АВТОМАТНАЯ СТАЛЬ Российский патент 1999 года по МПК C22C38/60 

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

Известна автоматная сталь, содержащая углерод, марганец, серу, висмут, железо, 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
Сталь может содержать примеси: кремний не более 0,30%, фосфор не более 0,12%. В микроструктуру стали входят включения сульфида марганца, которые инициируют образование микротрещин и висмутсодержащие включения, охрупчивающие металл во время механической обработки резанием за счет образования жидкой фазы (1).

Недостатками известной стали являются:
- при содержании серы и висмута около нижнего предела обрабатываемость стали повышается незначительно, а при содержании серы и висмута ближе к верхнему пределу снижаются механические свойства стали независимо от химического состава, за счет которого они были достигнуты;
- не указано содержание серы и висмута, при котором достигается оптимальная обрабатываемость стали при сохранении требуемых механических свойств;
- при низком содержании марганца и высоком серы их соотношение может достигнуть 0,6, что ведет к появлению красноломкости, а это является причиной расслоения заготовки при прокатке, т.е. брака. Известно, что сера при температуре выше 988^oC образует легкоплавкую эвтектику Fe - FeS;
- не указаны пределы содержания элементов, при которых обеспечиваются конкретные механические свойства, требуемые для изготовления деталей с определенными механическими характеристиками.

Кроме того, известна сернистомарганцовистая свинецсодержащая сталь высокой обрабатываемости резанием АС45Г2, в состав которой входит углерод, марганец, сера, свинец, железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,40 - 0,48
Марганец - 1,35 - 1,65
Сера - 0,24 - 0,35
Свинец - 0,15 - 0,35
Железо - Остальное
Допускается содержание в стали фосфора на более 0,04%. Соотношение марганца и серы 3,8 - 6,9. Появление красноломкости менее вероятно (2).

Недостатками этой стали являются:
- невозможность реализовать потенциальную производительность станков автоматов и полуавтоматов, так как свинец и сера не могут обеспечить соответствующую обрабатываемость, а фосфор, инициирующий повышение обрабатываемости, может в стали отсутствовать, и кроме того, он в сочетании со свинцом влияния на обрабатываемость практически не оказывает.

Увеличение содержания компонентов, повышающих обрабатываемость сверх верхнего предела, снижает механические свойства стали, что делает сталь непригодной для изготовления деталей, принятых за базовые;
- "выпотевание" свинца на поверхность заготовки при прокатке, особенно при содержании свинца 0,35%, снижает коэффициент трения между заготовкой и валками, в результате ухудшается захват заготовки валками, появляются пробуксовки, а это снижает производительность прокатки;
- выделение токсичных соединений свинца как при разливке, так и при прокатке стали.

Эта 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 и производительности прокатки стали при сохранении механических свойств идентичной свинецсодержащей стали и улучшении экологической обстановки производства этой стали.

Поставленная задача решается за счет того, что в сталь, содержащую углерод, марганец, серу, железо, дополнительно вводят фосфор и висмут, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,40 - 0,48
Марганец - 1,35 - 1,65
Сера - 0,24 - 0,35
Фосфор - 0,02 - 0,07
Висмут - 0,12 - 0,20
Железо - Остальное
Висмут, обладающий особым свойством, а именно увеличением объема при переходе из жидкого в твердое состояние, повышает обрабатываемость стали, по сравнению со свинецсодержащей сталью, а при таком же содержании серы и регламентации содержания фосфора обрабатываемость повышается на 60% и более при сохранении механических свойств, присущих идентичной свинецсодержащей стали.

Второе преимущество - это снижение вплоть до полного устранения "выпотевания" висмута на поверхность заготовки при прокатке, что улучшает захват полосы валками и снижает выделение аэрозолей висмута в атмосферу цеха. Улучшение захвата полосы валками снимает необходимость "прожига" валков буферным металлом, что повышает производительность прокатки.

Следующее преимущество висмута состоит в том, 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 висмутсодержащей стали.

Сущность изобретения: выявление содержания фосфора и висмута, улучшающего обрабатываемость стали до оптимального уровня при сохранении механических свойств, присущих идентичной свинецсодержащей стали.

Экспериментально установлено:
- при содержании висмута 0,06%, серы 0,24%, фосфора 0,02% обрабатываемость стали соответствует обрабатываемости свинецсодержащей стали, взятой за ближайший аналог;
- оптимальная обрабатываемость на 60% и больше достигается при содержании висмута 0,12 - 0,20%, фосфора 0,02 - 0,07%, серы 0,24 - 0,35%, висмут - это основной компонент, повышающий обрабатываемость;
- при содержании висмута ниже нижнего предела, равного 0,12%, и компонентов, инициирующих повышение обрабатываемости серы и фосфора, оптимальная обрабатываемость не достигается;
- увеличение висмута выше верхнего предела, равного 0,20%, соответствующего предельной растворимости висмута в жидкой стали, фосфора или серы, приводит к снижению механических свойств стали;
- производительность прокатки стали на 15 - 20% выше производительности прокатки стали АС45Г2, взятой за ближайший аналог;
- выделение аэрозолей висмута во время разливки стали и прокатки ниже предельно допустимой концентрации (ПДК).

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 исследования по резанию висмутсодержащей сернистомарганцовистой 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 свинецсодержащей сернистомарганцовистой стали АС45Г2 по ГОСТу 1414-75.

Оценку экологической обстановки проводили в цехах ОАО Челябинский металлургический комбинат "Мечел" при выплавке и прокатке предлагаемой стали и стали АС45Г2 методом отсоса проб в местах интенсивного выделения вредных примесей. Производительность прокатки определяли в цехах этого же предприятия.

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

Пример 1. Известная сталь АС45Г2 взята за ближайший аналог - выписка из ГОСТа 1414-75. Показано выделение вредных примесей свинца при разливке и прокатке стали. Производительность прокатки и обрабатываемость приняты за базовые.

Пример 2. Серы меньше 0,24% - нижнего предела. Снижается обрабатываемость, ниже оптимальной.

Пример 3. Серы больше 0,49% - верхнего предела, марганца 1,65%, соотношение марганца к сере 3,4. Возрастает брак при прокатке. Снижаются механические свойства и производительность прокатки. Сталь непригодна для использования по назначению.

Пример 4. Фосфора меньше 0,02% - нижнего предела. Обрабатываемость ниже оптимальной.

Пример 5. Фосфора больше 0,07% - верхнего предела. Снижаются механические свойства. Сталь непригодна для изготовления деталей.

Пример 6. Висмута меньше 0,12% - нижнего предела, а именно 0,06%, сера и фосфор по нижнему пределу. Обрабатываемость на уровне стали АС45Г2. Выделение вредных примесей ниже ПДК.

Пример 7. Висмута меньше 0,12% - нижнего предела. Обрабатываемость не достигает оптимальной.

Пример 8. Висмута больше 0,20% - верхнего предела. Снижаются механические свойства. Сталь непригодна по своему назначению.

Пример 9-11. Сталь в заявляемых пределах. Обрабатываемость оптимальная.

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

Изобретение относится к металлургии, а именно к сернистомарганцовистой автоматной стали, используемой в машиностроении. Предложенная сталь содержит компоненты в следующем соотношении мас. %: углерод 0,40-0,48, марганец 1,35-1,65, сера 0,24-0,35, фосфор 0,02-0,07, висмут 0,12-0,20, железо остальное. Техническим результатом изобретения является повышение обрабатываемости резанием и производительности прокатки при сохранении высокого уровня механических свойств, при улучшении экологической обстановки в металлургической промышленности. 2 табл.

Автоматная сталь, содержащая углерод, марганец, серу, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,40-0,48
Марганец - 1,35-1,65
Сера - 0,24-0,35
Фосфор - 0,02-0,07
Висмут - 0,12-0,20
Железо - Остальное