Результат интеллектуальной деятельности: СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТАЯ КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ ВЫСОКОЙ ОБРАБАТЫВАЕМОСТИ РЕЗАНИЕМ

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяемых для изготовления ответственных деталей машин.

Из уровня техники известна сталь высокой обрабатываемости резанием (патент JP 1047839, опубл. 22.02.1989, МПК C22C 38/60), содержащая углерод, кремний, марганец, медь, олово и железо при следующем соотношении компонентов, масс.%:

- углерод - 0,06-0,60;

- кремний - 0,01-0,50;

- марганец - 0,30-2,00;

- медь - 0,05-0,30;

- олово - 0-0,015;

- железо - основа.

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

- хром - не более 2,00;

- никель - не более 5,00;

- молибден - не более 1,00;

- сера - не более 0,035;

- фосфор - не более 0,035.

Олово, присутствующее в форме твердого раствора с железом, повышает хрупкость ферритного компонента структуры данной стали и уменьшает усилие резания, необходимое для разрушения ее поверхностного слоя. Избыточная фаза, в роли которой выступают включения сульфида марганца, формирует смазочный слой в зоне контакта обрабатываемого материала с режущим инструментом и способствует предотвращению их схватывания в процессе токарной обработки металла.

Известная сталь имеет следующие недостатки:

- при высоком остаточном содержании молибдена не указано его оптимальное значение несмотря на то, что он способствует очищению границ зерен от цветных примесей, и с увеличением массовой доли данного компонента возрастает вероятность уменьшения производительности операции механической обработки вследствие понижения концентрации структурно-свободного олова в указанной области структуры стали;

- отсутствуют данные о содержании серы и фосфора, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием и ее повышенной горячей деформируемости при условии сохранения требуемого уровня механических свойств;

- химический состав в целом и содержание олова в частности не обеспечивают требуемого уровня обрабатываемости, необходимого для реализации высокопроизводительного лезвийного резания в условиях увеличения доли скоростной механической обработки стали в общем объеме всех способов формообразования поверхности.

Кроме того, известна среднеуглеродистая конструкционная сталь высокой обрабатываемости резанием АВ40ХГНМ (ТУ 14-136-344-98. Сталь калиброванная, углеродистая и легированная висмутсодержащая высокой обрабатываемости резанием (с Изменением №1). - Введ. 1998-08-01), содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, висмут и железо при следующем соотношении компонентов, масс.%:

- углерод - 0,37-0,43;

- кремний - 0,17-0,37;

- марганец - 0,50-0,80;

- хром - 0,60-0,90;

- никель - 0,70-1,10;

- молибден - 0,15-0,25;

- висмут - 0,12-0,20;

- железо - основа.

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

- серу - не более 0,030;

- фосфор - не более 0,035;

- медь - не более 0,30.

К недостаткам данной стали можно отнести следующее:

- низкая степень усвоения висмута, обусловленная высокой упругостью пара и низкой температурой кипения, и, как следствие, значительное увеличение себестоимости стали за счет его преднамеренного перерасхода, поскольку при расчете необходимого количества легирующих добавок заранее исходят из их повышенной против требуемой массы с учетом предполагаемых потерь окислением и испарением, достигающих 80%;

- высокая стоимость висмута, которая в совокупности с его крайне малым усвоением, требующим сознательного большого перерасхода, приводит к значительному увеличению себестоимости автоматных сталей, уменьшению прибыли и снижению конкурентоспособности металлургического предприятия, занимающегося выпуском данной металлопродукции;

- неравномерное распределение висмута в теле слитка из-за его большой физической плотности, что затрудняет гарантированное получение заданных свойств стали и обусловливает понижение процента выхода годного металла, а следовательно, и производительности процесса горячей обработки давлением из-за скопления данного компонента в определенных участках объема и усиления анизотропии свойств по сечению передельной заготовки;

- висмут обладает ярко выраженным токсикологическим действием на организм человека и согласно установленным на сегодня гигиеническим нормативам относится к «высокоопасным» веществам, поэтому предприятия черной металлургии постепенно отказываются от его применения вследствие резкого ухудшения условий труда рабочего персонала при производстве автоматных сталей;

- невозможность дальнейшего улучшения механической обрабатываемости стали, которое требуется в современных условиях неизменного стремления к повышению производительности труда, методом последовательного увеличения содержания висмута больше известных значений, поскольку превышение его предела растворимости в железе приводит к ухудшению механических свойств стали, вследствие чего она не может быть использована в соответствии с целевым назначением.

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

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является повышение обрабатываемости стали резанием и увеличение производительности процесса ее горячей обработки давлением при сохранении требуемых механических характеристик металла, а также улучшение экологической обстановки производства за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу ввиду полного исключения из состава материала высокотоксичных компонентов.

Техническое решение поставленной задачи достигается за счет того, что предлагаемая сталь в своем составе в качестве элемента, повышающего обрабатываемость резанием, содержит олово при следующем соотношении компонентов, масс.%:

- углерод - 0,37-0,43;

- кремний - 0,17-0,37;

- марганец - 0,50-0,80;

- хром - 0,60-0,90;

- никель - 0,70-1,10;

- молибден - 0,15-0,25;

- олово - 0,05-0,30;

- железо - основа.

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

- серу - не более 0,025;

- фосфор - не более 0,025;

- медь - не более 0,20.

При этом отношение содержания молибдена к содержанию олова не превышает 0,8.

Олово по сравнению с висмутом, традиционно использовавшимся ранее для повышения обрабатываемости стали резанием, имеет ряд преимуществ.

Во-первых, олово имеет гораздо более высокий предел растворимости в железе по сравнению с висмутом: 9,20 ат.% и 0,17 ат.% соответственно. В сочетании с оптимальным содержанием в стали серы и фосфора это позволит в дальнейшем расширить допустимые пределы его содержания в стали и открывает широкие перспективы для развития прогрессивных высокопроизводительных способов формообразования поверхности.

Во-вторых, данный элемент обладает большой степенью усвоения ванной жидкого металла, что объясняется низкой упругостью пара данного элемента и температурой кипения, значительно превышающей рабочие температуры сталеплавильных процессов, которые препятствуют его свободному испарению с поверхности расплава. Это позволяет избежать излишнего усложнения технологии производства стали.

В-третьих, цена олова на мировом рынке металлов в среднем на 30% ниже, чем у висмута. В сочетании с высоким усвоением это позволяет более рационально использовать материальные средства и в некоторых случаях уменьшить себестоимость стали за счет снижения расхода легирующих компонентов, так как при определении необходимого количества добавочных материалов заранее исходят из их повышенной против требуемой массы с учетом предполагаемых потерь окислением и испарением.

В-четвертых, олово равномерно распределяется в теле слитка, что обусловлено его плотностью сопоставимой с плотностью жидкой стали. Это позволяет предотвратить появление дефектов поверхностного слоя заготовки во время операции его горячей обработки давлением и увеличить процент выхода годного металла, повысив производительность третьего передела.

В-пятых, применение олова способствует значительному улучшению экологической обстановки производства и санитарно-гигиенических условий труда рабочего персонала за счет снижения агрессивности вредных выбросов в окружающую атмосферу ввиду полного исключения из состава стали высокотоксичных компонентов.

Это связано с тем, что висмут относится к «высокоопасным» веществам, и его содержание в атмосфере цеха ограничено величиной среднесменной предельно допустимой концентрации (ПДК) - 0,5 мг/м³, а значения ПДК и ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ) в воздухе рабочей зоны для чистого металлического олова на сегодня не установлены. Кроме того, олово вследствие более низкого по сравнению с железом химического сродства к кислороду, высокой температуры кипения и низкой упругости его паров ни при каких условиях выплавки стали не образует вредных газо- и пылевидных выбросов, благодаря чему этот элемент, не окисляясь, практически полностью остается в металле в растворенном состоянии.

Сущность изобретения - выявление оптимального содержания олова, серы, фосфора, меди и молибдена, при котором достигается наилучшее сочетание высокой обрабатываемости стали резанием и повышения производительности процесса ее обработки давлением при условии сохранения требуемых значений механических свойств.

В результате проведенных исследований установлено следующее:

- при содержании олова меньше нижнего предела не удается достигнуть требуемого высокого уровня механической обрабатываемости стали;

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

- увеличение содержания олова, серы и фосфора выше заявленных пределов приводит к ухудшению механических свойств металла;

- несоблюдение соотношения концентраций молибдена и олова в стали приводит к ухудшению ее технологических свойств;

- при содержании олова, серы, фосфора и молибдена в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 12% превышает величину обрабатываемости висмутсодержащего аналога, а производительность процесса горячей обработки давлением увеличивается на 9%; в то же время 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 механической обрабатываемости стали и производительности операции горячей обработки металла давлением проводили на технической базе ГОУ ВПО «Южно-Уральский государственный университет».

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 одной детали.

Производительность процесса обработки давлением оценивалась по значению выхода годного металла, определяемого соотношением количества бездефектных заготовок к общему количеству деформированных слитков.

В качестве базового уровня приняты обрабатываемость резанием и производительность обработки давлением среднеуглеродистой конструкционной стали высокой обрабатываемости резанием АВ40ХГНМ, которая произведена в соответствии с требованиями ТУ 14-136-344-98.

Химический состав известной стали марки АВ40ХГНМ, которая принята за ближайший аналог, и предлагаемой стали приведен в таблице 1.

Прочностные и пластические характеристики сравниваемых сталей в деформированном и термически обработанном состоянии (после закалки и отпуска), а также измеренный уровень механической обрабатываемости и аппроксимированная производительность технологической операции горячего пластического деформирования представлены в таблице 2.

Пример 1. Известная среднеуглеродистая конструкционная сталь высокой обрабатываемости резанием АВ40ХГНМ. Уровень механической обрабатываемости и производительность горячей обработки давлением приняты в качестве базовых значений для сравнения. В ходе процессов производства стали отмечено выделение в окружающую атмосферу чрезвычайно токсичных паров висмута.

Пример 2. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям ТУ. Оценка эффективности механической обработки стали и производительности процесса горячей обработки давлением не проводилась.

Пример 3. Содержание меди больше верхнего предела. Происходит уменьшение производительности процесса горячего пластического деформирования металла.

Пример 4. Содержание олова меньше нижнего предела. Уровень обрабатываемости предложенной стали ниже, чем у известного аналога.

Пример 5. Содержание олова в стали находится на уровне нижней границы заявленного диапазона. Обрабатываемость резанием предложенной стали сопоставима с механической обрабатываемостью ее аналога.

Пример 6. Содержание серы, фосфора, меди и олова находится на уровне верхней границы заявленных диапазонов. Показатели механических свойств металла соответствуют минимальным предельно допустимым значениям, принятым для висмутсодержащего аналога.

Пример 7. Содержание олова больше верхнего предела. Значения механических свойств металла выходят за рамки, установленные техническими условиями. Исследование технологических свойств предлагаемой стали не проводилось.

Пример 8. Соотношение между содержанием молибдена и олова имеет значение, соответствующее заявленному пределу. Обрабатываемость стали резанием имеет оптимальное значение для данного содержания олова.

Пример 9. Соотношение между содержанием молибдена и олова выходит за верхнюю регламентированную границу. Происходит ослабление эффекта олова на улучшение механической обрабатываемости стали.

Пример 10. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств среднеуглеродистой конструкционной стали имеет оптимальный характер. Показатель обрабатываемости резанием при сохранении механических характеристик металла на 12% выше, чем у известного аналога, а производительность горячей обработки давлением возрастает на 9%. Вместе с тем существенно уменьшается загрязненность воздуха рабочей зоны.

Таким образом, более высокий уровень обрабатываемости резанием предложенной стали и увеличение производительности процесса горячей обработки давлением в совокупности с сохранением комплекса требуемых механических свойств металла и улучшением экологии металлургического производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.