АВТОМАТНАЯ СТАЛЬ Российский патент 1998 года по МПК C22C38/60 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к автоматным сталям, применяемым в машиностроении.

Известна низкоуглеродистая автоматная сталь, содержащая кальций и серу, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,03 - 0,10
Кремний - до 0,3
Марганец - 0,8 - 1,5
Фосфор - 0,04 - 0,10
Сера - 0,20 - 0,45
Кальций - 0,0003 - 0,0050
Свинец - до 0,25
Теллур - до 0,10
Висмут - до 0,15
Олово - до 0,2
Цинк - до 0,2
Мышьяк - до 0,2
Таллий - до 0,2
Железо - Остальное
Кроме того, сталь содержит примеси меди, никеля, хрома и азота. Содержание углерода, кремния, марганца, фосфора, серы, меди, никеля, хрома и азота регулируются таким образом, чтобы теоретическое значение твердости по Бринелю стальной матрицы, определяемой по формуле:
HB = 70 + 230(%C) + 560(%N) + 112(%P) + 33(%Si) + 23(%Mn) + 8(%Ni) + 8(%Cu) + 7(%Cr) - 39(%S),
составляло 110 - 130.

К недостаткам этой стали следует отнести, прежде всего соотношение содержания марганца и серы, равное 1,77 - 7,5.

Известно, что сера при температуре 988^oC образует эвтектику Fe - FeS, что приводит к расслоению заготовок при прокатке, т.е. образованию брака.

Кроме того, известная сталь содержит токсичные вещества свинец, теллур, мышьяк и др.), которые выделяются при высоких температурных на всех переделах стали в окружающую среду.

Известна автоматная сталь AC - 14, содержащая, мас.%:
Углерод - 0,10 - 0,17
Марганец - 1,0 - 1,3
Сера - 0.15 - 0,30
Свинец - 0,15 - 0,30
Железо - Остальное.

Кроме того, сталь содержит примеси фосфора не более 1%, кремния - не более 0,12%. Соотношение марганца и серы равно 3,3 - 8,6. Появление красноломкости менее вероятно.

К недостаткам этой стали следует отнести сравнительно низкую обрабатываемость и выделение вредных соединений свинца на всех металлургических переделах. Эта сталь наиболее близка по составу и назначению и взята за прототип.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение обрабатываемости резанием в металлообрабатывающих отраслях промышленности, улучшение экологической обстановки в металлургической промышленности.

Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагается сталь содержащая в мас.%,
Углерод - 0,10 - 0,17
Марганец - 1,0 - 1,3
Сера - 0,15 - 0,30
Висмут - 0,08 - 0,25
Фосфор - 0,05 - 0,15
Железо - Остальное.

Отличительной особенностью в предлагаемой стали является дополнительное содержание висмута и фосфора.

Соотношение компонентов в предлагаемой стали установлено экспериментально и является оптимальным.

Состав и свойства известной и предлагаемой стали приведены в таблице.

Содержание углерода 0,10 - 0,17%.

При содержании углерода меньше 0,10% снижаются механические характеристики, а именно пределы прочности и текучести. Следовательно, использовать сталь по прямому назначению, как конструкционный материал, пригодный для обработки резанием на повышенных скоростях, невозможно.

Увеличение содержания углерода выше верхнего предела 0,17% приводит к снижению пластичности и повышению твердости. Снижение пластичности ведет к повышению брака при прокатке, а повышение твердости - к невозможности использования стали по своему назначению, как конструкционного материала, пригодного для обработки резанием на повышенных скоростях.

Содержание марганца составляет 1,0 - 1,3%.

При содержании марганца меньше нижнего предела 1,0% снижаются механические характеристики и повышается красноломкость. Марганца недостаточно для образования сульфида марганца с температурой плавления 1700^oC, а образующаяся эвтектика Fe - FeS приводит к браку во время прокатки.

При содержании марганца больше 1,3% снижается пластичность (относительное удлинение) и повышается твердость, что делает сталь непригодной к использованию по своему назначению, как конструкционного материала, пригодного для обработки резанием при повышенных скоростях.

Содержание серы составляет 0,15 - 0,30%.

Количественное содержание серы меньше нижнего предела 0,15% приводит к резкому снижению обрабатываемости.

Количественное содержание серы выше 0,30% приводит к увелические красноломкости, а это ведет к браку в процессе прокатки.

Содержание висмута в стали 0,08 - 0,25%.

Экспериментально установлено, что минимальное содержание висмута в предлагаемой стали обеспечивает обрабатываемость ее на уровне свинецсодержащей стали.

Верхний предел содержания висмута 0,25%, что совпадает с пределом растворимости висмута в жидкой стали.

При содержании висмута меньше 0,08% обрабатываемость стали ниже обрабатываемости свинецсодержащей стали AC14.

При содержании висмута более 0,25% происходит неоднородное распределение висмута по матрице.

Установлено также, что при регламентации содержания фосфора резко возрастает обрабатываемость висмутсодержащей стали (в 1,7 раза).

Содержание фосфора в стали 0,05 - 0,15%.

Количественное содержание фосфора менее 0,05% не приводит к повышению обрабатываемости стали.

При содержании фосфора более 0,15% снижается пластичность стали, увеличивается ее твердость, что делает невозможным применение стали по ее основному назначению в качестве автоматной стали.

Другим аспектом предлагаемого изобретения является улучшение экологической обстановки. Предельно-допустимая концентрация свинца в воздухе должна составлять 0,01 мг/м³.

При производстве свинецсодержащих сталей, как сталь марки AC14, концентрация свинца достигает 50 раз. Предельно-допустимая концентрация (ПДК) висмута должна составлять 0,5 мг/м³, т.е. в 50 раз больше, чем свинца. При производстве предлагаемой стали содержание висмута в воздухе не достигает уровня ПДК.

Примеры 1 - 3. Сталь по прототипу применяется в настоящее время как основная автоматная сталь. Обрабатываемость стали, выделение вредных примесей приняты за тот уровень, превысить который является задачей предлагаемого изобретения. Механические свойства - это уровень, который должна сохранить предлагаемая сталь.

Примеры 4 - 6. Предлагаемая сталь. Все компоненты стали в заданных пределах. Механические характеристики стали находятся на уровне стали AC14 или превышают их. Выделение вредных примесей ниже ПДК. Обрабатываемость стали возрастает более чем в 1,7 раз.

Примеры 7 - 8. Предлагаемая сталь с запредельным содержанием компонентов.

Пример 7. Содержанием углерода, марганца, серы, фосфора и висмута - ниже нижних предлагаемых пределов. Из-за пониженного содержания упрочняющих элементов - углерода, марганца, фосфора снижаются прочностные характеристики стали, что делает невозможным ее использование по прямому назначению в качестве конструкционного материала. Из-за пониженного содержания серы, висмута и фосфора снижается количество включений, улучшающих обрабатываемость, что приводит к снижению обрабатываемости стали на 20% по сравнению с AC14.

Пример 8. Содержание углерода, марганца, серы, фосфора и висмута - выше верхних пределов. Из-за повышенного содержания углерода, марганца, фосфора повышаются прочностные характеристики стали, но существенно снижаются пластические свойства, что ведет к повышению брака в металлургическом переделе, разрушению стали при холодной деформации (калибровке). К аналогичным последствиям приводит повышенное содержание серы из-за образования излишнего количества крупных сульфидных включений. Повышенное содержание висмута приводит к его неравномерному распределению в массе металла, что не дает повышения обрабатываемости стали по сравнению с оптимальным введением висмута. При этом также ухудшается экологическая обстановка при производстве стали.

Практический пример выполнения. Сталь, приведенную в таблице, получили следующим образом. Выплавку стали приводили в 100-тонных мартеновских печах ОАО Челябинский металлургический комбинат "МЕЧЕЛ". Легирующий компонент - висмут, вводили непосредственно в центровую во время разливки. Разливку предлагаемой висмутсодержащей стали производили в сквозные изложницы на слитки 6,5.

Металл прокатывали на блюминге 1250, заготовочных станах (НЗС и стан 800) и сортовых станах 300 - 1 и 350 по действующей технологии для автоматных сталей.

При определении обрабатываемости стали использованы данные ВАЗ, куда поставлена опытная партия этой стали, производства ОАО "МЕЧЕЛ". Испытания проводили используя режущий инструмент из быстрорежущей стали P6M5, Р10К10Ф3М4.

Изобретение относится к черной металлургии. Предложена автоматная сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,10 - 0,17, марганец 1,0 - 1,3, сера 0,15 - 0,30, висмут 0,08 - 0,25, фосфор 0,05 - 0,15, железо остальное. Изобретение решает задачу повышения обрабатываемости резанием в металлообрабатывающих отраслях промышленности и улучшение экологической обстановки в металлургической промышленности за счет снижения окружающей среды свинцом. 1 табл.

Автоматная сталь, содержащая углерод, марганец, серу, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,10 - 0,17
Марганец - 1,0 - 1,3
Сера - 0,15 - 0,30
Висмут - 0,08 - 0,25
Фосфор - 0,05 - 0,15
Железо - Остальноез