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

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству сталей повышенной и высокой обрабатываемости резанием, в частности легированных автоматных сталей.

Известна автоматная сталь, содержащая углерод марганец, серу, висмут, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,06 - 1,0
Марганец - 0,3 - 1,6
Сера - 0,03 - 0,50
Висмут - 0,05 - 0,40
Железо - Остальное
Сталь может содержать до 0,30% кремния и не более 0,12% фосфора.

В микроструктуре стали имеются включения сульфида марганца, инициирующие образование микротрещин и висмутсодержащие включения, охрупчивающие металл во время механической обработки резанием за счет образования жидкой фазы (1).

Висмут и сера повышают обрабатываемость стали резанием и одновременно снижают механические свойства стали. Особенно резкое снижение свойств происходит при содержании висмута выше предельной растворимости его в стали (>0,20%). Регламентированная обрабатываемость стали достигается при содержании серы и висмута в пределах, которые не указаны. Химический состав стали не обеспечивает механических свойств, требуемых для изготовления деталей, применяемых в специфических условиях эксплуатации.

Кроме того, известна легированная свинецсодержащая сталь АС20ХГНМ,содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,18 - 0,23
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,70 - 1,10
Хром - 0,40 - 0,70
Никель - 0,40 - 0,70
Молибден - 0,15 - 0,25
Свинец - 0,15 - 0,30
Сера - н.б. 0,035
Фосфор - н.б. 0,035
Железо - Остальное
Сталь предназначена для изготовления ответственных деталей в автомобилестроении и машиностроении на станках автоматах и полуавтоматах.

Недостатками 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 предельного 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, что снижает коэффициент трения между полосой и валками, в результате ухудшается захват полосы валками, появляются пробуксовки полосы в валках, а это снижает производительность и безопасность прокатки;
- токсичность свинца, ухудшающая экологическую обстановку, что ограничивает производство свинецсодеражащей стали, и неполно удовлетворяет потребности в металле повышенной обрабатываемости в автомобилестроении и машиностроении.

Данная сталь, наиболее близкая по химическому составу, идентичная по механическим свойствам, взята за прототип.

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

Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, серу, фосфор и железо, она дополнительно содержит висмут при
следующем соотношении компонетов, мас.%:
Углерод - 0,18 - 0,23
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,70 - 1,10
Хром - 0,40 - 0,70
Никель - 0,40 - 0,70
Молибден - 0,15 - 0,25
Сера - 0,008 - 0,035
Фосфор - 0,008 - 0,035
Висмут - 0,12 - 0,20
Железо - Остальное
Преимущество висмута, обладающего особым свойством, а именно увеличение объема при переходе из жидкого в твердое состояние, позволяет повысить обрабатываемость стали выше обрабатываемости свинецсодержащей стали, 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, гарантируется снижение, вплоть до полного устранения "выпотевания" висмута на поверхность заготовки при прокатке, что улучшает захват полосы валками, устраняет "пробуксовку" полосы в валках. Улучшение захвата полосы валками, устранение "пробуксовки" полосы в валках снимают необходимость "прожига" валков буферным металлом, "забивание" полосы в валки вспомогательной заготовкой, что повышает производительность и безопасность прокатки.

Следующим преимуществом висмута является то, что висмут, как компонент относительно безвредный (ПДК висмута = 0,5 мг/м ³, ПДК свинца = 0,01 мг/м³ разовая 0,007 мг/м³ среднесменная) улучшает экологические условия производства автоматной легированной висмутсодержащей стали по сравнению с аналогичной свинецсодержещей сталью.

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

Экспериментально установлено: при содержании висмута 0,07%, серы и фосфора по 0,008% обрабатываемость стали соответствует обрабатываемости идентичной свинецсодержащей стали, оптимальная обрабатываемость, а именно на 40% и более превышающая обрабатываемость идентичной свинецсодержащей стали при сохранении механических свойств, если содержание висмута в пределах 0,12 - 0,20%, серы и фосфора 0,008 - 0,035%. при содержании висмута, серы и фосфора ниже нижнего предела оптимальная обрабатываемость не достигается; увеличение содержания висмута выше верхнего предела, соответствующего предельной растворимости висмута в жидкой стали, серы и или фосфора, приводят к снижению механических свойств стали; производительность прокатки стали на 15 - 20% выше производительности прокатки свинецсодержащей стали. Прокатка висмутсодержащей стали проводилась без "прожига" валков и забивания полосы в валки вспомогательной заготовкой, что и являлось причиной повышения производительности и безопасности прокатки; 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 соотвествующими 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 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 АС20ХГНМ по ГОСТу 1414-75.

Оценку экологической обстановки проводили в цехах ОАО "Мечел" ЧМК при выплавке и прокатке предлагаемой стали и стали АС20ХГНМ методом отсоса проб в местах интенсивного выделения вредных примесей. Производительность и безопасность прокатки при прокатке этих же сталей определяли в прокатных цехах ОАО "Мечел" ЧМК.

Химический состав, механические свойства и обрабатываемость приведены в таблицах 1 и 2.

Пример 1. Известная сталь АС20ХГНМ, взятая за прототип. Выписка из ГОСТа 1414-75. Показано выделение вредных аэрозолей свинца при производстве стали. Производительность прокатки принята за 1,0. Обрабатываемость стали принята за базовую.

Пример 2. Хрома и марганца меньше нижнего предела. Сталь не соответствует техническим условиям.

Пример 3. Хрома и марганца больше верхнего предела. Сталь не соответствует техническим условиям.

Пример 4. Серы меньше нижнего предела. Обрабатываемость не достигает оптимальной.

Пример 5. Серы больше верхнего предела. Ударная вязкость ниже требуемой. Сталь непригодна к использованию по прямому назначению.

Пример 6. Фосфора меньше нижнего предела. Обрабатываемость не достигает оптимальной.

Пример 7. Фосфора больше верхнего предела. Предел текучести и временное сопротивление ниже требуемых. Сталь непригодна к использованию по прямому назначению.

Пример 8. Висмута меньше нижнего предела. Обрабатываемость ниже оптимальной.

Пример 9. Висмута больше верхнего предела. Снижается все контролируемые механические характеристики. Сталь непригодна для использования по прямому назначению.

Примеры 10 - 12. Сталь в заявленных пределах. Механические свойства предлагаемой стали на уровне известной стали. Обрабатываемость оптимальная. Производительность прокатки на высоком уровне. Таким образом высокая обрабатываемость резанием и производительность прокатки при сохранении требуемых механических свойств при улучшении экологической обстановки производства стали позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству сталей повышенной и высокой обрабатываемости резанием, в частности легированных автоматных сталей, используемых 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 0,18 - 0,23, кремний 0,17 - 0,37, марганец 0,70 - 1,10, хром 0,40 - 0,70, никель 0,40 - 0,70, молибден 0,15 - 0,25, 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, молибден, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,18 - 0,23
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,70 - 1,10
Хром - 0,40 - 0,70
Никель - 0,40 - 0,70
Молибден - 0,15 - 0,25
Сера - 0,008 - 0,035
Фосфор - 0,008 - 0,035
Висмут - 0,12 - 0,20
Железо - Остальное