ЛЕГКООБРАБАТЫВАЕМАЯ КОНСТРУКЦИОННАЯ ХРОМОМАРГАНЦЕВОНИКЕЛЕВАЯ СТАЛЬ
EASY-TO-MACHINE STRUCTURAL CHROMIUM-MANGANESE-NICKEL STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяемых в серийном и массовом производстве ответственных деталей машин.
Из уровня техники известна сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием (ГОСТ 1414-75). Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия (Переиздание, с Изменениями №1, 2, 3, с Поправками), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, свинец и железо, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
- углерод - 0,16-0,21;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,70-1,10;
- хром - 0,80-1,10;
- никель - 0,80-1,10;
- свинец - 0,15-0,30;
- железо - основа.
Кроме того, в состав стали могут входить, мас. %:
молибден - не более 0,10;
сера - не более 0,035;
фосфор - не более 0,035;
медь - не более 0,30.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- сера и фосфор, способствующие улучшению показателей обрабатываемости стали, в случае ее легирования свинцом не оказывают существенного влияния на процесс механического резания, а увеличение их содержания выше значений, обеспечивающих получение высококачественной стали, нецелесообразно в связи с аккумулятивным негативным воздействием указанных элементов на механические свойства металлопродукции;
- очевидная бесперспективность дальнейшего улучшения обрабатываемости стали путем увеличения содержания свинца больше регламентированных значений, поскольку превышение его предельной растворимости в железе приводит к ухудшению механических характеристик и росту их анизотропии, а также способствует усилению красноломкости поверхностного слоя в процессе горячей обработки металла давлением;
- неравномерное распределение свинца в теле слитка вследствие его большой физической плотности и высокой упругости пара, что затрудняет гарантированное получение требуемых свойств стали от плавки к плавке и обусловливает понижение выхода годного металла, а следовательно, и производительности процесса обработки давлением из-за образования дефектов в местах наибольшего скопления данного элемента;
- во время горячего пластического деформирования стали, содержащей свинец, происходит его диффузия на поверхность заготовки, что приводит к образованию в указанной области капиллярного слоя, ухудшающего условия захвата валками полосы металла вследствие уменьшения коэффициента трения, и снижению производительности прокатного оборудования;
- свинец крайне токсичен и согласно установленным на сегодняшний день гигиеническим нормативам относится к наивысшему 1 классу опасности, поэтому в черной металлургии все отчетливее прослеживается тенденция по отказу от его применения вследствие серьезного ухудшения экологии окружающей среды.
Кроме того известна сталь с высокой обрабатываемостью резанием (патент RU 2128725), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, серу, фосфор, висмут и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:
- углерод - 0,13-0,21;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,70-1,10;
- хром - 0,80-1,10;
- никель - 0,80-1,10;
- сера - 0,008-0,035;
- фосфор - 0,008-0,035;
- висмут - 0,12-0,20;
- железо - основа.
Известная сталь имеет следующие недостатки:
- бесперспективность дальнейшего улучшения обрабатываемости стали путем увеличения содержания висмута больше реальных значений, поскольку превышает его предельную растворимость в железе и увеличивается себестоимость выплавки.
Данная сталь, как наиболее схожая по химическому составу и механическим свойствам, принята за ближайший прототип.
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение обрабатываемости стали резанием при сохранении требуемых механических характеристик металла, снижение количества агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу токсичных компонентов.
Техническое решение поставленной задачи достигается за счет того, что предлагаемая сталь в своем составе содержит углерод, кремний, марганец, хром, никель, висмут, кальций, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:
- углерод - 0,13-0,21;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,70-1,10;
- хром - 0,80-1,10;
- никель - 0,80-1,10;
- висмут - 0,08-0,13;
- кальций - 0,002-0,003;
- алюминий - 0,005-0,015;
- железо - основа.
При этом отношение содержания кальция к содержанию алюминия находится в пределах от 0,20 до 0,40.
Кроме того, в качестве примесей сталь дополнительно может содержать, мас. %:
- серу - не более 0,025;
- фосфор - не более 0,025;
- медь - не более 0,25.
Применение висмута, кальция и алюминия для дополнительного легирования и раскисления стали с целью улучшения ее обрабатываемости резанием имеет целый ряд преимуществ.
2
3
Во-первых, сокращение количества алюминия, применяемого для раскисления стали будет способствовать снижению в стали неметаллических включений AlO.
Во-вторых, кальций является своего рода заменителем алюминия как раскислителя и обеспечивает образование алюминатов кальция в сульфидной оболочке - комплексные оксисульфидных включений, способствует глобуризации сульфидных включений и предупреждает образование микротрещин у остроугольных включений глинозема, оказывающие положительное влияние на обрабатываемость стали.
В-третьих, оптимальное соотношение Ca/Al способствует образованию глобулярных, малодеформируемых неметаллических включений.
В-четвертых, снижение содержания висмута, без снижения показателя обрабатываемости, обеспечивает образование ломкой стружки и расширяет диапазон применения стали (при сверлении, развертывании отверстий, нарезании и фрезеровании) и не ослабляет положительное влияние на результаты процесса со стороны фосфора и включений сульфида марганца. Он менее токсичен, чем свинец и обеспечивает высокий уровень обрабатываемости при содержании его в 1,5…2 раза меньшем, чем свинец.
3
В-пятых, висмут равномерно распределяется по сечению слитка, что обусловлено его плотностью, сопоставимой с плотностью жидкой стали, и применение висмута способствует решению экологических проблем, имеющих место при производстве автоматных сталей. Это связано с тем, что в отличие от свинца, принадлежащего к 1 классу опасности, содержание висмута в атмосфере цеха ограничено среднесменной предельно допустимой концентрацией (ПДК), равной 0,50 мг/м.
Сущность изобретения - выявление оптимального содержания висмута, алюминия и кальция, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием при условии сохранения требуемых значений механических свойств.
В результате проведенных исследований установлено следующее:
- при содержании висмута меньше нижнего предела не удается достигнуть требуемого высокого уровня обрабатываемости стали резанием;
- при условии содержания висмута по верхнему пределу обрабатываемость предлагаемой стали сопоставима с обрабатываемостью металла аналогичной висмутсодержащей марки;
- при содержании висмута, кальция, и алюминия в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 13% превышает величину обрабатываемости висмутсодержащего аналога, наряду с этим сталь сохраняет свои высокие механические характеристики, а ее получение характеризуется пониженной загрязненностью воздуха рабочей зоны и более безопасными условиями труда производственного персонала.
Эффективность токарной обработки оценивалась на технической базе ФГБОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет» (НИУ) 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.
В качестве базового уровня приняты обрабатываемость резанием среднеуглеродистой хромомарганцевоникелевой стали АВ19ХГН.
Химический состав известной стали марки ΑΒ19ΧΓΉ, принятой за ближайший аналог, и предлагаемой стали приведен в таблице 1.
Прочностные и пластические характеристики сравниваемых сталей в деформированном и термически обработанном состоянии (после закалки и отпуска), а также измеренный уровень механической обрабатываемости представлен в таблице 2.
Пример 1. Известная конструкционная хромомарганцевоникелевая сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием АВ19ХГН (RU 2128725). Уровень механической обрабатываемости принят в качестве базовых значений для сравнения.
Пример 2. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям ГОСТа. Оценка эффективности токарной обработки стали не проводилась.
Пример 3. Содержание никеля больше верхнего предела. Уменьшается производительность горячей обработки металла давлением. Оценка на обрабатываемость не производилась.
Пример 4. Содержание висмута меньше нижнего предела. Уровень обрабатываемости предложенной стали ниже, чем у известного аналога.
Пример 5. Содержание висмута в стали больше верхнего предела. Обрабатываемость предложенной стали резанием сопоставима с механической обрабатываемостью ее аналога.
Пример 6. Содержание серы, фосфора меди находится на уровне верхней границы заявленных диапазонов. Показатели механических свойств металла соответствуют минимальным предельно допустимым значениям, установленным требованиями для висмутсодержащего аналога.
Пример 7. Соотношение между содержанием кальция и алюминия выходит за нижнюю регламентированную границу. Размер зерна ниже регламентируемого. Происходит зарастание стаканчиков на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). Уровень обрабатываемости предложенной стали сопоставим с обрабатываемостью известного аналога.
Пример 8. Соотношение между содержанием кальция и алюминия находится на уровне нижнего предела из указанного диапазона. Размер зерна соответствует техническим условиям. Не происходит зарастание стаканчиков МНЛЗ. Уровень обрабатываемости выше известного аналога.
Пример 9. Соотношение между содержанием кальция и алюминия имеет значение, соответствующее верхнему заявленному пределу. Сталь соответствует техническим условиям.
Пример 10. Соотношение между содержанием кальция и алюминия выходит за верхнюю установленную границу. Сталь не соответствует техническим условиям.
Пример 11. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств хромомарганцевоникельмолибденовой стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 12% выше, чем у известного аналога.
Вместе с тем существенно уменьшается загрязненность воздуха рабочей зоны.
Таким образом, более высокий уровень обрабатываемости резанием предлагаемой стали с сохранением комплекса требуемых механических свойств металла и улучшением экологии металлургического производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.