НОЖ ДЛЯ РУБКИ МЕТАЛЛА
KNIFE FOR METAL CUTTING

Изобретение относится к металлургии, а именно к производству ножей для рубки металла из сталей, используемых для изготовления ножей, работающих в условиях изнашивания в сочетании с большими ударными нагрузками, используемых в пресс-ножницах для рубки металла, работающих в широком интервале температур, с нижним пределом не менее -30°С в зимний период.
2
В России ножи для холодной резки и рубки металла изготавливают из стали, марки 6ХВ2С - инструментальной легированной стали с химическим составом по ГОСТ 5950-74, содержащей железо, углерод, кремний, марганец, хром и вольфрам. В процессе изготовления ножи подвергаются закалке с температуры 920°С, с последующим отпуском при температуре 450±10°С и имеют недостаточно высокую ударную вязкость (19-29 Дж/см) и твердость (46-48 HRC), играющую немаловажную роль в процессе рубки металла.
Известны в металлургии хромоникельмолибденованадиевые стали, используемые для изготовления ножей горячей резки металлов. Среди таких сталей наиболее близкой к патенту на полезную модель по технической сущности является сталь марки 5Х2МНФ инструментальной легированной стали с химическим составом по ГОСТ 5950-74, которая содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%
углерод
0,46-0,53
кремний
0,10-0,40
марганец
0,40-0,70
молибден
0,80-1,10
ванадий
0,30-0,50
никель
1,20-1,60
хром
1,50-2,00
сера
не более 0,03
фосфор
не более 0,03
К недостаткам известного состава относятся недостаточная прокаливаемость и твердость, что не позволяет использовать сталь для изготовления ножей для рубки металла.
Цель изобретения - получение ножа для рубки металла из легированной стали, имеющей повышенную прокаливаемость, высокие механические свойства и износостойкость в условиях изнашивания с большими ударными нагрузками.
Для этого нож для рубки металла изготавливают из легированной стали, содержащей углерод, кремний, марганец, молибден, ванадий, никель, хром, серу, фосфор и железо, содержащей указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод
0,50-0,60
кремний
0,10-0,40
марганец
0,40-0,70
молибден
0,60-0,80
ванадий
0,30-0,60
никель
1,70-2,00
хром
1,00-1,30
сера
не более 0,005
фосфор
не более 0,01
железо
остальное
2
и после закалки с температуры 920°С и последующего отпуска при температуре 450±10°С имеет однородную структуру с величиной зерна 5-8 балла, ударную вязкость 39 Дж/см и твердость 51 HRC.
Содержание углерода в стали должно быть достаточным для обеспечения закаливаемости на высокую твердость (50-55 HRC). Однако при содержании углерода более 0,6% наблюдается заметное снижение уровня вязкости.
Концентрацию кремния ограничили величиной 0,4 из-за его охрупчивающего влияния на α-фазу: мартенсит и бейнит.
Марганец, значительно повышающий прокаливаемость, при содержании более 0,7% способствует укрупнению зерна, что понижает механические свойства, дополнительно увеличивает количество остаточного аустенита и усиливает опасность получения трещин.
2
2
Хром улучшает закаливаемость и прокаливаемость и повышает прочность и вязкость, способствуя сохранению более мелкого зерна. Высокое содержание хрома (выше 3,2%) нежелательно; тогда образуется карбид М7С3 и увеличивается количество карбидов, что ухудшает вязкость. При содержании хрома менее 1% не достигается прокаливаемость в сечении 100 мм и более. Наряду с пониженным уровнем твердости при содержании хрома менее 1% наблюдается пониженный уровень ударной вязкости. При достижении необходимой прокаливаемости увеличение содержания хрома более 1,3% нецелесообразно из-за увеличения себестоимости продукции при одинаковых характеристиках. Уровень ударной вязкости при содержании хрома 0,1-0,9% 30-34 Дж/см против 40-45 Дж/см при содержании хрома 1-1,3%.
Никель благоприятно влияет на одновременное повышение прочности и твердости при сохранении высокой ударной вязкости, не образует карбидов, значительно понижает граничную температуру хрупкости стали. Никель благоприятно влияет на хорошую закаливаемость стали, особенно при добавке хрома и молибдена. Никелевый мартенсит, из-за его небольшой способности к упрочнению, в большей степени восприимчив к пластической деформации, и при содержании никеля более 2,5% наблюдается увеличение степени износа режущей кромки ножа. Уровень ударной вязкости в большей степени зависит от содержания никеля. Чем больше никеля, тем больше ударная вязкость. Содержание никеля более 2% нецелесообразно из-за увеличения себестоимости при одинаковых характеристиках.
Ударная вязкость возрастает при введении молибдена, благодаря его влиянию на состояние пограничных слоев зерна при содержании до 0,9%. При его содержании более 1% ухудшается вязкость из-за появления карбидной фазы.
Ванадий при содержании 0,3-0,6% способствует сохранению мелкого зерна и увеличению износостойкости. При его большем содержании ухудшается вязкость из-за роста количества карбида МС.
Содержание серы и фосфора (не более 0,01%) и серы (не более 0,005%) обеспечивается специальными мероприятиями при выплавке стали и последующем переплавом ЭШП. Содержание данных примесей в большем количестве способствует преждевременному выходу ножей из строя, работающих при отрицательных температурах и повышенных удельных нагрузках.
После изменения химического состава стали для конкретных условий получаем комплексно легированную сталь типа 55ХН2МФ, способом электрошлакового переплава (ЭШП).
2
Сталь 55ХН2МФ после ЭШП показывает более высокие значения ударной вязкости на 4-5 Дж/см.
При ЭШП за счет изменения условий охлаждения (в кристаллизаторе) уменьшаются пористость и рыхлость. Поэтому улучшаются: а) пластичность, особенно в поперечном направлении у сталей повышенной вязкости (при 40-50 HRC); б) прочность и вязкость на 5-10% в состоянии высокой твердости (60-67 HRC).
2
У новой марки стали получились высокие значения ударной вязкости (на уровне 40-45 Дж/см). Поэтому появилась возможность повысить значение твердости до 50-51 HRC.
Стойкость ножей, изготовленных из известных и предлагаемой марок сталей, сравнивалась при эксплуатации ножей на пресс-ножницах «Colman».
Пример. Выплавку предлагаемой марки стали проводили в промышленной пятитонной индукционной печи типа ДСП 17.12.05. В качестве шихты использовали низкоуглеродистую заготовку. После расплавления брали пробу и вводили легирующие элементы из расчета на нижний предел заданного химического состава.
Выпуск плавки производили в 150-килограммовый ковш. Разливку производили в изложницы из формовочной смеси.
Более высокие механические свойства заявляемой стали позволяют получать более качественные слитки. Замена в химическом составе части хрома углеродом снижает себестоимость заявляемой стали по сравнению с известной на 5-10%.
При содержании легирующих компонентов ниже нижних пределов раскисляющее легирующее действие на сталь недостаточно, при повышении верхних пределов содержания компонентов эффективность обработки снижается, а стоимость резко возрастает.
Изготовленные из этой стали ножи подвергались закалке с температуры 920°С, с последующим отпуском при температуре 450±10°С. Полученная структура однородна, величина зерна составляет 5-8 баллов.
2
Ударная вязкость заявляемой стали осталась на уровне ударной вязкости стали 5Х2МНФ, но превысила ее для стали 6ХВ2С на 20 ед. и составила 39 Дж/см, а твердость увеличилась на 3-5 HRC и составила 51 HRC соответственно.
Ножи, изготовленные из стали 6ХВ2С, выходили из строя в 60% по причине выкрошки и в 40% - по причине износа.
Ножи из заявляемой марки стали были изготовлены на ЗАО «Механоремонтный комплекс» ОАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК). Испытания на пресс-ножницах «Colman» ЗАО «Профит» ОАО «ММК» показали их стойкость на 20-25% выше, чем стойкость ножей, изготовленных из стали 6ХВ2С и вышли из строя в 100% по причине износа.