автоматная легированная сталь

Формула изобретения

Автоматная легированная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, серу, фосфор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,36 - 0,44

Кремний - 0,17 - 0,37

Марганец - 0,60 - 0,90

Хром - 0,80 - 1,10

Сера - 0,008 - 0,035

Фосфор - 0,008 - 0,035

Висмут - 0,12 - 0,20

Железо - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно легированной автоматной стали, используемой в машиностроении.

Известна автоматная сталь [1], содержащая углерод, марганец, серу, висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,06 - 1,00

Марганец - 0,3 - 1,6

Сера - 0,03 - 0,50

Висмут - 0,05 - 0,40

Железо - остальное

В состав стали в качестве примесей может входить кремний не более 0,30 %, фосфор не более 0,12 %. Микроструктура стали содержит включения сульфида марганца, которые инициируют образование микротрещин, и висмутсодержащие включения, охрупчивающие металл во время механической обработки резанием, за счет образования жидкой фазы.

Недостатками известной стали являются:

при превышении содержания висмута выше его предельной растворимости в жидкой стали (Bi > 0,20%) снижаются механические свойства стали независимо от химического состава, за счет которого они были достигнуты;

не указано содержание серы и висмута, при котором достигается регламентированная обрабатываемость стали при сохранении требуемых механических свойств;

химический состав стали не обеспечивает механических свойств, требуемых для изготовления деталей со специфическими свойствами.

Кроме того, известна легированная свинецсодержащая сталь [2] высокой обрабатываемости резанием АС40Х, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, свинец при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод - 0,36 - 0,44

Кремний - 0,17 - 0,37

Марганец - 0,60 - 0,90

Хром - 0,80 - 1,10

Сера - н.б. 0,035

Фосфор - н.б. 0,035

Свинец - 0,15 - 0,30

Железо - остальное

Недостатками этой стали являются:

невозможность реализовать потенциальную производительность станков автоматов и полуавтоматов, так как свинец - компонент, повышающий обрабатываемость резанием, исчерпал возможность к дальнейшему повышению обрабатываемости. Сера и фосфор, инициирующие повышение обрабатываемости, при их содержании вплоть до верхнего предела в сочетании со свинцом, влияния на обрабатываемость практически не оказывает. Увеличение содержания серы и фосфора выше верхнего предела невозможно из-за снижения механических свойств стали, что делает сталь непригодной для изготовления деталей, принятых за базовые;

"выпотевание" свинца на поверхность полосы во время прокатки снижает коэффициент трения между полосой и валками, появляются пробуксовки полосы в валках и необходимость "забивания" полосы в валки вспомогательной заготовкой, а это снижает производительность и безопасность труда при прокатке;

токсичность свинца, ухудшающая экологическую обстановку, ограничивает производство стали и полностью не удовлетворяет потребности в сталях высокой обрабатываемости.

Данная сталь, наиболее близкая по химическому составу и идентичная по механическим свойствам, взята за ближайший аналог.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение обрабатываемости стали резанием в металлообрабатывающих отраслях промышленности, повышение производительности и безопасности прокатки при улучшении экологической обстановки в металлургической промышленности.

Техническое решение задачи достигается за счет того, что предлагаемая сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, серу, фосфор, железо и дополнительно висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,36 - 0,44

Кремний - 0,17 - 0,37

Марганец - 0,60 - 0,90

Хром - 0,80 - 1,10

Сера - 0,008 - 0,035

Фосфор - 0,008 - 0,035

Висмут - 0,12 - 0,20

Железо - Остальное

Преимущество висмута заключается в том, что висмут обладает особым свойством, а именно увеличением объема при переходе из жидкого состояния в твердое, что создает напряжения в обрабатываемой поверхности;

поверхностное натяжение висмута ( = 390 дин/см при 300^oC) меньше, чем у свинца ( = 451 дин/см при 330^oC), что облегчает заполнение микротрещин и усиливает эффект "расклинивания" микротрещин (эффект Ребиндера), и, следовательно, повышает обрабатываемость;

более низкая температура плавления висмута (T_пл = 271^oC) по сравнению со свинцом (T_пл = 324^oC).

Перечисленные факторы усиливают эффект адсорбционного понижения прочности обрабатываемой поверхности, находящейся в напряженном состоянии, а при регламентации серы и фосфора, инициирующих образование микротрещин и охрупчивающих металл во время обработки резанием, обрабатываемость повышается до 40% и более при сохранении механических свойств, присущих идентичной свинецсодержащей стали.

Второе преимущество, являющееся следствием особого свойства висмута, - это снижение, вплоть до полного устранения "выпотевания" висмута на поверхность заготовки при прокатке, за счет снижения напряжений, создаваемых включениями висмута при температуре прокатки, что улучшает захват полосы валками, устраняет пробуксовку полосы в валках, и, как следствие, повышает производительность и безопасность прокатки.

Следующим преимуществом висмута является то, что висмут, как компонент относительно безвредный (ПДК висмута= 0,5 мг/м³, ПДК свинца = 0,01 мг/м³ разовая, 0,007 мг/м³ среднесменная) улучшает экологические условия производства автоматной легированной стали по сравнению с аналогичной свинецсодержащей сталью.

Сущность изобретения, выявление содержания висмута, серы и фосфора, улучшающего обрабатываемость стали до оптимального (максимального) уровня при сохранении механических свойств, присущих идентичной автоматной легированной свинецсодержащей стали.

Экспериментально установлено:

при содержании висмута, серы или фосфора ниже нижнего предела оптимальная обрабатываемость не достигается;

увеличение содержания висмута выше верхнего предела, соответствующего предельной растворимости висмута в жидкой стали, серы или фосфора, приводит к снижению механических свойств стали;

при содержании висмута 0,07%, серы и фосфора по 0,008% обрабатываемость стали соответствует обрабатываемости идентичной свинецсодержащей стали;

при содержании висмута 0,12 - 0,20%, серы и фосфора по 0,008 - 0,035% обеспечивается обрабатываемость на 40% и более превышающая обрабатываемость свинецсодержащей стали при сохранении требуемых механических свойств;

производительность прокатки висмутсодержащей стали на 15-20% выше производительности прокатки свинецсодержащей стали;

выделение аэрозолей висмута во время выплавки и прокатки стали ниже предельно допустимой концентрации.

Анализ технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков в заявляемом объекте и признать их соответствующими критерию "Существенные отличия".

Опытно-промышленные испытания по резанию легированной висмутсодержащей стали проводили в цехе N 31 МСП ВАЗ на 6-ти шпиндельных токарно-прутковых автоматах и на 4-х шпиндельных токарно-расточных полуавтоматах при изготовлении деталей, принятых за базовые по критерию интенсивности износа инструмента, характеризуемого количеством изготовленных деталей, приходящихся на 0,1 мм износа инструмента.

За базовую обрабатываемость принята обрабатываемость легированной свинецсодержащей стали АС40Х по ГОСТу 1414-75. Оценку экологической обстановки проводили в цехах ОАО "Мечел" ЧМК при выплавке и прокатке предлагаемой стали и стали АС40Х методом отсоса проб в местах интенсивного выделения вредных примесей. Производительность прокатки определяли в цехах этого же предприятия.

Химический состав, механические свойства, производительность, выделение вредных примесей и обрабатываемость приведены в табл. N 1 и 2.

Пример 1. Известная сталь АС40Х, взятая за ближайший аналог - выписка из ГОСТа 1414-75. Приведено выделение вредных примесей свинца при разливке и прокатке стали. Производительность и обрабатываемость стали приняты за базовые.

Пример 2. Опытная плавка проведена в лабораторных условиях. Содержание хрома и марганца ниже нижнего предела. Висмут, сера, фосфор в заявленных пределах. Механические свойства ниже указанных в технических условиях. Обрабатываемость и производительность прокатки оптимальные. По механическим свойствам сталь непригодна для использования по прямому назначению.

Пример 3. Опытная плавка проведена в лабораторных условиях. Содержание хрома и марганца выше указанных в технических условиях. Твердость выше требуемой.

Пример 4. Серы меньше нижнего предела. Обрабатываемость не достигает оптимальной.

Пример 5. Серы больше верхнего предела. Ударная вязкость ниже требуемой. Сталь непригодна для использования по прямому назначению.

Пример 6. Фосфора меньше нижнего предела. Обрабатываемость не достигает оптимальной.

Пример 7. Фосфора больше верхнего предела. Предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение ниже требуемых. Сталь непригодна для использования по прямому назначению.

Пример 8. Висмута меньше нижнего предела. Обрабатываемость не достигает оптимальной.

Пример 9. Висмута больше верхнего предела. Механические свойства стали ниже требуемых. Сталь непригодна по прямому назначению.

Примеры 10-12. Сталь в заявленных пределах. Обрабатываемость оптимальная. Производительность прокатки на 17-20% выше, чем при прокатке свинецсодержащей стали.

Таким образом более высокая обрабатываемость резанием предлагаемой стали при сохранении механических свойств и технологичности производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.