АВТОМАТНЫЕ ВИСМУТСОДЕРЖАЩИЕ СТАЛИ
FREE-MACHINING BISMUTH-CONTAINING STEELS

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству автоматной стали с высокой обрабатываемостью резанием для изготовления деталей в автомобилестроении.
Известна автоматная свинецсодержащая сталь АС-14, содержащая, мас.%:
углерод - 0,10-0,17;
кремний - не более 0,12;
марганец - 1,0-1,3;
сера - 0,15-0,30;
фосфор - не более 0,1;
свинец - 0,15-0,30;
железо и примеси - остальное. [1]
Эта сталь наиболее близка к предлагаемой по механическим свойствам, составу и назначению и взята за прототип.
Недостатком этой стали является преобладание сильно деформированных пленочных включений, которые приводят к понижению физико-механических и технологических свойств металла и сдерживают возможность повышения обрабатываемости, а также токсичность свинца, относящегося к элементам первого класса опасности. Для производства свинецсодержащей стали в сталеплавильных цехах применяются достаточно сложные устройства для аспирации образующихся газов. В прокатных цехах задача защиты от соединений свинца практически неразрешима.
Основная техническая задача изобретения состоит в повышении обрабатываемости резанием по всему сечению и объему проката из автоматной стали с сохранением механических свойств на уровне свинецсодержащей стали, улучшение экологической обстановки в металлургической промышленности и разновариантная стоимость стали.
Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагается автоматная висмутсодержащая сталь, содержащая в мас.%:
углерод - не более 0,16;
кремний - не более 0,15;
марганец 1,2-1,68;
сера 0,2-0,4;
фосфор 0,06-0,15;
алюминий - не более 0,01;
висмут 0,06-0,12;
общий кислород 0,003-0,015;
железо и примеси - остальное. Условное обозначение предлагаемой стали AM 14.
Предлагается экономнолегированная висмутом с пониженной стоимостью сталь, содержащая, в мас.%:
углерод - не более 0,16;
кремний - не более 0,15;
марганец 1,2-1,68;
сера 0,2-0,4;
фосфор 0,06-0,15;
алюминий - не более 0,01;
висмут 0,03-0,05;
общий кислород 0,003-0,015;
железо и примеси - остальное. Условное обозначение предлагаемой стали AM12.
Задача решается путем легирования серой и висмутом, а также формирования в металле равномерно распределенных сульфидных включений элипсовидной и округлой формы. Объем сульфидных включений зависит от содержания серы, а морфология- от степени раскисления стали и содержания в ней кислорода, а также от скорости охлаждения при кристаллизации. Оптимальная форма сульфидов для повышения обрабатываемости стали - округлые, близкие к глобулярным, слабодеформированные, образующиеся в слабораскисленной стали с содержанием общего кислорода - 0,0030-0,0150%. Для этого при передаче стали на разливку поддерживается активность кислорода в стали на уровне 20-70 ppm. Наличие близких к глобулярным, слабодеформированных сульфидов в металле хорошо согласуется с содержанием активного кислорода и остаточного алюминия: чем выше содержание кислорода с меньшим содержанием остаточного алюминия, тем больше в металле глобулярных сульфидов.
Максимальное содержание алюминия 0,01% ограничено снижением обрабатываемости деталей.
Содержание углерода не более 0,16% обеспечивает получение необходимых механических характеристик. При превышении верхнего содержания снижается пластичность и увеличивается твердость, что не позволяет использовать сталь по прямому назначению.
Содержание марганца и серы обеспечивает соотношение, равное 3,4…8,0. При таком соотношении проявление в стали эффекта красноломкости менее вероятно. Количественное содержание серы ниже 0,2% приводит к снижению приемлемого уровня обрабатываемости.
Нижнее количественное содержание фосфора 0,06% обеспечивает увеличение обрабатываемости стали. При концентрации фосфора, превышающей значение 0,15%, проявляется его негативное влияние на пластичность металла.
3
Минимальное содержание висмута в стали 0,03% обусловлено достижением обрабатываемости на уровне свинецсодержащей стали. Максимальное содержание 0,12% - экспериментально подобрано для оптимальных условий разливки на МНЛЗ, соблюдения требований по предельно-допустимой концентрации (ПДК) висмута в воздухе (установлена на уровне 0,5 мг/м).
На фигуре 1 представлена фотография микроструктуры модифицированной автоматной стали одной из плавок с величиной зерна 8-9 номер при 100-кратном увеличении с установленной масштабной линейкой длиной 400 мкм.
На фигуре 2 представлена фотография микроструктуры с соотношением зернистого и пластинчатого перлита (преобладание пластинчатого перлита) при 500-кратном увеличении с установленной масштабной линейкой длиной 90 мкм.
На фигуре 3 изображено распределение и форма сульфидных включений в модифицированной автоматной стали одной из плавок, в поверхностном слое продольного шлифа при 100-кратном увеличении.
На фигуре 4 изображено распределение и форма сульфидных включений в поверхностном слое продольного шлифа модифицированной автоматной стали, при 500-кратном увеличении.
На фигуре 5 изображено распределение и форма сульфидных включений в образце одной из плавок модифицированной автоматной стали в центральной части продольного шлифа при 100-кратном увеличении.
На фигуре 6 изображены распределение и форма сульфидных включений в образце одной из плавок модифицированной автоматной стали в центральной части продольного шлифа при 500-кратном увеличении.
Практический пример выполнения.
Выплавка заявленных марок стали проводится на ЗАО "Омутнинский металлургический завод" в сталеплавильном агрегате. Раскисление стали алюминием проводят на сливе из сталеплавильного агрегата в ковш, вводят в донную зону ковша компоненты для раскисления при оптимальном соотношении [Mn]/[Si]≤3. В печи-ковше ведут внепечную обработку при продувке аргоном с наведением известково-глиноземистого шлака, вводят порошковую проволоку с наполнителем элементарная сера после загущения шлака магнезитовым порошком. В последующем вводят проволоку с наполнителем - висмут (MnBi). Разливку проводят на МНЛЗ способом «под уровень». Получают сталь в виде непрерывнолитой заготовки.
Заготовку прокатывают на станах горячей прокатки по технологическим инструкциям и схемам прокатки ЗАО "ОМЗ". Затем подкат калибруют на волочильном стане усилием 10 тонн в готовый профиль- круги от 10 до 27 мм и шестигранник от 14 до 27 мм.
Произвели по три плавки с предложенным составом стали AM12 и АМН. Полученный химический состав в сравнении с прототипом приведен в таблице 1.
Оценку механических свойств и структуры сталей AM12 и AM14 проводили в лаборотории контрольных испытаний ЗАО "ОМЗ". Испытания механических свойств проводились на 2 5-тонной разрывной машине фирмы «QUASAR 250", испытание твердости проводились на твердомере типа ТШ-2М по методу Бринелля. Результаты исследования механических свойств известной и предлагаемой калиброванной стали приведены в таблице 2. Из опытных плавок были изготовлены партии профилей различных типоразмеров. Некоторый разброс прочностных свойств обусловлен степенью обжатий при волочении профилей разных размеров.
Микроструктуру стали, форму и распределение сульфидных включениий исследовали на микроскопе «NEOPHOT-21». Микроструктура стали феррито-перлитная с преобладанием пластинчатого перлита, с величиной зерна не крупнее 5 номера. Величину зерна оценивали на поперечном шлифе калиброванного профиля при 100-кратном увеличении по ГОСТ 5639 (фиг.1), соотношение зернистого перлита к пластинчатому оценивали на поперечном шлифе при 500-кратном увеличении по ГОСТ 8233 (фиг.2). Отличий в микроструктуре предлагаемых марок стали AM12 и AM14 не наблюдается.
Оценка формы неметаллических включений показала наличие равномерно распределенных, обособленных, слабодеформированных сульфидов округлой (эллипсовидной) формы на деформированном при прокатке и волочении металле, отсутствие скоплений пленочных включений, снижающих физико-механические и технологические свойства металла. Отношение длины частиц сульфидов к их толщине в поверхностном слое 2-4 (фиг.3, 4), в центре сечения составляет 4-6 (фиг.5, 6).
Полученная форма сульфидных включений обеспечивает уменьшение адгезионных взаимодействий обрабатываемого материала и инструмента и, как результат, обеспечение шероховатости поверхности и интенсивности изнашивания режущего инструмента (стойкости инструмента) на уровне свинецсодержащих сталей.
Опытно-промышленные испытания на обрабатываемость резанием металлопроката из предлагаемой автоматной стали проводили по критериям стойкости металлорежущего инструмента, шероховатости проверхности и по характеристике отделения стружки.
Ряд предприятий (ОАО «Ульяновский автомобильный завод», ОАО «Автодеталь-Сервис», ООО «Лагуна», г. Санкт-Петербург, ЗАО «Окуловский завод мебельной фурнитуры» и др.) после испытаний дали положительные результаты по токарной обработке стали AM12. Стойкость металлорежущего инструмента увеличилась на 15-20%, стружка легко крошится, не накапливаясь в зоне обработки.
ООО "Автопартнер", г. Димитровград отмечает улучшение чистоты поверхности обработанных деталей на 1-2 класса.. По итогам опытной партии в ООО «ПРОСАМ», г. Рязань была получена стабильная точность контролируемых размеров деталей с хорошей чистотой обработки и без расслоения металла при накатке резьбы.
Предложенный химический состав, способ раскисления, выплавки, прокатки и калибровки позволяет получать калиброванную продукцию из двух марок стали разновариантной стоимости с повышенной обрабатываемостью резанием по всему сечению и объему проката на уровне свинецсодержащей стали АС14 с сохранением механических свойств, а также с улучшением экологической обстановки в металлургической промышленности.
Таблица 1
№
Сталь
Химический состав, %
С
Mn
Si
Р
S
Bi
Al
О
Pb
1
7780-1
0,11
1,45
0,060
0,072
0,247
0,040
-
0,0037
2
8317-2
0,1
1,54
0,06
0,062
0,254
0,048
-
0,0021
3
4397-1
0,1
1,47
0,002
0,076
0,263
0,030
-
0,0035
Предлаг аемая АМ12
≤0,16
1,2-1,68
≤0,15
0,06-0,15
0,2-0,4
0,03-0,05
≤0,01
0,002-0,005
1
7780-2
0,1
1,44
0,05
0,071
0,236
0,05
-
0,0022
2
4690-1
0,1
1,5
0,03
0,078
0,260
0,06
-
0,0034
3
8123-1
0,09
1,45
0,05
0,075
0,257
0,09
-
0,0024
Предлаг аемая АМН
≤0,16
1,3-1,68
≤0,15
0,06-0,15
0,2-0,4
0,06-0,12
≤0,01
0,002-0,005
Аналог АС14
0,1-0,17
1,0-1,3
0,12
≤0,1
0,15-0,3
0,15-0,3
Таблица 2
№
Сталь
Механические свойства калиброванной стали
Предел прочности
Относительное
Твердость НВ,
G<sub>B</sub>, МПа
удлинение δ, %
не более
не менее
не менее
1
7780-1
610-620
11
207
2
8317-2
600-605
10
187
3
4397-1
634-639
10-11
197
Предлагаемая AM 12
490
10
217
1
7780-2
565-570
11,5-12
187
2
4690-1
515-519
12-13
187
3
8123-1
524-535
12-16
179
Предлагаемая AM14
490
10
217
Аналог
490
10
207
АС14
Источники информации:
1. ГОСТ 1414-75, Госстандарт России, М., 1992, с.4-5, 9