Результат интеллектуальной деятельности: Легкообрабатываемая хромомарганцевомолибденовая BN-содержащая сталь

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяемых в серийном и массовом производстве ответственных деталей машин.

Из уровня техники известна сталь 38ХГМ (ГОСТ 4543-2016. Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия. - Введ. 2017-10-01. - М.: Стандартинформ, 2017 г.), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:

- углерод - 0,34-0,40;

- кремний - 0,17-0,37;

- марганец - 0,60-0,90;

- молибден - 0,15-0,25;

- хром - 0,80-1,10;

- железо - основа.

Кроме того, в состав стали могут входить, масс. %:

- никель - не более 0,30;

- медь - не более 0,30;

- сера - не более 0,035;

- фосфор - не более 0,035.

К недостаткам данной стали можно отнести следующее:

- сера и фосфор, способствующие улучшению обработки стали резанием не оказывают существенного влияния на процесс механического резания.

- отсутствуют элементы улучшающие обрабатываемость стали резанием.

Кроме того известна среднеуглеродистая хромомолибденовая сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием АС38ХГМ (ГОСТ 1414-75. Прокат из конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием. Технические условия (Переиздание, с Изменениями №1, 2, 3, с Поправками). - Введ. 1977-01-01. - М: Изд-во стандартов), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, свинец и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:

- углерод - 0,34-0,40;

- кремний - 0,17-0,37;

- марганец - 0,60-0,90;

- хром - 0,80-1,10;

- молибден - 0,15-0,25;

- свинец - 0,15-0,30

- железо - основа.

Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, масс. %:

- сера - не более 0,030;

- фосфор - не более 0,035;

- никель - не более 0,30;

- медь - не более 0,30.

К недостаткам данной стали можно отнести следующее:

- очевидная бесперспективность дальнейшего улучшения обрабатываемости стали путем увеличения содержания свинца больше регламентированных значений, поскольку превышение его предельной растворимости в железе приводит к ухудшению механических характеристик и росту их анизотропии, а также способствует усилению красноломкости поверхностного слоя в процессе горячей обработки металла давлением;

- неравномерное распределение свинца в теле слитка вследствие его большой физической плотности и высокой упругости пара, что затрудняет гарантированное получение требуемых свойств стали от плавки к плавке и обусловливает понижение выхода годного металла, а следовательно, и производительности процесса обработки давлением из-за образования дефектов в местах наибольшего скопления данного элемента;

- во время горячего пластического деформирования стали, содержащей свинец, происходит его диффузия на поверхность заготовки, что приводит к образованию в указанной области капиллярного слоя, ухудшающего условия захвата валками полосы металла вследствие уменьшения коэффициента трения, и снижению производительности прокатного оборудования;

- свинец крайне токсичен и согласно установленным на сегодняшний день гигиеническим нормативам относится к наивысшему 1 классу опасности, поэтому в черной металлургии все отчетливее прослеживается тенденция по отказу от его применения вследствие серьезного ухудшения экологии окружающей среды.

Также, известна среднеуглеродистая хромомолибденовая сталь с улучшенной обрабатываемость резанием АВ38ХГМ (Патент РФ 2128723 опубл. 10.04.1999, МПК С22С 38/22), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, висмут, серу, фосфор, и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:

- углерод - 0,34-0,40;

- кремний - 0,17-0,37;

- марганец - 0,60-0,90;

- хром - 0,80-1,10;

- молибден - 0,15-0,25;

- висмут - 0,12-0,20;

- сера - 0,008-0,030;

- фосфор - 0,008-0,035;

- железо - основа.

К недостаткам данной стали можно отнести следующее:

- бесперспективность дальнейшего улучшения обрабатываемости стали путем увеличения содержания висмута больше реальных значений, поскольку превышает его предельную растворимость в железе, увеличивается себестоимость выплавки из-за дороговизны висмута,

- висмут согласно установленным на сегодняшний день гигиеническим нормативом относиться ко 2 классу опасности и при испарении образует оксиды висмута, которые во время его введения в сталь удаляются в атмосферу и ухудшают экологию окружающей среды,

- для снижения уровня загрязнения окружающей среды необходимо проектирование и установка дополнительного газоочистительного оборудования и повышение материальных издержек на его обслуживание.

Данная сталь, как наиболее схожая по химическому составу и механическим свойствам, принята за ближайший прототип.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение обрабатываемости стали резанием при сохранении требуемых механических характеристик металла, за счет снижение агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу токсичных компонентов (свинца и висмута).

Техническое решение поставленной задачи достигается за счет того, что предлагаемая сталь в своем составе в качестве элемента, улучшающего обрабатываемость резанием, содержит бор, азот и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас. %:

- углерод - 0,34-0,40;

- кремний - 0,17-0,37;

- марганец - 0,60-0,90;

- хром - 0,80-1,10;

- молибден - 0,15-0,25;

- бор - 0,005-0,009;

- азот - 0,007-0,012;

- алюминий - 0,02-0,04;

- железо - основа.

Кроме того, в качестве примесей сталь дополнительно может содержать, мас. %:

- серу - не более 0,035;

- никель не более 0,30;

- медь не более 0,30;

- фосфор - не более 0,035.

Применение бора и азота для дополнительного легирования стали с целью улучшения ее обрабатываемости резанием имеет целый ряд преимуществ.

Нитрид бора называют белым графитом. Он имеет ту же кристаллическую структуру и оказывает смазывающее действие при обработке стали резанием.

При производстве стали содержащей включения нитрида бора не формируются токсичные соединения, так как бор обладает меньшим по сравнению с висмутом и свинцом химическим сродством к кислороду и потому не окисляется в процессе выплавки. Также исключена возможность испарения бора, поскольку он имеет высокую температуру кипения, значительно превышающую рабочие температуры сталеплавильных процессов, и низкую упругость пара. Для легирования стали азотом применяют азотсодержащие ферросплавы, что позволяет получить высокое усвоение азота сталью при легировании. Таким образом, в отличие от свинца и висмута, бор и азот ни при каких существующих условиях выплавки, разливки и обработки металла давлением стали не образуют вредных газо- и пылевидных выбросов.

Перечисленные достоинства нитрида бора являются свидетельством целесообразности его применения в качестве альтернативы висмуту и свинцу как легирующего компонента, улучшающего обрабатываемость стали резанием.

Сущность изобретения - выявление оптимального содержания бора, азота и алюминия, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием, при условии сохранения требуемых значений механических свойств.

В результате проведенных исследований установлено следующее:

- при содержании бора и азота меньше нижнего предела не удается достигнуть требуемого высокого уровня обрабатываемости стали резанием;

- при условии содержания бора и азота по нижнему пределу обрабатываемость предлагаемой стали сопоставима с обрабатываемостью металла аналогичной висмутсодержащей марки;

- при содержании бора выше указанных значений бор выделяется по границам зерен, что приводит к ухудшению механических свойств стали;

- при содержании алюминия в заявленных пределах в стали позволит получить размер аустенитного зерна в готовом прокате более 7 балла и положительно сказаться на механических свойствах стали;

- при содержании бора, азота и алюминия в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 5% превышает величину обрабатываемости висмутсодержащего аналога; наряду с этим сталь сохраняет свои высокие механические характеристики, а ее получение характеризуется пониженной загрязненностью воздуха рабочей зоны и более безопасными условиями труда производственного персонала.

Испытания по определению обрабатываемости стали и механических свойств проводили на технической базе ФГАОУ ВО «Южно-Уральский государственный университет (НИУ)».

Эффективность токарной обработки оценивалась по изменению стойкости инструментального материала при заданной скорости резания заготовок. В качестве критерия для оценки обрабатываемости стали было установлено значение приведенной стойкости, выраженное величиной износа режущего инструмента по задней поверхности при обработке детали.

В качестве базового уровня приняты обрабатываемость резанием и механические свойства легкообрабатываемой хромомарганцевомолибденовой стали АВ38ХГМ, производимой в соответствии с требованиями (патент РФ №2128723).

Химический состав известной стали марки АВ38ХГМ, принятой за ближайший аналог, и предлагаемой стали приведен в таблице 1.

Прочностные и пластические характеристики сравниваемых сталей в деформированном и термически обработанном состоянии, а также измеренный уровень механической обрабатываемости представлен в таблице 2.

Пример 1. Известная легкообрабатываемая хромомарганцевомолибденовая сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием АВ38ХГМ. Уровень обрабатываемости и механических свойств приняты в качестве базовых значений для сравнения. В ходе процессов производства стали отмечено выделение в окружающую атмосферу токсичных паров висмута.

Пример 2. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям технических условий. Оценка эффективности токарной обработки стали не проводилась.

Пример 3. Содержание никеля больше верхнего предела. Механические свойства стали хуже чем у АВ38ХГМ. Уровень обрабатываемости сопоставим с аналоговой сталью.

Пример 4. Содержания бора и азота меньше нижнего предела. Механические свойства удовлетворительны. Уровень обрабатываемости предложенной стали ниже, чем у известного аналога.

Пример 5. Содержания азота и бора в стали находятся на уровне нижней границы заявленного диапазона. Обрабатываемость предложенной стали резанием сопоставима с обрабатываемостью ее аналога.

Пример 6. Содержание алюминия менее 0,01%, показатели ударной вязкости металла соответствуют минимальным предельно допустимым значениям, установленным технических условий для висмутсодержащего аналога. Исследование технологических свойств предлагаемой стали не проводились.

Пример 7. Содержание алюминия больше верхнего предела. Значения механических свойств металла выходят за рамки, установленные техническими условиями. Исследуемый металл имеет дефект-«сколы». Исследование технологических свойств предлагаемой стали не проводились.

Пример 8. Содержание азота и бора выходит за верхнюю регламентированную границу, что приводит к ухудшению механической обрабатываемости стали.

Пример 9. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств легкообрабатываемой хромомарганцевомолибденовой стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 5% выше, чем у известного аналога. Вместе с тем существенно уменьшается загрязненность воздуха рабочей зоны.

Таким образом, более высокий уровень обрабатываемости резанием предлагаемой стали в совокупности с сохранением комплекса требуемых механических свойств металла и улучшением экологии металлургического производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.