среднеуглеродистая сталь улучшенной обрабатываемости резанием

Формула изобретения

1. Среднеуглеродистая сталь улучшенной обрабатываемости резанием, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, серу, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,42-0,52
Марганец	0,40-0,95
Кремний	0,17-0,37
Хром	0,01-0,25
Сера	0,020-0,045
Ванадий	0,005-0,02
Алюминий	0,03-0,05
Кальций	0,001-0,010
Азот	0,005-0,015
Железо и неизбежные примеси	Остальное

при этом соотношение содержания кальция и серы определяется по следующей зависимости: кальций/сера0,065.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она дополнительно содержит никель, медь, молибден, мышьяк и фосфор в следующем соотношении, мас.%:

Никель	Не более 0,25
Медь	Не более 0,25
Молибден	Не более 0,10
Мышьяк	Не более 0,08
Фосфор	Не более 0,030.

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она имеет структуру пластинчатого перлита.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, используемой для изготовления штоков амортизаторов автомобиля.

Известна конструкционная сталь, содержащая, в мас.%: углерод 0.38-0.47%, марганец 0.8-1.2%, кремний 0,17-0,37%, ванадий 0,08-0,18%, бор 0.001-0.005%, азот 0.005-0.025%, сера 0.036-0.080%, кальций 0.001-0.010%, остальное - при условии, что отношение марганца к кальцию составляет 100-1100 (Авторское свидетельство СССР SU 1689424 А1, С 22 С 38/60 от 07.11.1989 г. Бюл. №41). Недостатком данной стали является относительно высокое содержание азота и отсутствие в композиции элементов, защищающих бор от связывания в нитриды, что в ряде случаев не позволит достичь заявляемого авторами эффекта по повышению характеристик прокаливаемости.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая, в мас.%: углерод 0.42-0.50%, кремний 0.17-0.37%, марганец 0.50-0.80%, сера - не более 0.040%, фосфор - не более 0.035%, остальное - железо. Примеси: хром - не более 0.25%, никель - не более 0.30%, мышьяк - не более 0.08%, азот - не более 0.008%, медь - не более 0.30% (Марочник сталей и сплавов, под редакцией А.С.Зубченко, М., Машиностроение, 2003, стр.102).

Недостатком данной стали является нерегламентированное содержание серы, что приводит к существенному ухудшению характеристик резания, снижению стойкости режущего инструмента, увеличению нагрузок на инструмент при нижнем уровне содержания серы в предложенном интервале - т.е. менее 0.012%. Также к числу недостатков следует отнести отсутствие в ее составе модифицирующих элементов, таких как кальций, что будет способствовать наличию в стали вытянутых сульфидных включений, и, как следствие, повышенной анизотропии механических свойств горячекатаного проката.

Задачей изобретения является повышение характеристик обрабатываемости резанием. при одновременном повышении характеристик прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 20 мм.

Поставленная задача достигается тем, что

1. Предложена среднеуглеродистая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, серу, азот, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, алюминий и кальций, при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

углерод	0.40-0.52
марганец	0.40-0.95
кремний	0.17-0.37
хром	0.01-0.25
сера	0,020-0,045
ванадий	0.005-0.02
алюминий	0.03-0.05
кальций,	0.001-0.010
азот	0.005-0.015
железо и неизбежные примеси	остальное

при этом соотношение содержания кальция и серы определяются по следующей зависимости:

кальций/сера0.065

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она дополнительно содержит никель, медь, молибден, мышьяк и фосфор в следующем соотношении, в мас.%:

никель	не более 0.25%
медь	не более 0.25%
молибден не более	0.10%
мышьяк	не более 0.08%,
фосфор	не более 0.030%

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она имеет структуру пластинчатого перлита.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в предлагаемой стали (пруток горячекатаного сортового проката круглого диаметром до 20 мм) благоприятную пластинчатую структуру с глобулярными сэндвич-включениями, что обеспечивает, с одной стороны, повышенные характеристики резания даже широкими резцами при поперечной подаче режущего инструмента, с другой стороны, - благоприятное сочетание характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0.52%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.40% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Карбонитридообразующий элемент - ванадий вводится в композицию данной стали с целью обеспечения мелкодисперсной, однородной зеренной структуры, что позволит повысить как уровень ее прочности, так и обеспечить заданный уровень пластичности. При этом ванадий управляет процессами в нижней части аустенитной области и в межкритическом интервале температур (определяет склонность к росту зерна аустенита, стабилизирует структуру при термомеханической обработке, повышает температуру рекристаллизации и, как следствие, влияет на характер --превращения. Ванадий способствует также упрочнению стали при термоулучшении. Верхняя граница содержания ванадия - 0.02% - обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.005% - обеспечением требуемого уровня прочности данной стали.

Марганец и хром используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0.95% - и хрома - 0.25% - определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний, марганца - 0.40% и 0.01% хрома соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0.17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0.040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.020%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Алюминий используется в качестве раскислителя стали и элемента, обеспечивающего формирование мелкодисперсной, однородной зеренной структуры. Верхний предел (0.050%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.030%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением однородной зеренной структуры стали.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел, (0.010%), как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний (0.001%) предел - вопросами технологичности производства.

Азот способствует образованию нитридов в стали. Верхний предел содержания азота (0.015%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.005%) - вопросами технологичности производства.

Соотношение кальций/сера0.065% определяет условия образования глобулярных неметаллических включений (сульфидов). Если выполняется данное соотношение, то сульфиды глобулярные, в противном случае в стали присутствуют вытянутые сульфиды, что повышает анизотропию свойств стали и ухудшает соотношение прочность-вязкость, особенно сильно в поперечном направлении проката.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - ванадия, алюминия и кальция, а также соотношением кальций/сера0.065%

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение характеристик обрабатываемости резанием при сохранении благоприятного соотношения прочность-пластичность и вязкость стали.

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

Выплавку опытной партии исследуемой стали (химический состав представлен в таблице 1) проводили в шахтной электропечи «Фукс». Использовали шихтовку плавки жидким чугуном до 40% от общего объема шихты. Окислительный период предусматривал высокие скорости окисления углерода в пределах 0,05-0,07%/мин. Электрический режим предусматривал отключение печи при содержании углерода на 0,2-0,4% выше нижнего предела по заданному, додувку по углероду производят без электродуги. Температура выпуска из печи 1640-1680°С. Ввод ферросплавов, обработка стали для удаления неметаллических включений производились на установке печь-ковш, оборудованной системой электроподогрева или химподогрева. Температура стали перед разливкой на 60°С выше температуры ликвидуса марки. Разливка стали производилась в уширенные кверху изложницы. Масса слитка 7,85 т. Для обеспечения заданного содержания азота при разливке производили защиту струи металла аргоном через специальное кольцевое устройство. Нагрев слитков в обжимном цехе производили в рекуперативных колодцах до температуры начала прокатки 1250-1270°С. Прокатку слитков проводили на блюминге (стан 1300) и далее на непрерывном заготовочном стане на заготовку сечением 100×100 мм. Для снятия образовавшегося при нагреве слитков обезуглероженного слоя заготовки подвергали абразивной зачистке. Затем производили горячую прокатку полученной заготовки на проволочном стане 150 или мелкосортном стане 250 в диаметрах от 5,5 до 23 мм в мотках. Для обеспечения величины обезуглероженного слоя не более 1% от диаметра ограничен темп выдачи заготовок из печи не менее 100 т/час для стана 150 и не менее 56 т/час для стана 250. Температура начала прокатки заготовок 1220-1240°С для стана 250 и 1270-1290°С для стана 150. Горячую прокатку сортового проката заканчивали при температуре 1000-1050°С, далее ускоренное охлаждение до 880-900°С.

Механические свойства представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь по сравнению с известной имеет более высокие характеристики обрабатываемости резанием при благоприятном соотношении прочности и пластичности.

Внедрение предложенной среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием гарантирует, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны - благоприятное соотношение прочности пластичности и вязкости стали.

Таблица 1.
ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРЕДЛАГАЕМОЙ И ИЗВЕСТНОЙ СТАЛИ
Номер плавки	Содержание элементов, мас.%																1*
	С		Mn	Si	S	Cr	V	Al	Са	N	Ni	Cu	Мо	As	Р	Fe
Предлагаемая сталь
1	0.40		0.40	0.37	0.020	0.01	0.02	0.03	0.003	0.003	0.01	0.01	0.01	0.01	0.022	ост.	0.150
2	0.44		0.70	0.25	0.025	0.05	0.01	0.05	0.002	0.002	0.03	0.01	0.01	0.02	0.018	ост.	0.080
3	0.46		0.80	0.27	0.029	0.12	0.01	0.03	0.002	0.007	0.05	0.03	0.03	0.03	0.016	ост.	0.069
4	0.48		0.60	0.20	0.040	0.25	0.02	0.04	0.004	0.015	0.19	0.06	0.04	0.03	0.017	ост.	0.100
5	0.52		0.95	0.17	0.035	0.20	0.005	0.04	0.003	0.012	0.22	0.19	0.07	0.04	0.013	ост.	0.086
За пределами заявляемого
6	0.39		0.35	0.17	0.045	0.005	0.022	0.02	0.002	0.001	0.26	0.02	0.01	0.09	0.022	ост.	0.022
7	0.45		0.98	0.38	0.021	0.020	0.015	0.02	0.001	0.005	0.22	0.26	0.01	0.08	0.028	ост.	0.048
8	0.51		0.81	0.16	0.031	0.030	0.03	0.06	0.001	0.003	0.13	0.13	0.01	0.07	0.032	ост.	0.032
9	0.53		0.44	0.25	0.010	0.008	0,02	0.05	0.001	0.015	0.15	0.11	0.09	0.06	0.013	ост.	0.100
Известная сталь
10	0.45	0.66		0.25	0.011	0.012	-		-	-						ост.
1* - Соотношение - кальций/сера

Таблица 2.
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕДЛАГАЕМОЙ И ИЗВЕСТНОЙ СТАЛИ
Плавка	Временное сопротивление, в, МПа		Относительное удлинение, , %	Относительное сужение, , %	Твердость НВ	Размер действительного зерна, балл	Результаты переработки в условиях действующего производства ОАО «СААЗ»
ПРЕДЛАГАЕМАЯ СТАЛЬ
1	650	12		44	229-241	6-8	Без замечаний
2	665	11		42	229-241	6-8	Без замечаний
3	675	10		34	229-241	7-8	Без замечаний
4	700	7		35	241-255	7-8	Без замечаний
5	680	9		39	229-241	5-7	Без замечаний
ЗА ПРЕДЕЛАМИ ЗАЯВЛЯЕМОГО
6	630	15		45	217-229	6-8	Поломки штоков
7	630	14		42	217-229	7-9	Повышенный расход инструмента
8	680	9		33	255-269	6-8	Повышенный расход инструмента
9	670	9		31	255-269	5-6	Поломки штоков
ИЗВЕСТНАЯ СТАЛЬ
10	680	10		38	229-241	4-8	Повышенный расход инструмента