СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТАЯ ХРОМОМОЛИБДЕНОВАЯ СТАЛЬ С УЛУЧШЕННОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТЬЮ РЕЗАНИЕМ
MEDIUM-CARBON CHROME-MOLYBDENUM STEEL WITH BETTER MACHINABILITY

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 (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;
- молибден - не более 1,00;
- сера - не более 0,035;
- фосфор - не более 0,035;
- никель - не более 5,00.
Микроструктура указанной стали характеризуется концентрацией олова в твердом растворе, что способствует повышению хрупкости ферритной составляющей металла в процессе его механической обработки. Также она содержит сульфидные включения марганца, увеличивающие срок службы резцов токарного оборудования за счет снижения их износа в результате образования смазки и предотвращения налипания частиц обрабатываемого материала на режущую кромку лезвийного инструмента. Известная сталь имеет следующие недостатки:
- отсутствуют сведения о содержании серы и фосфора, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием и ее повышенной горячей деформируемости при условии сохранения комплекса заданных механических свойств продукции;
- при высоком остаточном содержании никеля не указано его наиболее благоприятное значение, что весьма важно, поскольку с увеличением концентрации данного элемента возрастает вероятность уменьшения производительности процесса пластического деформирования вследствие образования в стали интерметаллидных соединений с оловом, выделяющихся на границах зерен и ослабляющих связь между кристаллитами в ходе горячей обработки металла давлением;
- химический состав не обеспечивает необходимой обрабатываемости, требующейся для осуществления высокоскоростной механической обработки стали на современном металлорежущем оборудовании.
Кроме того, известна среднеуглеродистая хромомолибденовая сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием АС30ХМ (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, молибден, свинец и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- углерод - 0,27-0,33;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,40-0,70;
- хром - 0,80-1,10;
- молибден - 0,15-0,25;
- свинец - 0,15-0,30;
- железо - основа.
Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, мас.%:
- серу - не более 0,035;
- фосфор - не более 0,035;
- медь - не более 0,30;
- никель - 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;
- не указано оптимальное остаточное содержание никеля, позволяющее избежать ухудшения горячей деформируемости стали, которое связано с уменьшением растворимости свинца в железной матрице в результате повышения концентрации данной примеси;
- 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.
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, улучшающего обрабатываемость резанием, содержит олово при следующем соотношении компонентов, мас.%:
- углерод - 0,27-0,33;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,40-0,70;
- хром - 0,80-1,10;
- молибден - 0,15-0,25;
- олово - 0,05-0,30;
- железо - основа.
Кроме того, в качестве примесей сталь дополнительно может содержать, мас.%:
- серу - не более 0,025;
- фосфор - не более 0,025;
- медь - не более 0,30;
- никель - не более 0,25.
При этом отношение содержания олова к содержанию никеля находится в пределах от 0,24 до 6.
Применение олова для дополнительного легирования стали с целью улучшения ее обрабатываемости резанием имеет целый ряд преимуществ.
Во-первых, данный элемент автономно выделяется на границах зерен, вызывая при токарной обработке разрушение поверхностных слоев металла по межкристаллитному механизму, и не ослабляет положительное влияние на результаты процесса со стороны фосфора и включений сульфида марганца. В сочетании с оптимальным содержанием в стали серы и фосфора это приводит к улучшению ее обрабатываемости резанием на 13% при сохранении требуемых механических свойств.
Во-вторых, олово равномерно распределяется по сечению слитка, что обусловлено его плотностью, сопоставимой с плотностью жидкой стали и низкой упругостью пара. В сочетании с оптимальным содержанием никеля 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.
В-третьих, для олова не характерно явление его массопереноса в зону контакта валков с полосой стали, что улучшает их сцепление и приводит к сокращению времени простоя оборудования, связанного с переналадкой прокатного стана, увеличивая производительность обработки давлением.
3
В-четвертых, применение олова способствует решению экологических проблем, имеющих место при производстве автоматных сталей. Это связано с тем, что в отличие от свинца, принадлежащего к 1 классу опасности, и содержание которого в атмосфере цеха ограничено среднесменной предельно допустимой концентрацией (ПДК), равной 0,05 мг/м, для элементарного олова на сегодняшний день значения ПДК и ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ) в воздухе рабочей зоны не установлены.
Вместе с тем при производстве стали олово не формирует каких-либо токсичных соединений, так как обладает меньшим по сравнению с железом химическим сродством к кислороду и потому не окисляется в процессе выплавки. Также исключена возможность испарения олова, поскольку этот элемент имеет высокую температуру кипения, значительно превышающую рабочие температуры сталеплавильных процессов, и низкую упругость пара. Таким образом, в отличие от свинца олово ни при каких существующих условиях выплавки стали не образует вредных газо- и пылевидных выбросов.
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 никеля, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием и повышение 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 в стали выше указанных значений приводит к ухудшению ее механических характеристик;
- превышение заявленного содержания никеля, также как и несоблюдение соотношения концентраций олова и никеля в стали отрицательно сказывается на ее технологических свойствах;
- при содержании олова, серы, фосфора и никеля в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 13% превышает величину обрабатываемости свинецсодержащего аналога, а производительность процесса горячей обработки давлением увеличивается на 10%; 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.
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 среднеуглеродистой хромомолибденовой стали АС30ХМ, произведенной в соответствии с требованиями ГОСТ 1414-75.
Химический состав известной стали марки АС30ХМ, принятой за ближайший аналог, и предлагаемой стали приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав сталей
Сталь
№ пр.
Содержание компонента, мас.%
C
Si
Mn
S
P
Cr
Mo
Ni
Cu
Sn
АС30ХМ ГОСТ 1414-75
1
0,270,33
0,170,37
0,400,70
н.б.0,035
н.б.0,035
0,801,10
0,150,25
н.б.0,30
н.б.0,30
-
Предлагае мая
2
0,30
0,32
0,56
0,032
0,034
0,94
0,19
0,22
0,20
0,29
3
0,29
0,21
0,46
0,021
0,023
0,86
0,18
0,26
0,29
0,28
4
0,32
0,34
0,51
0,019
0,016
1,03
0,20
0,15
0,11
0,02
5
0,30
0,31
0,57
0,014
0,018
0,90
0,18
0,04
0,08
0,05
6
0,28
0,26
0,49
0,025
0,025
0,89
0,17
0,25
0,14
0,30
7
0,31
0,28
0,61
0,012
0,020
0,96
0,17
0,23
0,16
0,32
8
0,32
0,35
0,56
0,011
0,017
1,05
0,20
0,21
0,12
0,05
9
0,31
0,32
0,58
0,018
0,015
0,91
0,17
0,25
0,14
0,06
10
0,29
0,26
0,50
0,019
0,021
0,98
0,21
0,05
0,09
0,30
11
0,31
0,33
0,44
0,024
0,022
0,96
0,15
0,04
0,10
0,27
12
0,28
0,25
0,49
0,008
0,016
0,89
0,17
0,18
0,06
0,25
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.
Таблица 2
Механические и технологические свойства сталей
Сталь
№ пр.
Временное сопротивление σ<sub>в</sub>, МПа
Предел текучести σ<sub>0,2</sub>, МПа
Относительное удлинение δ,%
Ударная вязкость KCU, Дж/см<sup>2</sup>
Производительность обработки давлением
Обрабатываемость резанием
АС30ХМ ГОСТ 1414-75
1
не менее 880
не менее 735
не менее 12,0
не менее 98
1,00
1,00
Предлагаемая
2
1129
1016
10,2
78
Оценка не проводилась
3
1126
1009
12,0
99
0,91
1,14
4
990
823
14,2
118
1,20
0,88
5
1075
951
13,6
114
1,17
1,00
6
1130
1021
12,0
98
1,02
1,14
7
1137
1024
11,0
86
Оценка не проводилась
8
1094
980
13,4
112
1,15
0,99
9
1081
969
13,2
112
1,14
1,00
10
1131
1019
12,2
103
1,00
1,15
11
1123
1011
12,0
102
0,97
1,14
12
1120
1002
12,8
105
1,10
1,13
Пример 1. Известная среднеуглеродистая хромомолибденовая сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием АС30ХМ. 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 токарной обработки стали и производительности процесса ее горячего деформирования не проводилась.
Пример 3. Содержание никеля больше верхнего предела. Уменьшается производительность горячей обработки металла давлением.
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, никеля 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 никеля выходит за нижнюю регламентированную границу. Начинает ухудшаться механическая обрабатываемость стали.
Пример 9. Соотношение между содержанием олова и никеля находится на уровне нижнего предела из указанного диапазона. Уровень обрабатываемости предложенной стали сопоставим с обрабатываемостью известного аналога.
Пример 10. Соотношение между содержанием олова и никеля имеет значение, соответствующее верхнему заявленному пределу. Обрабатываемость резанием имеет максимальное значение, однако при этом не наблюдается повышения эффективности процесса горячего пластического деформирования стали.
Пример 11. Соотношение между содержанием олова и никеля выходит за верхнюю установленную границу. Понижается производительность обработки металла давлением.
Пример 12. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств среднеуглеродистой хромомолибденовой стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 13% 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 предлагаемой 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.