Среднеуглеродистая легированная сталь повышенной механической обрабатываемости
Владельцы патента RU 2514552:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяющихся для изготовления ответственных деталей машин. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,34-0,40, кремний 0,17-,37, марганец 0,60-0,90, хром 0,80-1,10, молибден 0,15-0,25, олово 0,05-0,30, железо и примеси - остальное. В качестве примесей сталь содержит, мас.%: серу - не более 0,025, фосфор - не более 0,025, медь - не более 0,30, никель - не более 0,20. Отношение содержания никеля к содержанию меди находится в пределах от 1 до 4. Повышается обрабатываемость стали резанием и увеличивается производительность процесса ее горячей обработки давлением при сохранении требуемых механических свойств металла. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 12 пр.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяющихся для изготовления ответственных деталей машин.
Из уровня техники известна сталь повышенной механической обрабатываемости (патент JP 1047839, опубл. 22.02.1989, МПК С22С 38/60), содержащая углерод, кремний, марганец, медь, олово и железо при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- углерод - 0,06-0,60;
- кремний - 0,01-0,50;
- марганец - 0,30-2,00;
- медь - 0,05-0,30;
- олово - 0-0,015;
- железо - основа.
Кроме того, в состав стали могут входить, масс.%:
- хром - не более 2,00;
- молибден - не более 1,00;
- сера - не более 0,035;
- фосфор - не более 0,035;
- никель - не более 5,00.
Образование твердого раствора олова в железной матрице усиливает хрупкость ферритной составляющей структуры данной стали и тем самым облегчает разрушение ее поверхностного слоя. Сульфидная фаза, представленная включениями на основе марганца, формирует смазочный слой в зоне контакта обрабатываемого материала и режущего инструмента и способствует предотвращению их схватывания в ходе обработки металла.
Известная сталь имеет следующие недостатки:
- химический состав, и содержание олова в частности, не обеспечивает необходимого уровня обрабатываемости, требующегося для осуществления высокопроизводительного лезвийного резания стали в сложившейся ситуации увеличения доли скоростной механообработки в общем объеме всех методов получения заданных геометрических параметров изделий;
- отсутствуют данные о содержании серы и фосфора, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием и ее повышенной горячей деформируемости при условии сохранения требуемого уровня механических свойств;
- при высоком остаточном содержании никеля не указано его оптимальное значение, что весьма важно, поскольку с увеличением концентрации данного элемента возрастает вероятность уменьшения производительности процесса пластического деформирования вследствие образования в стали интерметаллидных соединений с оловом, выделяющихся на границах зерен и ослабляющих связь между кристаллитами в ходе горячей обработки металла давлением.
Кроме того, известна среднеуглеродистая легированная сталь повышенной механической обрабатываемости АС38ХГМ (ГОСТ 1414-75. Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия (Переиздание, с Изменениями №1, 2, 3, с Поправками). - Введ. 1977-01-01. - М.: Изд-во стандартов), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, свинец и железо при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- углерод - 0,34-0,40;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,60-0,90;
- хром - 0,80-1,10;
- молибден - 0,15-0,25;
- свинец - 0,15-0,30;
- железо - основа.
Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, масс.%:
- серу - не более 0,030;
- фосфор - не более 0,035;
- никель - не более 0,30;
- медь - не более 0,30.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- низкая степень усвоения свинца, обусловленная высокой упругостью пара и низкой температурой кипения, и, как следствие, увеличение себестоимости стали за счет его преднамеренного перерасхода, поскольку при расчете необходимого количества легирующих добавок заранее исходят из их повышенной против требуемой массы с учетом предполагаемых потерь окислением и испарением;
- принципиальная невозможность дальнейшего улучшения механической обрабатываемости стали, которое требуется в современных условиях неизменного стремления к повышению производительности труда и наращиванию объемов производства, методом последовательного увеличения содержания свинца больше известных значений, поскольку превышение его предела растворимости в железе приводит к значительному ухудшению механических свойств металла;
- неравномерное распределение свинца в теле слитка вследствие его большой физической плотности, что затрудняет гарантированное получение заданных свойств стали и обусловливает понижение процента выхода годного металла, а следовательно, и производительности операции горячей обработки давлением из-за скопления данного компонента в определенных участках объема и усиления анизотропии свойств по сечению передельной заготовки;
- не указано оптимальное остаточное содержание никеля, позволяющее избежать ухудшения горячей деформируемости стали при повышении концентрации данной примеси в результате уменьшения растворимости свинца в железной матрице;
- не указано соотношение концентраций никеля и меди, при котором удается добиться устранения вредного влияния меди на горячую пластичность стали и предотвратить проявление красноломкости ее поверхностного слоя при обработке металла давлением;
- свинец обладает ярко выраженным токсикологическим действием на организм человека и согласно установленным на сегодня гигиеническим нормативам относится к «чрезвычайно опасным» веществам, поэтому предприятия черной металлургии постепенно отказываются от его применения вследствие резкого ухудшения условий труда рабочего персонала при производстве автоматных сталей.
Данная сталь как наиболее схожая по химическому составу и механическим свойствам принята за ближайший аналог.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение обрабатываемости стали резанием и увеличение производительности процесса ее горячей обработки давлением при сохранении требуемых механических характеристик металла, а также улучшение экологической обстановки производства за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу ввиду полного исключения из состава материала высокотоксичных компонентов.
Техническое решение поставленной задачи достигается за счет того, что предлагаемая сталь в своем составе в качестве элемента, повышающего механическую обрабатываемость, содержит олово при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- углерод - 0,34-0,40;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,60-0,90;
- хром - 0,80-1,10;
- молибден - 0,15-0,25;
- олово - 0,05-0,30;
- железо - основа.
Кроме того, в качестве примесей сталь дополнительно может содержать, масс.%:
- серу - не более 0,025;
- фосфор - не более 0,025;
- медь - не более 0,30;
- никель - не более 0,20.
При этом отношение содержания никеля к содержанию меди находится в пределах от 1 до 4.
Олово как легирующий элемент, повышающий механическую обрабатываемость стали, по сравнению с традиционно использовавшимся ранее с этой целью свинцом имеет определенные преимущества.
Во-первых, олово имеет гораздо более высокий предел растворимости в железе по сравнению со свинцом: 9,20 ат.% и 0,25 ат.% соответственно. В сочетании с оптимальным содержанием в стали серы и фосфора это позволит в дальнейшем расширить допустимые пределы его содержания в стали и открывает широкие перспективы для развития прогрессивных высокопроизводительных способов формообразования поверхности.
Во-вторых, данный элемент обладает высокой степенью усвоения, что объясняется низкой упругостью пара и температурой кипения, значительно превосходящей рабочие температуры сталеплавильных процессов, которые препятствуют его свободному испарению с поверхности зеркала ванны жидкого металла. Это позволяет более рационально использовать легирующие материалы и оптимизировать себестоимость стали.
В-третьих, из-за своей физической плотности сопоставимой с плотностью жидкой стали олово равномерно распределяется в теле слитка. Это позволяет предотвратить появление дефектов поверхностного слоя заготовки во время операции его горячей обработки давлением и тем самым увеличить процент выхода годного металла, повысив производительность третьего передела.
В-четвертых, применение олова способствует значительному улучшению экологической обстановки производства и санитарно-гигиенических условий труда рабочего персонала за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу ввиду полного исключения из состава стали высокотоксичных компонентов.
Это связано с тем, что свинец относится к «чрезвычайно опасным» веществам, и его содержание в атмосфере цеха ограничено величиной среднесменной предельно допустимой концентрации (ПДК) - 0,05 мг/м3, а значения ПДК и ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ) в воздухе рабочей зоны для чистого металлического олова на сегодня не установлены. Кроме того, олово вследствие более низкого по сравнению с железом химического сродства к кислороду, высокой температуры кипения и низкой упругости его паров ни при каких условиях выплавки стали не образует вредных газо- и пылевидных выбросов, благодаря чему этот элемент, не окисляясь, практически полностью остается в металле в растворенном состоянии.
Сущность изобретения - выявление оптимального содержания олова, серы, фосфора, меди и никеля, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием и повышения производительности процесса ее обработки давлением при условии сохранения требуемых значений механических свойств.
В результате проведенных исследований установлено следующее:
- при содержании олова меньше нижнего предела не удается достигнуть требуемого высокого уровня механической обрабатываемости стали;
- при условии содержания олова по нижнему пределу обрабатываемость предлагаемой стали сопоставима с обрабатываемостью металла аналогичной свинецсодержащей марки;
- увеличение содержания олова, серы и фосфора выше заявленных пределов приводит к ухудшению механических свойств металла;
- превышение заявленного содержания никеля, также как и несоблюдение соотношения концентраций никеля и меди в стали приводит к ухудшению технологических свойств металла;
- при содержании олова, серы, фосфора и никеля в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 14% превышает величину обрабатываемости свинецсодержащего аналога, а производительность процесса горячей обработки давлением увеличивается на 11%; в то же время сталь сохраняет свои высокие механические характеристики, а ее получение характеризуется пониженной загрязненностью воздуха рабочей зоны и более безопасными условиями труда производственного персонала.
Испытания по определению механической обрабатываемости стали и производительности операции горячей обработки металла давлением проводили на технической базе ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет».
Эффективность токарной обработки оценивалась по изменению стойкости инструментального материала при заданной скорости резания заготовок. В качестве критерия для оценки обрабатываемости стали было установлено значение приведенной стойкости, выраженное величиной износа режущего инструмента по задней поверхности при обработке одной детали.
Производительность процесса обработки давлением оценивалась по значению выхода годного металла, определяемого соотношением количества бездефектных заготовок к общему количеству деформированных слитков.
В качестве базового уровня приняты обрабатываемость резанием и производительность обработки давлением среднеуглеродистой легированной стали повышенной механической обрабатываемости АС38ХГМ, которая произведена в соответствии с требованиями ГОСТ 1414-75.
Химический состав известной стали марки АС38ХГМ, которая принята за ближайший аналог, и предлагаемой стали приведен в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Химический состав сталей | |||||||||||
| № пр. | Содержание компонента, масс.% | ||||||||||
| Сталь | С | Si | Mn | S | P | Cr | Mo | Ni | Cu | Sn | |
| 0,34 | 0,17 | 0,60 | н.б. | н.б. | 0,80 | 0,15 | н.б. | н.б. | |||
| АС38ХГМ | 1 | 0,40 | 0,37 | 0,90 | 0,030 | 0,035 | 1,10 | 0,25 | 0,30 | 0,30 | - |
| 2 | 0,36 | 0,30 | 0,76 | 0,032 | 0,031 | 0,94 | 0,21 | 0,18 | 0,19 | 0,29 | |
| 3 | 0,39 | 0,23 | 0,66 | 0,022 | 0,023 | 0,86 | 0,17 | 0,22 | 0,21 | 0,27 | |
| 4 | 0,39 | 0,27 | 0,71 | 0,014 | 0,019 | 0,98 | 0,20 | 0,13 | 0,16 | 0,04 | |
| 5 | 0,37 | 0,33 | 0,77 | 0,018 | 0,016 | 0,90 | 0,17 | 0,12 | 0,08 | 0,05 | |
| 6 | 0,37 | 0,25 | 0,69 | 0,025 | 0,025 | 0,94 | 0,20 | 0,20 | 0,08 | 0,30 | |
| Предлагаемая | 7 | 0,38 | 0,29 | 0,71 | 0,024 | 0,022 | 0,96 | 0,16 | 0,17 | 0,14 | 0,32 |
| 8 | 0,35 | 0,25 | 0,76 | 0,022 | 0,018 | 0,91 | 0,16 | 0,19 | 0,21 | 0,11 | |
| 9 | 0,38 | 0,34 | 0,78 | 0,013 | 0,015 | 0,99 | 0,17 | 0,15 | 0,15 | 0,10 | |
| 10 | 0,35 | 0,27 | 0,70 | 0,016 | 0,013 | 0,97 | 0,18 | 0,20 | 0,05 | 0,20 | |
| 11 | 0,36 | 0,35 | 0,64 | 0,023 | 0,020 | 1,04 | 0,16 | 0,20 | 0,04 | 0,19 | |
| 12 | 0,36 | 0,26 | 0,69 | 0,010 | 0,011 | 0,89 | 0,19 | 0,15 | 0,07 | 0,26 |
Прочностные и пластические характеристики сравниваемых сталей в деформированном и термически обработанном состоянии (после закалки и отпуска), а также измеренный уровень механической обрабатываемости и аппроксимированная производительность технологической операции горячего пластического деформирования представлены в таблице 2.
| Таблица 2 | |||||||
| Механические и технологические свойства сталей | |||||||
| Временное сопротивле ние σВ, МПа |
Предел текуче сти σ0,2, МПа |
Ударная вязкость KCU, Дж/см2 |
|||||
| Сталь | № пр. | Относитель ное удлинение δ, % |
Производитель ность обработки давлением |
Обрабатывае мость резанием |
|||
| АС38ХГМ | 1 | н.м. 930 | н.м. 785 | н.м. 11,0 | н.м. 78 | 1,00 | 1,00 |
| 2 | 1235 | 1184 | 9,6 | 65 | Оценка не проводилась | ||
| 3 | 1233 | 1180 | 11,0 | 79 | 0,95 | 1,15 | |
| 4 | 1192 | 1158 | 12,8 | 91 | 1,19 | 0,98 | |
| 5 | 1194 | 1164 | 12,8 | 89 | 1,18 | 1,00 | |
| 6 | 1237 | 1206 | 11,0 | 78 | 1,04 | 1,16 | |
| Предлагаемая | 7 | 1229 | 1201 | 9,8 | 62 | Оценка не проводилась | |
| 8 | 1213 | 1178 | 11,0 | 86 | 0,98 | 1,06 | |
| 9 | 1211 | 1175 | 11,4 | 87 | 1,00 | 1,05 | |
| 10 | 1224 | 1192 | 11,8 | 83 | 1,16 | 1,00 | |
| 11 | 1225 | 1194 | 11,6 | 81 | 1,14 | 0,99 | |
| 12 | 1232 | 1202 | 11,2 | 82 | 1,11 | 1,14 |
Пример 1. Известная среднеуглеродистая легированная сталь повышенной механической обрабатываемости АС38ХГМ. Уровень механической обрабатываемости и производительность горячей обработки давлением приняты в качестве базовых значений для сравнения. В ходе процессов производства стали отмечено выделение в окружающую атмосферу чрезвычайно токсичных паров свинца.
Пример 2. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям ГОСТа. Оценка эффективности механической обработки стали и производительности процесса горячей обработки давлением не проводилась.
Пример 3. Содержание никеля больше верхнего предела. Происходит уменьшение производительности процесса горячего пластического деформирования металла.
Пример 4. Содержание олова меньше нижнего предела. Уровень обрабатываемости предложенной стали ниже, чем у известного аналога.
Пример 5. Содержание олова в стали находится на уровне нижней границы заявленного диапазона. Обрабатываемость резанием предложенной стали сопоставима с механической обрабатываемостью ее аналога.
Пример 6. Содержание серы, фосфора, никеля и олова находится на уровне верхней границы заявленных диапазонов. Показатели механических свойств металла соответствуют минимальным предельно допустимым значениям, принятым для свинецсодержащего аналога.
Пример 7. Содержание олова больше верхнего предела. Значения механических свойств металла выходят за рамки, установленные ГОСТом. Исследование технологических свойств предлагаемой стали не проводилось.
Пример 8. Соотношение между содержанием никеля и меди выходит за нижнюю регламентированную границу. Понижается производительность обработки металла давлением.
Пример 9. Соотношение между содержанием никеля и меди находится на уровне нижнего предела из заявленного диапазона. Производительность обработки предложенной стали давлением сопоставима с эффективностью операции горячего пластического деформирования аналога.
Пример 10. Соотношение между содержанием никеля и меди имеет значение, соответствующее верхнему заявленному пределу. Уровень обрабатываемости предложенной стали сопоставим с обрабатываемостью известного аналога.
Пример 11. Соотношение между содержанием никеля и меди выходит за верхнюю установленную границу. Уменьшается эффективность процесса токарной обработки.
Пример 12. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств среднеуглеродистой легированной стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 14% выше, чем у известного аналога, а производительность горячей обработки давлением возрастает на 11%. Вместе с тем существенно уменьшается загрязненность воздуха рабочей зоны.
Таким образом, более высокий уровень обрабатываемости резанием предложенной стали и увеличение производительности процесса горячей обработки давлением в совокупности с сохранением комплекса требуемых механических свойств металла и улучшением экологии металлургического производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.
1. Среднеуглеродистая легированная сталь повышенной механической обрабатываемости, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит олово при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,34 - 0,40 |
| кремний | 0,17 - 0,37 |
| марганец | 0,60 - 0,90 |
| хром | 0,80 - 1,10 |
| молибден | 0,15 - 0,25 |
| олово | 0,05 - 0,30 |
| железо и примеси | остальное |
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что вредные примеси дополнительно ограничены содержанием, мас.%: сера - не более 0,025, фосфор - не более 0,025, никель - не более 0,20, медь - не более 0,3.
3. Сталь по п.2, отличающаяся тем, что отношение содержания никеля к содержанию меди находится в пределах от 1 до 4.
