ≤285. (ГОСТ 1414-75 «Сталь конструкционная повышенной и высокой обрабатываемости резанием». Технические условия.) Поскольку известная сталь содержит свинец, ее производство прекращено.
Наиболее близким аналогом является сталь для изготовления изделий, в частности заготовок валов стартеров карбюраторных двигателей легковых автомобилей, методом ротационного обжатия, содержащая, мас.%:
| Углерод | 0,22-0,26 |
| Кремний | 0,17-0,37 |
| Марганец | 0,50-0,80 |
| Хром | 0,75-1,10 |
| Сера | не более 0,035 |
| Фосфор | не более 0,035 |
| Медь | не более 0,030 |
| Никель | не более 0,30 |
| Железо | остальное |
(«Прокат калиброванный со специальной отделкой поверхности из стали марки 25Х». Технические условия ТУ 14-1-5502-2004 - прототип.)
Механические свойства стали: временное сопротивление разрыву σв=470-610 Н/мм2, предел текучести σ0,2=315-450 Н/мм2, относительное удлинение δ5 не менее 15%, твердость НВ144-186.
Недостатком известной стали является нестабильность механических свойств, что приводит к нестабильной технологической пластичности, которая характеризуется отношением предела текучести к временному сопротивлению разрыву. В известной стали отношение σ0,2/σв колеблется в пределах от 0,52 до 0,96, что свидетельствует о нестабильной технологической пластичности при ротационном обжатии, получении нестабильных геометрических размеров заготовки, снижении стойкости дорогостоящего формообразующего инструмента и производительности линии в целом.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является оптимизация химического состава стали для изготовления изделий ротационным обжатием с обеспечением технического результата в виде повышения технологической пластичности и ее стабильности при сохранении уровня механических свойств. Экспериментальным путем установлено, что стабильность технологической пластичности при ротационном обжатии достигается при условии σ0,2/σв не более 0,65.
Указанный технический результат достигается тем, что сталь для изготовления изделий ротационным обжатием, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, медь, серу, фосфор, никель и железо, согласно изобретению дополнительно содержит азот и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,22-0,26 |
| Кремний | 0,17-0,29 |
| Марганец | 0,50-0,80 |
| Хром | 0,70-1,10 |
| Медь | 0,1-0,30 |
| Азот | 0,005-0,020 |
| Алюминий | 0,01-0,05 |
| Никель | не более 0,20 |
| Сера | не более 0,025 |
| Фосфор | не более 0,025 |
| Железо | остальное |
при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди не превышает 0,87; суммарное содержание углерода и азота не более 0,265, содержание серы и марганца связано зависимостью Mn·S≤0,016, а суммарное содержание углерода, марганца и хрома не превышает 1,87.
Сущность изобретения заключается в оптимизации химического состава стали и ограничении пределов величины отношения σ0,2/σв, что обеспечивает максимальную надежность изготовления изделий ротационным обжатием.
Содержание углерода в предлагаемой стали менее 0,22 мас.% и кремния менее 0,17 мас.% ведет к снижению прочности, а выше 0,26 мас.% и выше 0,29 мас.% соответственно - к снижению пластичности.
Содержание марганца в предлагаемой стали принято равным содержанию его в прототипе.
Для получения требуемых механических свойств, в т.ч. соотношение σ0,2/σв≤0,65, суммарное содержание углерода, марганца и хрома в предлагаемой стали должно быть (C+Mn+Cr)≤1,87.
Содержание алюминия менее 0,01 мас.% ведет к неполному связыванию азота при кристаллизации, а выше 0,05 мас.% - к возможности образования строчечных неметаллических включений, что ведет к снижению пластичности, а также к повышению себестоимости производства предлагаемой стали.
Дополнительное введение в заявленную сталь азота в предлагаемых пределах в совокупности с алюминием и углеродом обеспечивает повышение механических свойств за счет образования нитридов и карбонитридов, обеспечивающих формирование мелкодисперсных структур независимо от технологии горячей механической обработки. Наиболее эффективным является содержание азота в пределах 0,005-0,020 мас.%. Снижение содержания азота ниже 0,005 мас.% не обеспечивает необходимый уровень свойств. Повышение содержания выше 0,020 мас.% приводит к снижению пластических свойств стали в результате переупрочнения металла и увеличения его склонности к старению.
Поскольку углерод и азот одинаково влияют на прочностные свойства, необходимо ограничить их суммарное содержание. Поэтому ΣC+N≤0,265 позволит сохранить оптимальную пластичность.
Ограничение суммарного содержания Mn+P+Cu≤0,87 необходимо для улучшения пластических свойств стали. Дополнительное ограничение содержания серы в зависимости от содержания марганца (Mn·S≤0,016) позволяет избежать присутствия в стали значительного количества сульфидов марганца, отрицательно влияющих на пластические свойства стали.
Эмпирическим путем установлено, что совокупность заявленных признаков обеспечивает оптимальное сочетание механических свойств, в том числе σ0,2/σв≤0,65, необходимое для изготовления качественных изделий ротационным обжатием.
Пример.
Выплавку металла проводили в электропечи. Раскисление металла производили алюминием и азотированным ферромарганцем. Были получены две плавки стали следующего состава, мас.%:
Плавка 1 - углерод - 0,23; кремний - 0,23; марганец - 0,70; хром - 0,94; азот - 0,015; алюминий - 0,045; никель - 0,18; медь - 0,15; сера - 0,020; фосфор - 0,010; железо - остальное. ΣMn+P+Cu=0,86; ΣC+N=0,245; Mn·S=0,014; ΣC+Mn+Cr=1,87.
Плавка 2 - углерод - 0,25; кремний - 0,20; марганец - 0,75; хром - 1,00; азот - 0,018; алюминий - 0,040; никель - 0,16; медь - 0,28; сера - 0,023; фосфор - 0,015; железо - остальное. ΣMn+P+Cu=1,045; ΣC+N=0,268; Mn·S=0,01725; ΣC+Mn+Cr=2,00.
Затем провели механические испытания на растяжение, выполненные в соответствии с требованиями ГОСТ 1497. Результаты испытаний приведены в таблице.
| Таблица | ||
| Механические свойства | Плавка 1 | Плавка 2 |
| Предел текучести, Н/мм2 | 310 | 365 |
| Временное сопротивление разрыву, Н/мм2 | 480 | 515 |
| Относительное удлинение, % | 22 | 20 |
| Показатель технологической пластичности σ0,2/σв | 0,646 | 0,71 |
Из полученного металла, методом ротационного обжатия, были изготовлены заготовки валов стартеров автомобильных двигателей.
Из первой плавки на сто штук заготовок брак не обнаружен. Из второй плавки на сто штук заготовок брак составил 3%.
Таким образом, повышение стабильности технологической пластичности заявленной стали создает благоприятные условия деформирования заготовки ротационным обжатием, получения качественных ступенчатых геометрических размеров, повышения стойкости дорогостоящего формообразующего инструмента и производительности автоматической линии.
Сталь для изготовления изделий ротационным обжатием, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит азот и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 0,22-0,26 |
| Кремний | 0,17-0,29 |
| Марганец | 0,50-0,80 |
| Хром | 0,70-1,10 |
| Медь | 0,1-0,30 |
| Азот | 0,005-0,020 |
| Алюминий | 0,01-0,05 |
| Никель | Не более 0,20 |
| Сера | Не более 0,025 |
| Фосфор | Не более 0,025 |
| Железо | Остальное |
при этом суммарное содержание марганца, фосфора и меди не более 0,87, суммарное содержание углерода и азота не более 0,265, содержание серы и марганца связано зависимостью Mn·S≤0,016, суммарное содержание углерода, марганца и хрома не более 1,87, а отношение предела текучести к пределу прочности σ0,2/σв не более 0,65.
