АВТОМАТНАЯ ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ Российский патент 1999 года по МПК C22C38/44 

Изобретение относится к металлургии, а именно легированной автоматной стали, используемой в машиностроении.

Известна автоматная сталь (1), 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
В состав стали в качестве примесей может входить кремний не более 0,30%, фосфор не более 0,12%. Микроструктура стали содержит включения сульфида марганца, которые инициируют образование 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 его предельной растворимости в жидкой стали (Bi > 0,20%) снижаются механические свойства стали независимо от химического состава, за счет которого они были достигнуты;
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 легированная свинецсодержащая сталь (2) высокой обрабатываемости резанием АС40ХГНМ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, свинец при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 0,37 - 0,43
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,50 - 0,80
Хром - 0,60 - 0,90
Никель - 0,70 - 1,10
Молибден - 0,15 - 0,25
Свинец - 0,15 - 0,30
Сера - н.б. 0,030
Фосфор - н.б. 0,035
Железо - Остальное
Недостатками этой стали являются
невозможность реализации потенциальной производительности 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.

Данная сталь, наиболее близкая по химическому составу и идентичная по механическим свойствам, взята за ближайший аналог.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение обрабатываемости резанием стали в металлообрабатывающих отраслях промышленности, повышение производительности и безопасности прокатки при улучшении экологической обстановки в металлургической промышленности.

Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагаемая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо и дополнительно висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,37 - 0,43
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,50 - 0,80
Хром - 0,60 - 0,90
Никель - 0,70 - 1,10
Молибден - 0,15 - 0,25
Сера - 0,008 - 0,030
Фосфор - 0,008 - 0,035
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 состояния в твердое, что создает напряжения в обрабатываемой поверхности;
поверхностное натяжение висмута (δ = 390 дин/ см при 300^oC) меньше, чем у свинца (δ = 451 дин/см при 330^oC), что облегчает заполнение микротрещин висмутом и усиливает эффект "расклинивания" (эффект Ребиндера) и, следовательно, повышает обрабатываемость;
более низкая температура плавления висмута (T_пл = 271^oC) по сравнению со свинцом (T_пл = 324^oC).

Перечисленные факторы усиливают эффект адсорбционного понижения прочности обрабатываемой поверхности, находящейся в напряженном состоянии, 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.

Второе преимущество, являющееся следствием особого свойства висмута, - это снижение, вплоть до полного устранения "выпотевания" висмута на поверхность заготовки при прокатке за счет снижения напряжений, создаваемых включениями висмута при температуре прокатки, 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 (ПДК висмута = 0,5 мг/м³, ПДК свинца = 0,01 мг/м³ разовая, 0,007 мг/м³ 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 0,008-0,030%, фосфора 0,008-0,035% обеспечивается обрабатываемость, на 40% и более превышающая 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-ти шпиндельных токарно-прутковых автоматах и на 4-х шпиндельных токарно-расточных полуавтоматах при изготовлении деталей, принятых за базовые по критерию интенсивности износа инструмента, характеризуемого количеством изготовленных деталей, приходящихся на 0,1 мм износа инструмента.

За базовую обрабатываемость принята обрабатываемость легированной свинецсодержащей стали АС40ХГНМ по ГОСТу 1414-75.

Оценку экологической обстановки проводили в цехах ОАО "Мечел" ЧМК при выплавке и прокатке предлагаемой стали и стали АС40ХГНМ методом отсоса проб в местах интенсивного выделения вредных примесей. Производительность прокатки определяли в цехах этого же предприятия.

Химический состав, механические свойства, производительность, выделение вредных примесей и обрабатываемость приведены в табл. 1 и 2.

Пример 1. Известная сталь АС40ХГНМ, взятая за ближайший аналог - выписка из ГОСТа 1414-75. Показано выделение вредных примесей свинца при разливке и прокатке стали. Производительность и обрабатываемость стали приняты за базовые.

Пример 2. Углерода и хрома меньше нижнего предела. Висмут, сера, фосфор в заявленных пределах. Производительность и обрабатываемость высокие. Механические свойства ниже требуемых. Сталь непригодна для использования по прямому назначению.

Пример 3. Углерода и марганца больше верхнего предела. Относительное удлинение и твердость не соответствует техническим требованиям.

Пример 4. Серы меньше нижнего предела. Обрабатываемость ниже оптимальной.

Пример 5. Серы больше верхнего предела. Ударная вязкость ниже требуемой.

Пример 6. Фосфора меньше нижнего предела. Обрабатываемость ниже оптимальной.

Пример 7. Фосфора больше верхнего предела. Механические характеристики ниже требуемых. Сталь непригодна для применения по прямому назначению. Испытаний на обрабатываемость не проводили.

Пример 8. Висмута меньше нижнего предела. Обрабатываемость не достигает оптимальной.

Пример 9. Висмута больше верхнего предела. Механические свойства ниже указанных в технических условиях.

Пример 10-12. Сталь в заявленных пределах. Обрабатываемость оптимальная. Производительность прокатки на 19-20% выше, чем у стали АС40ХГНМ.

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

Изобретение относится к металлургии? в частности к разработке легированной автоматной стали, используемой в машиностроении. Предложена автоматная легированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод -0,37 - 0,43; кремний -0,17 - 0,37; марганец -0,50 - 0,80; хром -0,60 - 0,90; никель -0,70 -1,10; -молибден -0,15 - 0,25; сера -0,008 - 0,030; 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, повышении производительности и безопасности прокатки при улучшении экологической обстановки в металлургической промышленности. 2 табл.

Автоматная легированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,37 - 0,43
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,50 - 0,80
Хром - 0,60 - 0,90
Никель - 0,7 - 1,10
Молибден - 0,15 - 0,25
Сера - 0,008 - 0,030
Фосфор - 0,008 - 0,035
Висмут - 0,12 - 0,20
Железо - Остальное