АВТОМАТНАЯ ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ Российский патент 1999 года по МПК C22C38/40 

Изобретение относится к металлургии, а именно к легированной автоматной стали, используемой в машиностроении. Известна автоматная сталь, содержащая углерод, марганец, серу, висмут при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 0,06 - 1,00
Марганец - 0,3 - 1,6
Сера - 0,03 - 0,50
Висмут - 0,05 - 0,40
Железо - Остальное
Кроме того, сталь может содержать примеси: кремний - не более 0,30%, фосфор - не более 0,12%.

Микроструктура стали содержит включения сульфида марганца, которые инициируют образования микротрещин, и висмутсодержащие включения, охрупчивающие металл во время механической обработки резанием за счет образования жидкой фазы.

Недостатками известной стали являются:
- при превышении содержания висмута выше предельной растворимости в жидкой стали (Bi > 0,20%) в металле появляются избыточные включения Bi, снижающие механические свойства стали;
- не указано содержание серы и висмута, при котором достигается регламентированная обрабатываемость стали при сохранении требуемых механических свойств;
- химический состав стали не обеспечивает механических свойств, требуемых для изготовления деталей со специфическими свойствами.

Кроме того, известна автоматная легированная свинецсодержащая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, свинец, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,13 - 0,21
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,70-1,10
Хром - 0,80-1,10
Никель - 0,80 - 1,10
Свинец - 0,15 - 0,30
Сера - Не более 0,035
Фосфор - Не более 0,035
Железо - Остальное
Недостаткам известной стали являются:
- невозможность реализовать потенциальную производительность станков автоматов и полуавтоматов, так как свинец, компонент, повышающий обрабатываемость резанием, исчерпал возможность к дальнейшему повышению обрабатываемости. Сера и фосфор, инициирующие повышение обрабатываемости при их содержании вплоть до верхнего предела в сочетании со свинцом, влияния на обрабатываемость практически не оказывают.

Увеличение содержания серы и фосфора выше верхнего предела невозможно из-за снижения механических свойств стали, что делает сталь непригодной для изготовления деталей, принятых за базовые;
- "выпотевание" свинца на поверхность полосы во время прокатки снижает коэффициент трения между полосой и валками, появляются пробуксовки полосы в валках и необходимость "забивания" полосы в валки вспомогательной заготовкой, а это снижает производительность и безопасность труда при прокатке;
- токсичность свинца, ухудшающая экологическую обстановку, ограничивает производство стали и полностью не удовлетворяет потребности в сталях высокой обрабатываемости.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение обрабатываемости резанием, производительности и безопасности прокатки сталей при сохранении механических свойств идентичных свинецсодержащих сталей и улучшение экологической обстановки производства этих сталей.

Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагается автоматная легированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, серу, фосфор, железо и дополнительно висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,13 - 0,21
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,70-1,10
Хром - 0,80 - 1,10
Никель - 0,80 - 1,10
Сера - 0,008 - 0,035
Фосфор - 0,12 - 0,20
Висмут - 0,12 - 0,20
Железо - Остальное
Преимущество висмута заключается в том, что висмут обладает особым свойством, а именно увеличением объема при переходе из жидкого в твердое состояние. Это позволяет увеличить обрабатываемость стали выше обрабатываемости стали, легированной свинцом, а при регламентации серы и фосфора, инициирующих образование микротрещин и охрупчивающих металл во время обработки резанием, обрабатываемость повышается до 40% и более при сохранении механических свойств, присущих идентичной свинецсодержащей стали.

Вторым преимуществом, являющимся следствием особого свойства висмута, является снижение, вплоть до полного устранения, "выпотевания" висмута на поверхность заготовки при прокатке, что улучшает захват полосы валками, устраняет пробуксовку полосы в валках и, как следствие, повышает производительность и безопасность процесса прокатки, а также является фактором, снижающим выделение аэрозолей висмута в атмосферу цеха.

Следующим преимуществом висмута является то, что висмут, как компонент относительно безвредный (ПДКвисмута/=0,5 мг/м³, ПДКсвинца = 0,01 мг/м³ разовая, 0,007 среднесменная), улучшает экологические условия производства автоматной легированной стали.

Сущность изобретения - выявление содержания висмута, серы и фосфора, улучшающих обрабатываемость стали до оптимального (максимального) уровня при сохранении механических свойств, присущих идентичной автоматной легированной свинецсодержащей стали.

Экспериментально установлено:
- при содержании висмута, серы или фосфора ниже нижнего предела, оптимальная обрабатываемость не достигается,
- увеличение содержания висмута выше верхнего предела, соответствующего предельной растворимости висмута в жидкой стали, серы или фосфора приводит к снижению механических свойств стали,
- при содержании висмута 0,07%, серы и фосфора по 0,008% обрабатываемость стали соответствует обрабатываемости, идентичной свинецсодержащей стали,
- при содержании висмута 0,12-0,20%, серы и фосфора по 0,008-0,035% обеспечивается обрабатываемость на 40% и более, превышающей обрабатываемость, идентичной свинецсодержащей стали при сохранении требуемых механических свойств,
- производительность прокатки висмутсодержащей стали на 15-20% выше производительности прокатки свинецсодержащей стали,
- выделение аэрозолей висмута во время выплавки и прокатки стали ниже предельно допустимой концентрации.

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 резанию легированной висмутсодержащей стали проводили в цехе N 31 МСП ВАЗ на 6-шпиндельных токарно-прутковых автоматах и на 4-шпиндельных токорнорасточных полуавтоматах при изготовлении деталей, принятых за базовые по критерию интенсивности износа и инструмента, характеризуемого количеством изготовленных деталей, приходящихся на 0,1 мм износа инструмента.

За базовую обрабатываемость принята обрабатываемость известной легированной свинецсодержащей стали по ГОСТ 1414-75.

Оценку экологической обстановки проводили в цехах ОАО "МЕЧЕЛ" Челябинский металлургический комбинат при выплавке и прокатке предлагаемой стали и известной методом отсоса проб воздуха в местах интенсивного выделения вредных примесей. Производительность и безопасность прокатки оценивали в прокатных цехах этого же предприятия.

Результаты испытаний известной и предлагаемой стали приведены в табл.1 (химический состав) и табл. 2 (механические и др. свойства сталей).

Примеры 1,2. Известная сталь по ГОСТу 1414-75.

Показано выделение вредных примесей свинца при разливке и прокатке сталей. Производительность прокатки стали и ее обрабатываемость приняты за базовые.

Пример 3. Опытная проверка.

Проведена в лабораторных условиях. Содержание хрома и марганца ниже нижнего предела. Висмут, сера и фосфор в заявленных пределах. Обрабатываемость оптимальная, но механические свойства не соответствуют требованиям технических условий. Сталь не пригодна для использования по прямому назначению.

Пример 4.

Углерода и марганца выше верхнего предела. Твердость выше требуемой. Сталь не пригодна для использования по прямому назначению.

Пример 5.

Серы меньше нижнего предела, обрабатываемость не достигает оптимального уровня.

Пример 6.

Серы больше верхнего предела. Ударная вязкость ниже требуемой. Сталь не пригодна для использования по прямому назначению.

Пример 7.

Фосфора меньше заявленного нижнего предела. Обрабатываемость не достигает оптимальной.

Пример 8.

Фосфора больше верхнего предела. Предел текучести, временное сопротивление, ударная вязкость ниже указанных в технических условиях. Испытаний на обрабатываемость не проводили.

Пример 9.

Висмута меньше нижнего предела. Сера и фосфор в заявленных пределах. Обрабатываемость ниже оптимальной.

Пример 10. Висмута больше верхнего предела. Сталь не соответствует техническим условиям.

Примеры 11-13.

Сталь в заявленных пределах. Обрабатываемость оптимальная. Производительность прокатки на 18-20% выше, чем при прокатке свинецсодержащих сталей.

Таким образом, более высокая обрабатываемость резанием предлагаемых сталей при сохранении механических свойств и технологичности производства позволяет рекомендовать стали для промышленного применения.

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству сталей повышенной и высокий обрабатываемости резанием, в частности легированных автоматных сталей, используемых в машиностроении. Предложена автоматная легированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,13 - 0,21, кремний 0,17 - 0,37, марганец 0,70 - 1,10, хром 0,80 - 1,10, никель 0,80 - 1,10, сера 0,008 -0,035, фосфор 0,008 - 0,035, висмут 0,12 - 0,20, железо - остальное. Технический результат изобретения заключается в повышении обрабатываемости стали резанием в металлообрабатывающих отраслях промышленности и улучшении экологической обстановки в металлургической промышленности. 2 табл.

Автоматная легированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,13 - 0,21
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,70 - 1,10
Хром - 0,80 - 1,10
Никель - 0,80 - 1,10
Сера - 0,008 - 0,035
Фосфор - 0,008 - 0,035
Висмут - 0,12 - 0,20
Железо - Остальное