НИЗКОЛЕГИРОВАННАЯ ХРОМИСТАЯ СТАЛЬ ПОВЫШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ
LOW-ALLOY CHROMIUM STEEL OF HIGHER MACHINABILITY

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяемых для изготовления ответственных деталей машин.
Из уровня техники известна сталь повышенной обрабатываемости (патент JP 1047839, опубл. 22.02.1989, МПК C22C 38/60), содержащая углерод, кремний, марганец, медь, олово и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- углерод - 0,06-0,60;
- кремний - 0,01-0,50;
- марганец - 0,30-2,00;
- медь - 0,05-0,30;
- олово - 0-0,015;
- железо - основа.
Кроме того, в состав стали могут входить, мас.%:
- хром - не более 2,00;
- сера - не более 0,035;
- фосфор - не более 0,035;
- никель - не более 5,00;
- молибден - не более 1,00.
Структура данной стали вследствие достаточно высокой растворимости олова в железной матрице характеризуется его существованием в форме твердого раствора, что приводит к усилению хрупкости феррита в процессе механической обработки металла. Наряду с этим она включает сульфидную фазу на основе соединений марганца, которая повышает износостойкость токарных резцов за счет образования смазочного слоя и предотвращения налипания частиц обрабатываемого материала на режущую кромку лезвийного инструмента.
Известная сталь имеет следующие недостатки:
- при одновременном наличии в составе олова и меди для последнего элемента не указано оптимальное содержание, позволяющее избежать образования дефектов в ходе процесса обработки давлением и проявления красноломкости, которая при увеличении концентрации данной примеси является следствием понижения оловом температуры плавления избыточной металлической фазы в обогащенном ей поверхностном слое стали;
- отсутствуют сведения о содержании серы и фосфора, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием и ее повышенной горячей деформируемости при условии сохранения заданных значений механических свойств продукции;
- химический состав не обеспечивает необходимой обрабатываемости резанием, требующейся для исполнения качественной механической обработки стали на современном высокотехнологичном оборудовании.
Кроме того, известна низколегированная хромистая сталь повышенной обрабатываемости АС40Х (ГОСТ 1414-75. Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия (Переиздание, с Изменениями №1, 2, 3, с Поправками). - Введ. 1977-01-01. - М.: Изд-во стандартов), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, свинец и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- углерод - 0,36-0,44;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,60-0,90;
- хром - 0,80-1,10;
- свинец - 0,15-0,30;
- железо - основа.
Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, мас.%:
- сера - не более 0,035;
- фосфор - не более 0,035;
- никель - не более 0,30;
- медь - не более 0,30.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- не указано наиболее благоприятное остаточное содержание меди, позволяющее избежать ухудшения горячей деформируемости стали вследствие выделения структурно свободной меди, которая проникает к границам зерен поверхностного слоя, уменьшая тем самым его прочность, или в результате сильного окисления границ зерен без их значительного обогащения данной примесью;
- традиционные компоненты, облегчающие процесс лезвийной обработки, - сера и фосфор - в присутствии свинца не дают ощутимого эффекта, а превышение их содержания, которое обеспечивает получение высококачественной стали, нецелесообразно из-за аддитивного отрицательного воздействия данных элементов на комплекс механических характеристик металла;
- невозможность реализации дальнейшего повышения обрабатываемости резанием методом последовательного увеличения концентрации в стали свинца больше известных значений, поскольку превышение предела его растворимости в железной матрице приводит не только к ухудшению механических свойств металла, но и усилению их анизотропии в целом;
- малое усвоение сталью вследствие высокой упругости пара и достаточно низкой температуры кипения, а также большой удельный вес свинца, предопределяющий его неравномерное распределение в теле слитка, для получения заданного уровня механических и технологических свойств конструкционного материала требуют реализации сложных технических и конструкторских решений на металлургическом производстве;
- в процессе высокотемпературной деформации стали, содержащей свинец, происходит его диффузия к поверхности заготовки, что приводит к уменьшению процента выхода годного металла, а следовательно, и производительности процесса обработки давлением из-за образования поверхностных дефектов в местах наибольшего скопления данного элемента;
- свинец обладает ярко выраженным токсикологическим воздействием на организм человека и согласно установленным на сегодняшний день нормативам относится к «чрезвычайно опасным» веществам, поэтому предприятия черной металлургии постепенно отказываются от его применения вследствие резкого ухудшения условий труда рабочего персонала при производстве автоматных сталей.
Данная сталь как наиболее схожая по химическому составу и механическим свойствам принята за ближайший аналог.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение обрабатываемости стали резанием и увеличение производительности процесса ее горячей обработки давлением при сохранении требуемых механических характеристик металла, а также улучшение экологической обстановки производства за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу ввиду полного исключения из состава материала высокотоксичных компонентов.
Техническое решение поставленной задачи достигается за счет того, что предлагаемая сталь в своем составе в качестве элемента, повышающего обрабатываемость, содержит олово при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- углерод - 0,36-0,44;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,60-0,90;
- хром - 0,80-1,10;
- олово - 0,05-0,30;
- железо - основа.
Кроме того, в качестве примесей сталь дополнительно может содержать, мас.%:
- сера - не более 0,025;
- фосфор - не более 0,025;
- никель - не более 0,30;
- медь - не более 0,20.
При этом отношение содержания олова к содержанию меди находится в пределах от 0,3 до 6.
Первое преимущество применения олова в качестве легирующего элемента, улучшающего обрабатываемость, заключается в том, что оно автономно выделяется на границах зерен и, не ослабляя при этом положительное влияние фосфора и сульфидов марганца на результаты механического резания, инициирует межкристаллитное разрушение поверхностного слоя металла. В сочетании с оптимальным содержанием в стали серы и фосфора это позволяет получить эффект повышения ее обрабатываемости на 14% при сохранении необходимых значений механических характеристик, установленных ГОСТом.
Второе преимущество состоит в достаточно большой степени усвоения олова расплавом, которая обусловлена низкой упругостью пара и высокой температурой кипения. Это позволит более рационально использовать материальные средства и в некоторых случаях уменьшить себестоимость стали за счет снижения расхода легирующих элементов, так как при определении необходимого количества добавочных материалов заранее исходят из их повышенной против требуемой массы с учетом предполагаемых потерь окислением и испарением.
Третье преимущество заключается в равномерном распределении олова по сечению слитка, что определяется его плотностью, сопоставимой с плотностью жидкой стали. В сочетании с оптимальным содержанием меди и при регламентации соотношения концентраций данных элементов это позволяет избежать потерь металла во время высокотемпературной деформации и тем самым увеличить его выход годного, повысив производительность третьего передела.
Четвертым преимуществом использования олова является отсутствие его массопереноса к границе контакта валков с полосой стали, что улучшает их сцепление и сокращает время простоя оборудования, связанного с переналадкой прокатного стана, увеличивая тем самым производительность процесса обработки металла давлением.
3
Пятое преимущество связано с улучшением экологии металлургического производства и нуждается в более детальном рассмотрении. Свинец относится к «чрезвычайно опасным» веществам, и его содержание в атмосфере цеха ограничено величиной среднесменной предельно допустимой концентрации (ПДК) - 0,05 мг/м, а значения ПДК и ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ) в воздухе рабочей зоны для чистого олова в настоящее время не установлены.
Олово в стали не формирует каких-либо токсичных соединений, так как по сравнению с железом обладает меньшим химическим сродством к кислороду и вследствие этого практически полностью остается в металле в растворенном состоянии, не окисляясь в процессе выплавки. Также при производстве стали исключена возможность существования олова и в наиболее опасном для большинства металлов газообразном состоянии, поскольку этот элемент обладает высокой температурой кипения, значительно превышающей рабочие температуры сталеплавильных процессов, и имеет низкую упругость пара, что препятствует его свободному испарению с поверхности расплава.
Таким образом, в отличие от свинца олово ни при каких обстоятельствах выплавки стали не образует вредных веществ, и в связи с этим экологический аспект получения автоматных марок теряет свою актуальность.
Перечисленные достоинства олова являются свидетельством целесообразности его применения в качестве альтернативы свинцу как легирующему компоненту, улучшающему обрабатываемость стали резанием.
Сущность изобретения - выявление оптимального содержания олова, серы, фосфора и меди, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием и повышения производительности процесса ее обработки давлением при условии сохранения требуемых значений механических свойств.
В результате проведенных исследований установлено следующее:
- при содержании олова меньше нижнего предела не удается достигнуть требуемого высокого уровня обрабатываемости стали резанием;
- при условии содержания олова по нижнему пределу обрабатываемость предлагаемой стали сопоставима с обрабатываемостью металла аналогичной свинецсодержащей марки;
- увеличение содержания олова, серы и фосфора выше заявленных пределов приводит к выходу значений механических свойств стали за рамки, установленные ГОСТом;
- превышение заявленного содержания меди, так же как и несоблюдение соотношения концентраций олова и меди в стали, приводит к ухудшению технологических свойств металла;
- при содержании олова, серы, фосфора и меди в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 14% превышает величину обрабатываемости свинецсодержащего аналога, а производительность процесса горячей обработки давлением увеличивается на 10%; в то же время сталь сохраняет свои высокие механические характеристики, а ее получение характеризуется пониженной загрязненностью воздуха рабочей зоны и более безопасными условиями труда производственного персонала.
Испытания по определению обрабатываемости стали и эффективности горячей обработки металла давлением проводили на технической базе ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет».
Эффективность токарной обработки оценивалась по изменению стойкости инструментального материала при заданной скорости резания заготовок. В качестве критерия для оценки обрабатываемости стали было установлено значение приведенной стойкости, выраженное величиной износа режущего инструмента по задней поверхности при обработке одной детали.
Производительность процесса обработки давлением оценивалась по значению выхода годного металла, определяемого соотношением количества бездефектных заготовок к общему количеству деформированных слитков.
В качестве базового уровня приняты обрабатываемость резанием и производительность обработки давлением низколегированной хромистой стали АС40Х, произведенной в соответствии с требованиями ГОСТ 1414-75.
Химический состав известной стали марки АС40Х, принятой за ближайший аналог, и предлагаемой стали приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав сталей
Сталь
№
Содержание компонента, масс.%
пр.
С
Si
Mn
S
P
Cr
Ni
Cu
Sn
АС40Х, ГОСТ 1414-75
1
0,36
0,17
0,60
н.б.
н.б.
0,80
н.б.
н.б.
-
0,44
0,37
0,90
0,035
0,035
1,10
0,30
0,30
2
0,41
0,25
0,72
0,033
0,034
0,90
0,15
0,18
0,28
3
0,41
0,29
0,66
0,023
0,023
0,96
0,17
0,25
0,29
4
0,42
0,28
0,68
0,016
0,017
0,99
0,22
0,09
0,04
5
0,39
0,30
0,74
0,015
0,019
0,94
0,18
0,14
0,05
6
0,38
0,26
0,81
0,025
0,025
0,89
0,26
0,20
0,30
Предлагаемая
7
0,41
0,27
0,73
0,021
0,024
0,91
0,16
0,21
0,34
8
0,42
0,35
0,69
0,014
0,015
1,04
0,23
0,17
0,05
9
0,40
0,31
0,76
0,012
0,014
0,90
0,19
0,20
0,06
10
0,39
0,26
0,70
0,020
0,020
0,92
0,08
0,04
0,24
11
0,41
0,33
0,65
0,024
0,022
0,95
0,12
0,04
0,27
12
0,38
0,25
0,69
0,010
0,016
0,88
0,25
0,08
0,26
Прочностные и пластические характеристики сравниваемых сталей в деформированном и термически обработанном состоянии (после закалки и отпуска), а также измеренный уровень механической обрабатываемости и аппроксимированная производительность процесса горячего пластического деформирования представлены в таблице 2.
Пример 1. Известная низколегированная хромистая сталь повышенной обрабатываемости АС40Х. Уровень механической обрабатываемости и производительность горячей обработки давлением приняты в качестве базовых значений для сравнения. В ходе процессов производства стали отмечено выделение в окружающую атмосферу чрезвычайно токсичных паров свинца.
Пример 2. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям ГОСТа. Оценка эффективности механической обработки стали и производительности процесса горячей обработки давлением не проводилась.
Пример 3. Содержание меди больше верхнего предела. Происходит уменьшение производительности процесса горячего пластического деформирования металла.
Пример 4. Содержание олова меньше нижнего предела. Уровень обрабатываемости предложенной стали ниже, чем у известного аналога.
Пример 5. Содержание олова в стали находится на уровне нижней границы заявленного диапазона. Обрабатываемость предложенной стали резанием сопоставима с механической обрабатываемостью ее аналога.
Пример 6. Содержание серы, фосфора, меди и олова находится на уровне верхней границы заявленных диапазонов. Показатели механических свойств металла соответствуют минимальным предельно допустимым значениям, установленным ГОСТом для свинецсодержащего аналога.
Пример 7. Содержание олова больше верхнего предела. Значения механических свойств металла выходят за рамки, установленные ГОСТом. Исследование технологических свойств предлагаемой стали не проводилось.
Пример 8. Соотношение между содержанием олова и меди выходит за нижнюю регламентированную границу. Уменьшается эффективность процесса токарной обработки.
Пример 9. Соотношение между содержанием олова и меди находится на уровне нижнего предела из заявленного диапазона. Уровень обрабатываемости предложенной стали сопоставим с обрабатываемостью известного аналога.
Пример 10. Соотношение между содержанием олова и меди имеет значение, соответствующее верхнему заявленному пределу. Не наблюдается повышения эффективности процесса горячего пластического деформирования стали.
Пример 11. Соотношение между содержанием олова и меди выходит за верхнюю установленную границу. Понижается производительность обработки металла давлением.
Пример 12. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств низколегированной хромистой стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 14% выше, чем у известного аналога, а производительность горячей обработки давлением возрастает на 10%. Вместе с тем существенно уменьшается загрязненность воздуха рабочей зоны.
Таким образом, более высокий уровень обрабатываемости резанием предложенной стали и увеличение производительности процесса горячей обработки давлением в совокупности с сохранением комплекса требуемых механических свойств металла и улучшением экологии металлургического производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.