АВТОМАТНАЯ СВИНЕЦСОДЕРЖАЩАЯ СТАЛЬ Российский патент 2010 года по МПК C22C38/60 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к конструкционным сталям с повышенной и высокой обрабатываемостью резанием, применяемой для изготовления деталей в автомобилестроении.

Известна сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,13-0,18, кремний 0,17-0,37, марганец 0,70-1,00, хром 0,80-1,10, никель не более 0,80-1,10, молибден не более 0,10, серу не более 0,035, фосфор не более 0,035, свинец 0,15-0,30 (1).

Известна сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,16-0,21, кремний 0,17-0,37, марганец 0,70-1,10, хром 0,80-1,10, никель не более 0,80-1,10, молибден не более 0,10, серу не более 0,035, фосфор не более 0,035, свинец 0,15-0,30 (2).

Известна сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,18-0,23, кремний 0,17-0,37, марганец 0,70-1,10, хром 0,40-0,70, никель не более 0,40-0,70, молибден в пределах 0,15-0,25, серу не более 0,035, фосфор не более 0,035, свинец 0,15-0,30 (3). Данная сталь наиболее близка по технической сущности и достигаемому результату и принята за прототип.

Недостатком вышеперечисленных известных сталей является высокая их стоимость за счет использования дорогостоящих легирующих веществ, таких как никель и молибден, возможность использования каждой из этих сталей только на изготовление одного определенного профиля и определенных деталей.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение автоматной стали, более дешевой по стоимости, с сохранением ее механических и технологических свойств на прежнем уровне, унифицированной для изготовления из нее различных профилей и деталей автомобилей.

Поставленная задача достигается за счет того, что предлагается автоматная свинецсодержащая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, свинец, серу, железо, при этом она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,17 менее 0,2, кремний 0,17-0,37, марганец 0,80-1,10, хром 1,00-1,30, свинец 0,10-0,25, сера 0,020-0,040, титан 0,03-0,06, железо и примеси - остальное. Условное обозначение предлагаемой стали АС18ХГТ.

В состав стали могут входить в качестве примеси никель, медь, фосфор в следующем соотношении, мас.%: никель не более 0,30, медь не более 0,25, фосфор не более 0,035.

Сущность изобретения - исключение из состава стали дорогостоящих легирующих материалов, таких как никель и молибден, введение в состав титана и корректировка содержания углерода, марганца, хрома, серы и свинца.

Количественное и качественное содержание составляющих элементов заявляемой стали позволяет достигнуть поставленную задачу.

Экспериментально установлено:

- при содержании свинца или серы ниже нижнего заявленного предела не достигается оптимальная обрабатываемость стали резанием;

- увеличение содержания свинца или серы выше верхнего предела приводит к снижению механических свойств стали и получению свинцовой неоднородности, приводящей к браку стали;

- при содержании свинца 0,10-0,25% и серы 0,020-040% обрабатываемость стали соответствует идентичной обрабатываемости прототипа или превышает ее при полном сохранении механических свойств стали.

Предлагаемая сталь может содержать как примеси никель медь и фосфор.

Составы предлагаемой стали приведены в таблице 1.

Сравнительные данные механических свойств приведены в таблице 2. Выплавка заявленной стали проводилась в ОАО Челябинский металлургический комбинат в ЭСПЦ-2 в сверхмощной 100-тонной электропечи, доводку по химсоставу и температуре проводили на АКП. Разливку и легирование свинцом проводили в специальном отделении, оборудованном дозирующим устройством и отсосом возгонов свинца. Разливка проводилась сифоном в сквозные уширенные кверху изложницы типа СС9.

От каждого слитка отбирали пробы на содержание свинца по высоте слитка, усвоение свинца на плавке составило 75%, усвоение свинца по слиткам было равномерное.

Сталь прокатывали по стандартной схеме на станах и по технологии прокатки заменяемых сталей (АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ). Затем металл каждого слитка прокатывали на готовый сорт ⌀ 64, 63 и 40 мм, охлаждали на воздухе и в дальнейшем термообрабатывали для получения феррито-перлитной микроструктуры. После термообработки микроструктура была перлитно-ферритной с пластинчатым перлитом, которая необходима для дальнейшей обработки на автоматных станках. Технологические свойства стали определяли как при обработке различных деталей на автоматных станках в цехах ВАЗа (см. таблицу 3, 4, 5), так и при обработке ступицы синхронизатора, кольца, венца зубчатого синхронизатора. Ранее каждая из этих деталей изготавливалась из одной определенной марки стали (кольцо из АС19ХГН, ступица синхронизатора из АС14ХГН, венец зубчатого синхронизатора из АС20ХГНМ).

Таким образом, на основании проведенных испытаний можно заключить, что предлагаемая автоматная конструкционная сталь по своим механическим и структурным характеристикам может успешно заменить три применяемых известных стали АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ, удешевляя ее стоимость, не уступая по технологическим характеристикам, в т.ч. обрабатываемости резанием.

Анализ технических решений в исследуемых 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 обрабатываемости резанием заявляемой стали проводили в автоматном цехе механосборочного производства Волжского автомобильного завода (г.Тольятти). Испытания проводили на 6-шпиндельных и на 4-шпиндельных токарно-расточных полуавтоматах при изготовлении деталей, принятых базовыми по критерию интенсивности износа инструмента, характеризуемого количеством обработанных деталей, приходящихся на 0,1 мм износа инструмента.

За базовую обрабатываемость принята обрабатываемость известных легированных свинецсодержащих сталей по ГОСТ 1414-75.

Пример 1. Опытная проверка

Проведена в лабораторных условиях. Содержание хрома и марганца ниже нижнего предела. Свинец и сера в заявленных пределах. Обрабатываемость оптимальная, но механические свойства не соответствуют требованиям нормативно-технической документации (НТД). Сталь не пригодна для использования по прямому назначению.

Пример 2

Содержание углерода и марганца выше верхнего предела. Относительное удлинение и ударная вязкость ниже требований НТД, а твердость проката выше требуемой. Сталь не пригодна для использования по прямому назначению.

Пример 3

Содержание серы в стали меньше нижнего предела. Обрабатываемость ниже оптимального уровня.

Пример 4

Серы больше верхнего предела. Появляется при прокатке стали красноломкость и снижаются механические свойства (ударная вязкость и работа разрушения при динамическом изгибе).

Пример 5

Содержание свинца в стали ниже нижнего предела, содержание серы в заявленных пределах. Обрабатываемость стали ниже оптимального уровня.

Пример 6

Содержание свинца выше верхнего предела. Обнаруживается свинцовистая неоднородность. Сталь не соответствует требованиям НТД.

Примеры 7, 8, 9

Содержание легирующих элементов в стали в заявленных пределах. Обрабатываемость оптимальная. Механические свойства соответствуют нормативно-технологическим требованиям.

Результаты механических испытаний опытно-промышленных плавок стали предлагаемого состава (нитроцементированные образцы 10×10 мм, глубина нитроцементации 0,6-0,8 мм) приведены на фиг.1.

Результаты сравнительной оценки обрабатываемости с серийными известными сталями по ГОСТ 1414-75 при изготовлении деталей для автомобилей приведены в таблицах 3, 4, 5.

Таким образом, оптимальная обрабатываемость резанием предложенной стали при полном сохранении технологичности производства и механических свойств позволяет рекомендовать ее для промышленного применения взамен никельсодержащих сталей (с молибденом или без него).

Таблица №1 Сталь № п/п Химический состав, мас.% Примечание C Si Mn Сr Ni S Р Мо Ti Pb   1 0,13- 0,17- 0,70- 0,80- 0,80- н.б.0,035 н.б.0,035 н.б. - 0,15- АС14ХГН     0,18 0,37 1,10 1,10 1,10 н.б.0,035 н.б.0,035 0,10 - 0,30 АС19ХГН Известная 2 0,16- 0,17- 0,70- 0,80- 0,80- н.б.0,035 н.б.0,035 н.б. - 0,15- АС20ХГНМ     0,21 0,37 1,10 1,10 1,10     0,10   0,30     3 0,18- 0,17- 0,70- 0,40- 0,40-     0,15-   0,15-       0,23 0,37 1,10 0,70 0,70     0,25   0,30   Предложенный состав 0,17- 0,17- 0,80- 1,00- н.б. 0,02- н.б.0,035 н.б. 0,03- 0,10- АС18ХГТ     0,2 0,37 1,10 1,30 0,25 0,04   0,10 0,08 0,25   Исследованные 4 0,20 0,37 0,70 0,90 0,05 0,030 0,018 0,03 0,08 0,20   плавки 5 0,24 0,28 1,20 1,10 0,08 0,028 0,016 0,04 0,06 0,18   (примеры) 6 0,22 0,23 1,05 1,12 0,07 0,012 0,016 0,02 0,08 0,21     7 0,21 0,25 1,00 1,25 0,04 0,048 0,017 0,03 0,08 0,20     8 0,23 0,26 1,00 1,18 0,08 0,035 0,020 0,06 0,07 0,08     9 0,20 0,25 1,00 1,14 0,03 0,029 0,020 0,07 0,04 0,28     10 0,18 0,27 1,04 1,21 0,07 0,036 0,012 0,04 0,05 0,14     11 0,17 0,30 1,06 1,25 0,07 0,032 0,015 0,05 0,07 0,20     12 0,20 0,29 0,96 1,09 0,09 0,026 0,031 0,01 0,05 0,15  

Таблица 2 Сталь № п/п Марка Механические свойства Примечание Предел текучести σ_т, МПа Предел прочности σ_в, МПа Относительное удлинение, σ, % Ударная вязкость, Дж/см² Известная сталь 1 АС14ХГН не менее 835 не менее 1080 не менее 8 не менее 78 Зак.м. 870±10°С. Отп.150-180°С по ГОСТ 1414- 2 АС19ХГН не менее 930 не менее 1180 не менее 7 не менее 68 Зак.м. 875±10°С. Отп. 150-180°С 75 3 АС20ХГНМ не менее 930 не менее 1180 не менее 7 не менее 59 Зак.м. 860±10°С. Отп. 150-180°С Предлагаемый состав АС18ХГТ не менее 930 не менее 1180 не менее 7 не менее 68     4   900 1120 11 100 Обрабатываемость оптимальная, но механические свойства не соответствуют НТД. Исследованные стали (примеры). Режим т/о образцов, найденный для стали АС19ХГН 5   950 1230 6 52 Относительное удлинение и ударная вязкость ниже требований НТД, а твердость проката выше требуемой 6   945 1245 10 120 Обрабатываемость ниже оптимального уровня 7   935 1200 9 45 Красноломкость при прокатке, снижаются мех. свойства (ударная вязкость и работа разрушения при динамическом изгибе).   8   950 1210 9 95 Обрабатываемость стали ниже оптимального уровня   9   960 1230 9 88 Свинцовистая неоднородность, сталь не соответствует НТД   10   945 1210 10 108 Механические свойства соответствуют НТД   11   940 1200 11 110   12   980 1260 10 105

Таблица 3 Результаты испытаний по стойкости, износу и приведенной стойкости, полученные при изготовлении ступицы синхронизатора 2102-1701119 из металлопроката заявленной стали в круге 64 мм в сравнении со сталью АС14ХГН (ГОСТ 1414-75) Наименование операции Инструмент Режимы резания Сталь АС18ХГТ пл.83514⌀ 64 мм Сталь АС14ХГН ⌀64 мм (ГОСТ 1414-75) V, м/мин S_o, мм/об Т, мм Число обр. дет.(шт.) Износ инстр. (мм) Приведенная стойкость (Т_0,1) Число обр. дет.(шт.) Приведенная стойкость (Т_0,1) Износ инстр. (мм) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Оп.10 (ц.31) Сверление отверстия ⌀29,5 мм Сверло 41.2300.4189 Р6М5 25,6 0,133 14,75 1270/1,1; 1250/1,0; 1210/1,0 115; 125; 121 T_0,1cр=120 1050/1,0; 1300/1,5; 950/0,9 105; 88; 105 1-ая предварительная прорезка Резец 41.2130.1058 Р10К10Ф3М4 55,7 0,027 3,5 480/0,3; 450/0,3; 450/0,35 160; 150; 128 T_0,1cp=146 450/0,3; 550/0,5; 580/0,4; 500/0,5 150; 110; 100; 145; T_0,1cр.=126 2-ая предварительная прорезка Резец 41.2130.4061 Р10К10Ф3М4 48,5 0,029 3,0 280/0,2; 510/0,5; 260/0,35; 320/0,3; 320/0,3 140; 102; 74; 106; 106 T_0,1cp=105 261/0,25; 350/0,35; 400/0,45; 230/0,25 104; 100; 89; 92 Т_0,1ср.=96 Фасонная обработка торца детали Резец 41.2155.4080 Р10К10Ф3М4 49,4 0,133 12,5 770/06; 800/0,85 128; 94 T_0,1cp=111 800/0,7; 720/0,7 114; 103 T_0,1cp=109 Чистовая обработка Наружного диаметра Резец 41.2157.4068 Р10К10Ф3М4 56,5 0,024 15,0 600/0,05-0,1; 550\0,05-0,1 800; 733 T_0,1cp.=776 720/0,1; 800/0,1 720; 800 T_0,1cp=760

Таблица 4 Результаты испытаний по стойкости, износу и приведенной стойкости, полученные при изготовлении кольца синхронизатора 2123-1701119 из металлопроката заявленной стали в круге 40 мм в сравнении со сталью АС19ХГН (ГОСТ 1414-75) Наименование операции Инструмент Режимы резания Сталь АС18ХГТ пл.83514⌀ 40 мм Сталь АС19ХГН ⌀40 мм (ГОСТ 1414-75) V, м/мин S_o, мм/об Т, мм Число обр. дет. (шт.) Износ инстр. (мм) Приведенная стойкость (Т_0,1) Число обр. дет. (шт.) Приведенная стойкость (To,i) Износ инстр. (мм) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Оп. 10п.(ц.31), Сверление отверстия ⌀24,5 мм Сверло 02.2300.9181 Р6М5 22 0,11 12,25 1440/1,5; 1500/1,5 96;100
ср. 98 1500/1,8; 1300/1,5 83; 86
ср. 85 Подрезка торца Резец 02.2157.9872 Р10К10Ф3М4 36 0,064 1,0 820/0,35; 900/0,4 234; 225 ср.230 720/0,4; 900/0,4 180; 225 ср. 203 Расточка отверстия Резец 41.2145.4024 Р10К10Ф3М4 22,8 0,11 0,5 1800/1,2; 2000/1,3 150; 154 ср.152 1600/1,5; 1900/1,3 107; 126 ср.117 Отрезка Резец 41.2130.4030 Р10К10Ф3М4 28,3 0,047 3,5 720/0,35; 720/0,4 205; 180 ср.193 750/0,5; 720/0,5 150; 144 ср. 147

Таблица 5 Результаты испытаний по стойкости, износу и приведенной стойкости, полученные при изготовлении венца зубчатого синхронизатора 2107-1701119 из металлопроката заявленной стали в круге 63 мм в сравнении со сталью АС20ХГНМ (ГОСТ 1414-75) Наименование операции Инструмент Режимы резания Сталь АС18ХГТ пл.83514 ⌀63 мм Сталь АС20ХГНМ ⌀ 63 мм (ГОСТ 1414-75) V, м/мин S_o, мм/об Т, мм Число обр. дет.(шт.) Износ инстр.(мм) Приведенная стойкость (Т_0,1) Число обр. дет.(шт.) Приведенная стойкость (T_0,1) Износ инстр.(мм) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Предварительная прорезка канавки Резец 41.2155.4082 Р10К10Ф3М4 46,7 0,04 6,0 400/0,7; 450/0,7; 630/1,0; 300/0,5; 400/0,8 57; 64; 63; 60; 50 T_0,1cp=59 450/1,0; 600/1,0; 300/0,5 45; 60; 60 T_0,1cp=59 Окончательное фасонное формирование канавки Резец 41.2154.4087 Р10К10Ф3М4 43 0,02 6,0 670/0,35; 850/0,45 191; 200 T_0,1cp=195 600/0,3; 750/0,4 200; 187 T_0,1cp=193 Отрезка Резец 41.2130.4010 Р10К10Ф3М4 44,5 0,057 3,0 670/0,5; 430/0,5; 300/0,25; 200/0,2 134; 86; 120; 100 T_0,1cp=110 350/0,3; 400/0,5; 300/0,3 117; 80; 100 T_0,1cp=99 Оп. 10 (ц. 33-1) Зубодолбление Долбяк 41.2530.4001 Р6М5Ф3Ш 31 - - 500/0,2; 0,4 125 500/0,2; 0,4 125

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к конструкционным сталям с высокой обрабатываемостью резанием, применяемой для изготовления деталей в автомобилестроении. Для получения стали более дешевой по стоимости с сохранением ее механических и технологических свойств на прежнем уровне, унифицированной для изготовления из нее различных профилей и деталей автомобилей, она имеет следующий состав, мас.%: углерод 0,17 - менее 0,2, кремний 0,17-0,37, марганец 0,8-1,1, хром 1,0-1,3, свинец 0,1-0,25, сера 0,02-0,04, титан 0,03-0,06, железо и примеси - остальное. 1 ил., 5 табл.

Автоматная свинецсодержащая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, свинец, серу, титан и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,17 - менее 0,2 кремний 0,17-0,37 марганец 0,8-1,1 хром 1,0-1,3 свинец 0,1-0,25 сера 0,02-0,04 титан 0,03-0,06 железо и примеси остальное