автоматные висмутсодержащие стали

Формула изобретения

Автоматная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, алюминий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит висмут и кислород, при этом имеет равномерно распределенные сульфидные включения близкой к глобулярной и слабодеформированной формы и активность кислорода при передаче на разливку 20-70 млн ^-1 при следующем соотношении компонентов, 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 или 0,06-0,12
кислород	0,003-0,015
железо и примеси	остальное

Описание изобретения к патенту

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.

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/м³).

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,
		GB, МПа	удлинение , %	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