АВТОМАТНАЯ СТАЛЬ Российский патент 1999 года по МПК C22C38/60 

Изобретение относится к металлургии, а именно к углеродистой 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, в качестве примесей, может содержать 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; не указано содержание серы и висмута, при котором достигается оптимальная обрабатываемость стали при сохранении требуемых механических свойств; химический состав стали не обеспечивает механических свойств, требуемых для изготовления деталей с конкретными механическими характеристиками.

Кроме того, известна углеродистая свинецсодержащая сталь высокой обрабатываемости резанием АС40, содержащая углерод, кремний, марганец, свинец, железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,37 - 0,45
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,50 - 0,80
Свинец - 0,15 - 0,30
Железо - Остальное
Допускается содержание в стали серы не более 0,040% и фосфора не более 0,040% (2).

Недостатками этой стали являются: невозможность реализовать потенциальную производительность станков автоматов и полуавтоматов, так как свинец - компонент, повышающий обрабатываемость, исчерпал свои возможности к дальнейшему повышению обрабатываемости. Сера и фосфор содержатся в стали в таком количестве, что влияния на обрабатываемость не оказывает. Увеличение их содержания в стали выше установленных пределов недопустимо из-за снижения механических свойств стали; "выпотевание" свинца на поверхности полосы во время прокатки снижает коэффициент трения между полосой и валками, в результате ухудшается захват полосы валками, появляются необходимость "прожига" валков буферным металлом, что снижает производительность прокатки; токсичность свинца ограничивает производство этой стали, необходимой в машиностроении.

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 достигается за счет того, что в сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, железо, дополнительно вводят висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,37 - 0,45
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 0,50 - 0,80
Висмут - 0,12 - 0,20
Железо - Остальное
Висмут, обладающий особым свойством, а именно увеличением объема при переходе из жидкого состояния в твердое, позволяет увеличить обрабатываемость стали на 30% и более за счет напряженного состояния обрабатываемой поверхности, при сохранении механических свойств, присущих идентичной свинецсодержащей стали.

Вторым преимуществом особого свойства висмута является устранение "выпотевания" висмута на поверхность полосы за счет того, что снижаются напряжения, создаваемые включениями висмута при температуре прокатки. Улучшается захват полосы валками, отпадает необходимость "прожига" валков буферным металлом. Производительность прокатки повышается на 15 - 20%.

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 экологическую обстановку производства висмутсодержащей стали.

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

Экспериментально установлено: при содержании висмута 0,08% обрабатываемость соответствует обрабатываемости свинецсодержащей стали (содержание серы и фосфора не более 0,040%); оптимальная обрабатываемость, на 30% и более превышающая обрабатываемость свинецсодержащей стали при содержании висмута 0,12 - 0,20%; увеличение содержания висмута выше верхнего предела, соответствующего предельной растворимости висмута в жидкой стали, приводит к снижению механических свойств стали (превышение содержания серы и фосфора выше 0,040% недопустимо); производительность прокатки стали на 15 - 20% выше производительности прокатки свинецсодержащей стали; выделение аэрозолей висмута во время разливки 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 висмутсодержащей углеродистой стали проводили в цехе N 31 МОП 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 углеродистой свинецсодержащей стали АС40 по ГОСТу 1414-75.

Оценку экологической обстановки проводили в цехах ОАО Челябинского металлургического комбината "Мечел" при выплавке и прокатке предлагаемой стали и стали АС40 методом отсоса проб в местах интенсивного выделения вредных примесей. Производительность прокатки определили в цехах этого же предприятия.

Химический состав, механические свойства, выделение вредных примесей, производительность прокатки и обрабатываемость приведены в таблице.

Пример 1. Известная сталь АС40, взятая за ближайший аналог - выписка из ГОСТа 1414-75. Показано выделение вредных примесей свинца при разливке и прокатке стали. Производительность прокатки и обрабатываемость стали приняты за базовые.

Пример 2. Содержание углерода, марганца, кремния ниже нижнего предела. Из-за пониженного содержания упрочняющих компонентов снижаются прочностные характеристики стали, что делает невозможным ее использование по прямому назначению в качестве конструкционного материала.

Пример 3. Содержание упрочняющих компонентов - углерода и марганца больше верхнего предела приводит к повышению прочностных характеристик стали, но существенно снижаются пластические свойства, что ведет к повышению брака в металлургическом переделе. Повышается твердость отожженного или высокоотпущенного проката.

Пример 4. Содержание висмута 0,08% - ниже нижнего предела. Обрабатываемость стали на уровне обрабатываемости свинецсодержащей стали.

Пример 5. Висмута больше 0,20% - верхнего предела. Снижаются прочностные характеристики.

Примеры 6 - 8. Сталь в заявленных пределах. Механические характеристики на уровне стали АС40 или превышают их. Обрабатываемость стали оптимальная (на 30% и более превышает обрабатываемость известной стали).

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 углеродистой автоматной стали, используемой в машиностроении. Предложенная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,37-0,45; кремний 0,17-0,37; марганец 0,50-0,80; 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. 1 табл.

Автоматная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,37-0,45
Кремний - 0,17-0,37
Марганец - 0,50-0,80
Висмут - 0,12-0,20
Железо - Остальное