НИЗКОУГЛЕРОДИСТАЯ ЛЕГИРОВАННАЯ СТАЛЬ ВЫСОКОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ РЕЗАНИЕМ
LOW-CARBON ALLOYED STEEL OF HIGH CUTTING PROCESSIBILITY

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, которые применяются для производства ответственных деталей машин.
Из уровня техники известна сталь высокой обрабатываемости резанием (патент JP 1047839, опубл. 22.02.1989, МПК C22C 38/60), содержащая углерод, кремний, марганец, медь, олово и железо при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- 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, масс.%:
- хром - не более 2,00;
- никель - не более 5,00;
- сера - не более 0,035;
- фосфор - не более 0,035;
- молибден - не более 1,00.
Фазовый состав данной стали характеризуется присутствием олова в форме твердого раствора в железе, что повышает хрупкость феррита и облегчает разрушение поверхностного слоя в процессе механической обработки металла. Вместе с тем он включает сульфид марганца, наличие которого способствует предотвращению налипания частиц обрабатываемого материала на режущую кромку лезвийного инструмента за счет образования смазочного слоя в зоне их контакта.
Известная сталь имеет следующие недостатки:
- отсутствуют сведения о предельно допустимом суммарном содержании компонентов, улучшающих обрабатываемость, которое предопределяет механические свойства стали, а следовательно, и ее пригодность для дальнейшего применения сообразно целевому назначению;
- при одновременном наличии в составе олова и меди для последнего элемента не указано наиболее благоприятное содержание с точки зрения возможности предотвратить появление дефектов в ходе операции горячей обработки давлением, возникающих при повышенной концентрации данной примеси в результате уменьшения под воздействием олова температуры плавления избыточной металлической фазы в поверхностном слое стали;
- нет данных 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 металлопродукции;
- химический состав не обеспечивает необходимой обрабатываемости, требующейся для реализации высокоскоростной механической обработки стали на современном металлорежущем оборудовании.
Кроме того, известна низкоуглеродистая легированная сталь высокой обрабатываемости резанием (ТУ 14-136-344-98. Сталь калиброванная, углеродистая и легированная висмутсодержащая высокой обрабатываемости резанием (с Изменением №1). - Введ. 1998-08-01), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, висмут и железо при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- 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 - 0,12-0,20;
- железо - основа.
Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, масс.%:
- серу - не более 0,035;
- фосфор - не более 0,035;
- молибден - не более 0,10;
- медь - не более 0,30.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- висмут крайне токсичен и согласно установленным на сегодняшний день гигиеническим нормативам относится к «высоко опасным» веществам, что ограничивает его применение в черной металлургии вследствие резкого ухудшения условий труда рабочего персонала при производстве автоматных сталей;
- принципиальная неосуществимость дальнейшего улучшения обрабатываемости резанием, которое требуется в современных условиях увеличения доли высокоскоростной механообработки в общем объеме всех способов формообразования поверхности, методом последовательного повышения содержания в стали висмута больше известных значений, поскольку превышение его предельной растворимости в железной матрице приводит к значительному ухудшению механических свойств металла;
- отсутствуют данные о предельно допустимом суммарном содержании элементов, облегчающих процесс лезвийной обработки, которые при одновременном присутствии могут ухудшать комплекс механических свойств стали, оказывая тем самым непосредственное влияние на эксплуатационную надежность готового изделия в частности и всей металлоконструкции в целом;
- не указано оптимальное остаточное содержание меди, позволяющее избежать ухудшения горячей деформируемости стали вследствие выделения структурно свободной меди, которая проникает к границам зерен поверхностного слоя, уменьшая его прочность, или в результате сильного окисления границ зерен без их значительного обогащения данной примесью;
- из-за низкой степени усвоения сталью, обусловленной высокой упругостью паров висмута и его достаточно низкой температурой кипения, для достижения требуемых механических и технологических свойств конструкционного материала на металлургическом производстве необходима реализация сложных технических и конструкторских решений;
- высокая стоимость висмута, которая в совокупности с его крайне малым усвоением, требующим сознательного большого перерасхода, приводит к значительному увеличению себестоимости автоматных сталей, уменьшению прибыли и снижению конкурентоспособности металлургического предприятия;
- неравномерное распределение висмута в теле слитка вследствие его большой физической плотности затрудняет гарантированное получение требуемых свойств стали от плавки к плавке и обусловливает понижение выхода годного металла, а следовательно, и производительности процесса горячей обработки давлением из-за образования дефектов в местах наибольшего скопления данного элемента.
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 резанием, содержит олово при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- 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;
- олово - 0,05-0,30;
- железо - основа.
Кроме того, в качестве примесей сталь дополнительно может содержать, масс.%:
- серу - не более 0,025;
- фосфор - не более 0,025;
- молибден - не более 0,10;
- медь - не более 0,20.
При этом отношение содержания олова к содержанию меди находится в пределах от 0,3 до 6, а суммарное содержание серы и олова не превышает 0,31 масс.%.
Олово как легирующий элемент, повышающий обрабатываемость стали резанием, по сравнению с традиционно использовавшимся ранее с этой целью висмутом имеет определенные преимущества.
Во-первых, олово обладает большой степенью усвоения ванной жидкого металла, что объясняется низкой упругостью пара данного элемента и температурой кипения, значительно превышающей рабочие температуры сталеплавильных процессов, которые препятствуют его свободному испарению с поверхности расплава. Это позволяет избежать излишнего усложнения технологии производства стали.
Во-вторых, цена олова на мировом рынке металлов в среднем на 30% ниже, чем у висмута. В сочетании с высоким усвоением это позволяет более рационально использовать материальные средства и в некоторых случаях уменьшить себестоимость стали за счет снижения расхода легирующих компонентов, так как при определении необходимого количества добавочных материалов заранее исходят из их повышенной против требуемой массы с учетом предполагаемых потерь окислением и испарением.
В-третьих, олово равномерно распределяется в теле слитка, что обусловлено его плотностью сопоставимой с плотностью жидкой стали. В сочетании с оптимальным содержанием меди и при регламентации соотношения концентраций данных элементов это позволяет предотвратить появление дефектов поверхностного слоя металла во время операции его обработки давлением и тем самым увеличить процент выхода годного, повысив производительность третьего передела.
3
В-четвертых, висмут относится к «высоко опасным» веществам, и его содержание в атмосфере цеха ограничено величиной среднесменной предельно допустимой концентрации (ПДК) - 0,5 мг/м, а значения ПДК и ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ) в воздухе рабочей зоны для чистого олова в настоящее время не установлены.
Кроме того, в отличие от висмута олово ни при каких обстоятельствах выплавки стали не образует вредных газо- и пылевидных выбросов. С одной стороны, это обусловлено более низким по сравнению с железом химическим сродством к кислороду, а с другой - высокой температурой кипения и низкой упругостью пара, вследствие чего олово, не окисляясь, практически полностью остается в металле в растворенном состоянии.
Таким образом, применение олова способствует значительному улучшению экологической обстановки производства и санитарно-гигиенических условий труда рабочего персонала за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу ввиду полного исключения из состава стали высокотоксичных компонентов.
Сущность изобретения - выявление оптимального содержания олова, меди, серы и фосфора, 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 висмутсодержащей марки;
- увеличение содержания олова, серы и фосфора выше заявленных пределов приводит к ухудшению механических свойств металла, в результате чего сталь не может применяться по прямому назначению;
- при суммарном содержании серы и олова больше регламентированного предела ударная вязкость стали не соответствует требованиям технических условий;
- превышение заявленного содержания меди, также 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 12% превышает величину обрабатываемости висмутсодержащего аналога, а производительность процесса горячей обработки давлением увеличивается на 8%; 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 механической обрабатываемости стали и производительности операции 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 установлены обрабатываемость резанием и производительность обработки давлением известной низкоуглеродистой легированной стали, принятой за ближайший аналог, которая произведена в соответствии с требованиями, установленными ТУ 14-136-344-98.
Химический состав анализируемых сталей приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав сталей
Сталь
№ пр.
Содержание компонента, масс.%
C
Si
Mn
S
Р
Cr
Ni
Mo
Cu
Sn
Известная
1
0,16 0,21
0,17 0,37
0,70 1,10
н.б. 0,035
н.б. 0,035
0,80 1,10
0,80 1,10
н.б. 0,10
н.б. 0,30
-
2
0,13 0,18
0,17 0,37
0,70 1,00
н.б. 0,035
н.б. 0,035
0,80 1,10
0,80 1,10
н.б. 0,10
н.б. 0,30
-
Предлагаемая
3
0,20
0,32
0,86
0,034
0,032
0,94
0,91
0,01
0,19
0,29
4
0,19
0,21
0,76
0,021
0,023
0,86
0,89
0,02
0,21
0,28
5
0,19
0,24
0,81
0,019
0,016
0,88
0,95
0,02
0,11
0,03
6
0,20
0,31
0,87
0,014
0,018
0,90
0,92
0,04
0,08
0,05
7
0,18
0,26
0,79
0,025
0,025
0,94
0,83
0,03
0,20
0,30
8
0,18
0,28
0,81
0,012
0,020
0,96
0,87
0,01
0,16
0,32
9
0,19
0,35
0,86
0,011
0,017
1,05
0,94
0,03
0,17
0,05
10
0,17
0,24
0,88
0,018
0,015
0,91
0,85
0,03
0,20
0,06
11
0,19
0,32
0,80
0,019
0,021
0,98
0,88
0,02
0,04
0,24
12
0,18
0,33
0,74
0,023
0,022
0,96
0,90
0,02
0,04
0,27
Продолжение таблицы 1
Сталь
№ пр.
Содержание компонента, масс.%
C
Si
Mn
S
Р
Cr
Ni
Mo
Cu
Sn
Предлагаемая
13
0,17
0,27
0,94
0,020
0,014
0,82
0,86
0,05
0,05
0,29
14
0,19
0,29
0,76
0,024
0,020
0,90
0,88
0,01
0,10
0,29
15
0,18
0,25
0,79
0,008
0,016
0,89
0,85
0,07
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 технологической операции 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
Известная
1
н.м. 1180
н.м. 930
н.м. 7,0
н.м. 69
1,00
1,00
2
н.м. 1080
н.м. 835
н.м. 8,0
н.м. 78
3
1374
1293
6,2
61
Оценка не проводилась
4
1372
1294
8,0
80
0,93
1,13
5
1318
1262
10,0
97
1,17
0,94
6
1329
1273
9,8
96
1,16
1,00
7
1377
1296
8,0
78
1,02
1,14
8
1371
1290
7,0
67
Оценка не проводилась
Предлагаемая
9
1333
1276
9,4
94
1,14
0,98
10
1336
1274
9,2
94
1,14
1,00
11
1366
1284
8,4
85
1,00
1,11
12
1368
1291
8,0
82
0,99
1,12
13
1373
1294
8,4
69
1,03
1,14
14
1376
1290
8,2
68
Оценка не проводилась
15
1370
1287
8,8
86
1,08
1,12
Примеры 1, 2. Известная низкоуглеродистая легированная сталь высокой обрабатываемости резанием по ТУ 14-136-344-98. 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 высокотоксичных паров висмута.
Пример 3. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям ТУ. Оценка эффективности механической обработки стали и производительности процесса горячей обработки давлением не проводилась.
Пример 4. Содержание меди больше верхнего предела. Происходит уменьшение производительности процесса горячего пластического деформирования металла.
Пример 5. Содержание олова меньше нижнего предела. Уровень обрабатываемости предложенной стали ниже, чем у известного аналога.
Пример 6. Содержание олова в стали находится на уровне нижней границы заявленного диапазона. Обрабатываемость резанием предложенной стали сопоставима с механической обрабатываемостью ее аналога.
Пример 7. Содержание серы, фосфора, меди и олова находится на уровне верхней границы заявленных диапазонов. Показатели механических свойств металла соответствуют минимальным предельно допустимым значениям, принятым для висмутсодержащего аналога.
Пример 8. Содержание олова больше верхнего предела. Значения механических свойств металла выходят за рамки, установленные ТУ. Исследование технологических свойств предлагаемой стали не проводилось.
Пример 9. Соотношение между содержанием олова и меди выходит за нижнюю регламентированную границу. Уменьшается эффективность процесса токарной обработки.
Пример 10. Соотношение между содержанием олова и меди находится на уровне нижнего предела из заявленного диапазона. Уровень обрабатываемости предложенной стали сопоставим с обрабатываемостью известного аналога.
Пример 11. Соотношение между содержанием олова и меди имеет значение, соответствующее верхнему заявленному пределу. Не наблюдается повышения эффективности процесса горячего пластического деформирования стали.
Пример 12. Соотношение между содержанием олова и меди выходит за верхнюю установленную границу. Понижается производительность обработки металла давлением.
Пример 13. Суммарное содержание серы и олова находится на уровне установленного предела. Величина ударной вязкости стали соответствует минимальному допустимому значению из технических условий, разработанных для аналога.
Пример 14. Суммарное содержание серы и олова превышает регламентированное значение. Ударная вязкость стали не соответствует требованиям ТУ, и сталь не может использоваться в соответствии с целевым назначением. Исследование технологических характеристик не проводилось.
Пример 15. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств низкоуглеродистой легированной стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 12% выше, чем у известного аналога, а производительность горячей обработки давлением возрастает на 8%. 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.