АВТОМАТНАЯ СВИНЕЦСОДЕРЖАЩАЯ СТАЛЬ
AUTOMATIC PLUMBOUS STEEL

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к конструкционным сталям с высокой обрабатываемостью резанием, применяемой для изготовления деталей в автомобилестроении, а именно: рычаги переключения передач, храповики коленчатого вала, фланцы масляного насоса, тяги, гайки, муфты.
Известна автоматная свинецсодержащая сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,21-0,69, кремний 0,23-0,70, марганец 1,36-2,70, свинец 0,13-0,25, сера 0,066-0,11, азот 0,01-0,03, фосфор 0,013-0,019, бор 0,0015-0,0035; ниобий 0,03-0,08, ванадий - 0,05-12, цирконий 0,025-0,12; висмут 0,0024-0,12; молибден 0,04-0,52; кальций 0,0012-0,001; бериллий 0,003-0,007; никель 0,09-0,64; церий 0,08-0,18; железо - остальное (РФ, патент №1296012, C22C 38/60, 07.03.87).
Недостатком известной стали является высокая стоимость из-за использования большого количества дорогостоящих легирующих элементов: ниобий, ванадий, цирконий, висмут, молибден, бериллий, никель, церий.
Наиболее близкой к предлагаемой является автоматная свинецсодержащая сталь, конструкционная, повышенной обрабатываемости марки АС12ХН, содержащая, мас.%: углерод 0,09-0,15, кремний 0,17-0,37, марганец 0,30-0,60, хром 0,40-0,70, никель 0,50-0,80, серу до 0,035, фосфор до 0,035, свинец 0,15-0,30, медь до 0,30, железо и неизбежные примеси - остальное (сталь марки АС12ХН, ТУ 14-14-3271-2007, ГОСТ 1414-75).
Недостатком известной стали является высокая стоимость из-за высокого содержания дорогостоящего легирующего элемента никеля.
Заявленное изобретение решает задачу создания автоматной свинецсодержащей стали, осуществление которой обеспечивает достижение заявленного технического результата, заключающегося в получение автоматной стали, более дешевой по стоимости, по сравнению со сталью по прототипу АС12ХН, не ухудшая ее механических и технологических свойств, унифицированной для изготовления из нее различных профилей и деталей автомобилей.
Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемой автоматной свинецсодержащая стали, содержащей углерод, кремний, марганец, хром, свинец, серу, железо и примеси, новым является то, что в состав стали дополнительно введены азот, бор, титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,10-0,15, кремний 0,17-0,37, марганец 1,00-1,40, хром 0,10-0,30, свинец 0,10-0,25, сера 0,02-0,04, азот 0,001-0,012, бор 0,001-0,005, титан 0,020-0,040, никель 0,10-0,30, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом в состав примесей входят никель, медь, фосфор в следующем соотношении, мас.%: медь не более 0,25, фосфор не более 0,030.
Заявленный технический результат достигается следующим образом.
Удешевление стали обеспечивается благодаря уменьшению, по сравнению с прототипом (0,50-0,80%), количественного содержания никеля (0,10-0,30%) в составе стали - дорогостоящего легирующего элемента, и уменьшению, по сравнению с прототипом (0,40-0,70%), количественного содержания хрома (0,10-0,30%) в составе стали. При этом возможность снижения стоимости стали без ухудшения ее механических и технологических свойств обеспечивается благодаря введению в состав стали титана, азота и бора в заявленных количественных соотношениях и корректировке количественного содержания в стали элементов, совпадающих со сталью по прототипу. При этом количественное содержание элементов в составе стали выбрано таким образом, что каждый элемент выполняет свое основное назначение, а в совокупности заявляемый качественный и количественный состав стали обеспечивает достижение заявленного технического результата. Это позволило получить более дешевую по составу сталь с феррито-перлитной мелкодисперсной структурой, с низким содержание неметаллических включений, с благоприятным сочетанием характеристик прочности и пластичности, свариваемости и обрабатываемости резанием с механическим и технологическими характеристиками не хуже стали по прототипу.
Качественный и количественный состав стали в заявленной трубной заготовке обусловлен следующим.
Железо является основным компонентом стали.
Углерод и азот - это элементы, которые имеют большое значение для формирования твердости и пластичности стали. Повышение пластичности стали в литом состоянии способствует снижению образования трещин и рванин и гарантирует прокатку стали без дефектов. Кроме того, углерод является элементом, влияющим на улучшение прокаливаемости стали. Углерод участвует в протекании процесса образования графитовых включений в структуре стали и в процессе образования частиц карбидной фазы в металлической матрице. При содержании углерода менее 0,10% образуется недостаточное количество как свободного углерода, так и карбидов, что приводит к снижению прочностных свойств стали. При содержании углерода более 0,15% происходит выделение избыточного количества частиц карбидной фазы неблагоприятной формы, что приводит к снижению пластических свойств стали. При этом в обоих случаях это сказывается отрицательно на однородности проката. Содержание углерода в пределах 0,10-0,15% является оптимальным, при котором углерод, участвуя в формировании твердости и пластичности заявленной стали, обеспечивает количественное значение этих характеристик не хуже стали по прототипу.
Азот способствует образованию нитридов в стали и упрочняет границы зерен. Азот благоприятствует достижению более равномерного, более гомогенного распределения карбидов и карбонитридов, изменяя условия отвердевания системы сплава таким образом, что во время отвердевания более грубые агрегаты карбидов или не образуются вовсе, или уменьшаются. В результате это благоприятно сказывается на однородности, пластичности и ударной вязкости заявленной стали. Азот вносит вклад в требуемую твердость стали благодаря тому, что по существу азот растворен в мартенсите с образованием мартенсита азота в твердом растворе. При этом количественное содержание азота (0,001-0,012%) в заявленной стали обеспечивает количественные значения вышеперечисленных характеристик не хуже стали по прототипу. Кроме того, количественное содержание азота выбрано таким образом, что основную функцию в формировании твердости выполняет углерод.
Марганец и хром используют, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. Кроме того, марганец является элементом, способствующим прокаливаемости. Марганец, растворяясь в металлической основе, стабилизирует перлит, способствуя, тем самым, формированию однородной макроструктуры стали. При содержании марганца менее 1,00% в структуре стали наблюдается присутствие включений феррита. При содержании марганца более 1,40% наблюдается локальное пересыщение ферритной составляющей перлита марганцем.
Количественное содержание углерода (0,10-0,15%) в заявленной стали при заявленном количественном содержании марганца (1,00-1,40%) позволяет повысить пластичность литого металла, уменьшить красноломкость и уменьшить анизотропию деформированного металла (пластичность металла в поперечном направлении значительно ниже пластичности металла в продольном направлении). При содержании углерода более 0,15% снижается обрабатываемость проката, а именно: ухудшаются условия резания металла, скорость резания уменьшается. То же самое происходит и при увеличении марганца более 1,40%.
При содержании углерода ниже 0,10% снижаются механические свойства, в том числе и предел прочности. Содержание марганца ниже 1,00% приводит к возрастанию красноломкости. Содержание марганца в заявленной стали в количестве 1,00-1,40% является оптимальным, что позволяет обеспечить количественные характеристики механических свойств и структуры заявленной стали не хуже стали по прототипу.
3
Хром представляет собой эффективный легирующий элемент, повышающий коррозионную стойкость к газообразному диоксиду углерода, наиболее дешевый элемент, повышает твердость и прочность, незначительно уменьшает пластичность, способствует прокаливаемости. Хром при заявленном содержании в стали в количестве 0,10-0,30% полностью растворяется в цементите, образуя сложные карбиды типа (Fe,Cr)C, способствует получению высокой и равномерной твердости, износостойкой поверхности в результате повышения однородности макроструктуры. Поскольку заявленная сталь имеет низкое содержание углерода, а также низкое суммарное содержание углерода и азота, то хром не связывается в карбиды или карбонитриды в значительных количествах. Это позволяет значительно уменьшить, по сравнению с прототипом (0,4-0,7%), в составе стали количественное содержание хрома (0,10-0,30%), что удешевляет сталь, по сравнению со сталью по прототипу, сохранив коррозионную стойкость стали. Заявленное количественное содержание хрома в стали (0,10-0,30%) обеспечивает количественные характеристики механических свойств и структуры заявленной стали не хуже стали по прототипу.
Свинец (0,10-0,25%) определяет общий уровень пластичности стали и ее склонность к проявлению обратимой отпускной хрупкости при последующей термической обработке готовых изделий. Нижний предел 0,10% обусловлен технологией производства стали, а верхний предел 0,25% определяет повышенную склонность стали к обратимой отпускной хрупкости. Количественное содержание свинца (0,10-0,25%) в заявленной стали является оптимальным для достижения заявленного технического результата.
Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0,17% - обусловлен технологией раскисления стали. Верхнее количественное значение содержания кремния 0,37% является оптимальным.
Кремний способствует выделению углерода в свободном виде в соответствии со стабильной системой железо - углерод, что значительно повышает показатели износостойкости сплава. Для заявленного количественного содержания углерода в заявленной стали кремний в количестве менее 0,17% не оказывает значительного влияния на процесс графитизации, вследствие чего углерод находится в связанном состоянии, что приводит к значительному износу изделий при эксплуатации в условиях интенсивного трения. При содержании кремния более 0,37% увеличивается активность углерода стали и, соответственно, тенденция к осаждению первичных карбидов. Кроме того, кремний является элементом, стабилизирующим феррит, что является неблагоприятным свойством кремния. При содержании кремния более 0,37% возможен захват феррита сталью в свою матрицу. Кроме того, превышение содержания кремния 0,37% приводит к появлению в структуре стали повышенного количества крупных включений графита неблагоприятной формы. В заявленном составе стали количественное содержание кремния (0,17-0,37%) находится в соответствии с количественным содержанием углерода, что обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Сера глобулизирует сульфидные включения и участвует в формировании уровня пластичности стали, способствует складыванию образующейся при механической обработке стружке. Нижний предел (0,02%) обусловлен вопросами технологичности производства.
Ограничение по верхнему уровню содержания серы (0,04%) обусловлено тем, что при высокой концентрации серы плохо завариваются во время обработки давлением усадочные пустоты слитка, которые обычно являются местом скопления неметаллических включений, особенно сульфидов. Заявленное количественное содержание серы в составе стали (0,02-0,04%) является оптимальным для достижения заявленного технического результата.
Титан - сильный карбонитридообразователь и раскислитель стали. Заявленный интервал количественных значений титана (0,020-0,040%) в составе стали является оптимальным и обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Для повышения прокаливаемости хромистые стали легируют бором. Бор ограничивает образование крупных ферритов у границ зерен в процессе прокатки и способствует образованию тонкого мелкого феррита внутри зерен, что благоприятно сказывается на твердости и прочностных характеристиках проката, на пластичности, повышает прокаливаемость. Заявленное количественное содержание бора (0,001-0,005%) в составе стали является оптимальным и обеспечивает достижение заявленного технического результата. При этом превышение верхнего предела содержания бора снижает пластичность стали, а выход за пределы нижней границы количественного содержания бора ухудшает показатели прокаливаемости.
Никель (0,10-0,30%) в заявленном количестве нейтрализует вредные влияния со стороны меди, которые заключаются в возможности образования трещин на поверхности во время горячей прокатки. Также способствует поглощению газов металлом в процессе плавки, в особенности водорода, который вызывает образование в слитках газовых пузырей, а в случае крупнозернистой первичной структуры - трещин по границам зерен.
Медь и фосфор входят в состав стали в виде неизбежных примесей.
Медь (не более 0,25%) в заданных пределах положительно влияет на однородность структуры, обеспечивает повышение механических свойств и износостойкости в условиях высоких температур и теплосмен.
Фосфор (не более 0,030%) участвует в формировании уровня пластичности и однородности стали.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленная автоматная свинецсодержащая сталь при осуществлении обеспечивает достижение заявленного технического результата, заключающегося в снижении стоимости стали без ухудшения ее механических и технологических свойств.
В результате опытных плавок был получен прокат с характеристиками:
микроструктура проката феррито-перлитная, при этом зернистого перлита в перлитной составляющей не более 35%;
твердость в центральной зоне контролируемого на прокаливаемость образца не менее 25HRC (по Роквеллу);
твердость проката в состоянии поставки (нагартованно-отпущенное) 156-207НВ;
временное сопротивление не менее 640 Н/мм;
предел текучести не менее 440 Н/мм;
ударная вязкость не менее 88 Дж/см;
относительное удлинение не менее 10%;
размер аустенитного зерна не крупнее номера 5;
неметаллические включения по оксидам (ОС) строчным и силикатам (СХ, СП, СН) соответственно: хрупким, пластичным, недеформированным - не более 3,5 балла по максимальному баллу по каждому виду включений, по нитридам - не более 2,0 балла по максимальному баллу.
Пример 1. Выплавка исследуемой стали производилась в 80-тонной дуговой сталеплавильной печи (ДСП-80) с использованием в шихте до 40% жидкого чугуна.
В ходе выплавки полупродукта осуществляется обезуглероживание, дефосфорация полупродукта и нагрев до температуры 1620-1650°C.
Во время выпуска полупродукта из ДСП-80 осуществляется раскисление металла чушковым алюминием и предварительное легирование марганцем, хромом, кремнием на нижний предел требуемого содержания с учетом остаточного содержания элементов.
После выпуска осуществляется продувка металла аргоном через донный продувочный блок.
Дальнейшая обработка металла производилась на установке внепечной обработки стали (УВОС), где осуществлялось наведение рафинировочного шлака присадкой извести и плавикового шпата, продувка металла аргоном через донный продувочный блок, десульфурация, нагрев металла до необходимой температуры, корректировка химического состава металла присадкой кусковых ферросплавов и порошковой проволоки с наполнителями.
Легирование свинцом осуществляется при разливке добавлением свинцовой дроби. От каждого слитка отбирали пробы на содержание свинца по высоте слитка, усвоение свинца на плавке составило 75%, усвоение свинца по слиткам равномерное.
Сталь прокатывали по стандартной схеме на станах и по технологии прокатки стали-прототипа АС12ХН. Затем металл каждого слитка прокатывали на готовый сорт 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.
Опытный образец:
В результате выплавки получена сталь с химическим составом в мас.%: C=0,13; Mn=1,21; Si=0,20; S=0,027, P=0,013, Cr=0,22, Ni=0,20, Cu=0,22, Pb=0,20, B=0,0025, Ti=0,026, N=0,008.
В результате горячей прокатки и последующей калибровки получаем сортовой прокат диаметром 29 мм длиной 4500 мм, с твердостью 187НВ.
2
2
2
Механические свойства, определенные на термически обработанных образцах: предел текучести 480 Н/мм, временное сопротивление - 720 Н/мм, относительное удлинение - 21%, ударная вязкость KCU - 140 Дж/см. Термообработка образцов: закалка 900-920°C, масло; отпуск - 150-180°C, выдержка 2 часа, воздух.
Микроструктура - ферритно-перлитная.
Прокаливаемость определялась на двух образцах диаметром 12 мм, длиной 120 мм. Закалка образцов: нагрев под закалку - 920°C, выдержка 1 час, закалка в масле И-20А (ГОСТ 20799-88) с температурой 40-80°C, время охлаждения от 7 до 8 минут, время переноса образца из печи в закалочный бак - не более 5 секунд. Отступив от торца образца 48 мм, вырезали 2 шайбы толщиной 12 мм. Торцы проб отшлифовали и произвели замер твердости по методу Роквелла (шкала С) на одной линии, в трех точках, максимально приближенных к центру. Среднее значение трех замеров - 30HRC.
Макроструктура при проверке на протравленных темплетах: центральная пористость - 1 балл, точечная неоднородность - 1 балл, ликвационный квадрат - 0 баллов, подусадочная ликвация - 0 баллов, подкорковые пузыри - 0 баллов, межкристаллитные трещины - 0 баллов. Размер аустенитного зерна - 7 баллов.
Неметаллические включения, контролируемые по ГОСТ 1778-70, метод Ш6.
Вид включения
Максимальный балл
СН (силикаты недеформируемые)
0
ОС (оксиды строчные)
2,0
СП (силикаты пластичные)
2,0
СХ (силикаты хрупкие)
2,0
Н (нитриды)
1,5
Ниже приведены результаты сравнения структурных и механических характеристик заявленной стали, опытного образца и стали по прототипу АС12ХН (ТУ 14-1-3271-2007, ГОСТ 1414-75). Звездочкой отмечены примеси.
Параметры
Сталь заявленная
Сталь заявленная, пример.
АС12ХН (ТУ 14-1-3271-2007, ГОСТ 1414-75)
Химический состав
C
0,10-0,15
0,13
0,11
Mn
1,0-1,4
1,21
0,33
Si
0,17-0,37
0,20
0,21
P
не более 0,03*
0,013*
0,016
S
0,02-0,04
0,027
0,024
Cr
0,10-0,30
0,22
0,49
Ni
0,10-0,30
0,20
0,63
Cu
не более 0,25*
0,22*
0,23
Mo
-
-
0,010
Pb
0,10-0,25
0,20
0,175
N
0,001-0,012
0,008
-
B
0,001-0,005
0,0025
-
Ti
0,020-0,040
0,026
-
Микроструктура проката
феррито-перлитная, при этом зернистого перлита 30%
феррито-перлитная, при этом зернистого перлита 30%
феррито-перлитная, преобладание пластинчатого перлита.
Твердость в центральной зоне контролируемого на прокаливаемость образца
Не менее 25 HRC.
Среднее значение трех замеров - 30 HRC.
Нет контроля
Твердость проката в состоянии поставки (нагартованно-отпущенное)
156-207
187 НВ
Не более 269 НВ
Механические свойства
Термообработка образцов:
закалка 900-920°C, масло; отпуск - 150-180°C, выдержка 2 часа, воздух.
закалка 900-920°C, масло; отпуск - 150-180°C, выдержка 2 часа, воздух.
закалка 900-920°C, масло; отпуск - 150-180°C, выдержка 2 часа, воздух.
Временное сопротивление
Не менее 640
720 Н/мм<sup>2</sup>
640 Н/мм<sup>2</sup>
Предел текучести
Не менее 440
480 Н/мм<sup>2</sup>
440 Н/мм<sup>2</sup>
Ударная вязкость KCU
Не менее 88
140 Дж/см<sup>2</sup>
88
Относительное удлинение
Не менее 10
21,0%
10
Из результатов сравнения характеристик заявленной стали и стали по прототипу АС12ХН следует, что предлагаемая автоматная свинецсодержащая сталь по своим механическим и структурным и технологическим характеристикам не уступает известной стали АС12ХН, в том числе, не уступает по обрабатываемости резанием, а, следовательно, также является унифицированной и может успешно заменить сталь АС12ХН для изготовления различных профилей и деталей автомобилей, одновременно удешевляя стоимость стали.