Автоматная сталь

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к автоматной стали, используемой в машиностроении. Предложенная сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 0,32-0,39; кремний 0,17-0,37; марганец 1,35-1,65; сера 0,08-0,13; висмут 0,12-0,20; железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение обрабатываемости резанием и производительности прокатки при сохранении высокого уровня механических свойств при улучшении экологической обстановки в металлургической промышленности. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к автоматным сталям, применяемым в машиностроении.

Известна автоматная сталь, содержащая углерод, марганец, серу, висмут, железо, 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 стали, в качестве примесей, могут содержаться 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 [1].

Недостатками известной стали являются: при содержании серы и висмута около нижнего предела обрабатываемость стали повышается незначительно, а при содержании серы около верхнего предела и висмута выше его предельной растворимости (0,20%), в жидкой стали, снижаются механические свойства стали независимо от химического состава, за счет которого они были достигнуты; химический состав стали не обеспечивает механических свойств требуемых для изготовления деталей с конкретными механическими характеристиками.

Известна также сернистомарганцовистая свинецсодержащая сталь высокой обрабатываемости резанием AC35Г2, содержащая углерод, кремний, марганец, серу, свинец, железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - 0,32 - 0,39 Кремний - 0,17 - 0,37 Марганец - 1,35 - 1,65
Сера - 0,08 - 0,13
Фосфор - не более 0,04
Свинец - 0,15 - 0,30
Железо - Остальное
Недостатками этой стали являются: невозможность реализовать потенциальную производительность станков автоматов и полуавтоматов, так как свинец и сера - компоненты, повышающие обрабатываемость, исчерпали возможности к дальнейшему повышению обрабатываемости. Фосфор в сочетании со свинцом влияния на обрабатываемость практически не оказывает. Увеличение содержания компонентов, повышающих обрабатываемость сверх верхнего предела, снижает механические свойства 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, в результате ухудшается захват полосы валками, появляются пробуксовки полосы в валках, а это снижает производительность прокатки; токсичность свинца ограничивает производство свинецсодержащей стали.

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

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение обрабатываемости резанием и производительности прокатки стали, при сохранении механических свойств идентичной свинецсодержащей стали и улучшение экологической обстановки производства этой стали.

Поставленная задача решается за счет того, что в сталь, содержащую углерод, кремний, марганец, серу, железо, дополнительно вводят фосфор, висмут, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,32 - 0,39
Кремний - 0,17 - 0,37
Марганец - 1,35 - 1,65
Сера - 0,08 - 0,13
Фосфор - 0,02 - 0,07
Висмут - 0,12 - 0,20
Железо - Остальное
Висмут, обладающий особым свойством, а именно увеличением объема при переходе из жидкого в твердое состояние, позволяет повысить обрабатываемость стали, по сравнению с обрабатываемостью свинецсодержащей стали, а при регламентации содержания фосфора, охрупчивающего металл, во время обработки резанием обрабатываемость повышается на 50% и более при сохранении механических свойств, присущих свинецсодержащей стали.

Вторым преимуществом, являющимся следствием особого свойства висмута, гарантируется снижение, вплоть до полного устранения "выпотевания" висмута на поверхность заготовки при прокатке, что улучшает захват полосы валками, устраняет "пробуксовку" полосы в валках и снимает необходимость "прожига" валков буферным металлом. Все это повышает производительность 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 висмутсодержащей стали.

Сущность изобретения: выявление содержания фосфора и висмута, улучшающего обрабатываемость стали до оптимального уровня при сохранении механических свойств, присущих идентичной автоматной стали.

Экспериментально установлено: при содержании висмута 0,07%, фосфора 0,02%, серы 0,08% (как и в ближайшем аналоге) обрабатываемость соответствует обрабатываемости идентичной свинецсодержащей стали; оптимальная обрабатываемость, а именно на 50% и более, превышающая обрабатываемость идентичной свинецсодержащей стали, достигается при содержании висмута 0,12 - 0,20%, фосфора 0,02 - 0,07%, серы 0,08 - 0,13% (как и в ближайшем аналоге); при содержании висмута, фосфора, серы ниже нижнего предела оптимальная обрабатываемость не достигается; увеличение содержания выше верхнего предела висмута, соответствующего предельной растворимости висмута в жидкой стали, фосфора или серы приводит к снижению механических свойств стали; производительность прокатки стали на 15 - 20% выше производительности прокатки свинецсодержащей стали; выделение аэрозолей висмута во время разливки и прокатки стали ниже предельно-допустимой концентрации.

Анализ технических решений в исследуемой и смежных областях позволяет сделать вывод об отсутствии в них признаков, сходных с признаками в заявляемом объекте и признать их соответствующими критерию "Существенные отличия". Опытно-промышленные испытания по резанию 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 сернисто-марганцовистой свинецсодержащей стали АС35Г2 по ГОСТу 1414-75.

Оценку экологической обстановки проводили в цехах ОАО Челябинский металлургический комбинат "Мечел" при разливке и прокатке предлагаемой стали и стали АС35Г2 методом отсоса проб в местах интенсивного выделения вредных примесей. Производительность прокатки определяли в цехах этого же предприятия. Химический состав приведен в табл.1.

Механические свойства, производительность, выделение вредных примесей и обрабатываемость приведены в табл.2 (см. табл. 1 и 2 в конце описания).

Пример 1. Известная сталь АС35Г2 по ГОСТу 1414-75. Приведено выделение примесей свинца при разливке и прокатке стали. Производительность и обрабатываемость стали приняты за базовые.

Пример 2. Содержание углерода меньше 0,32% и марганца меньше 1,35% - нижние пределы. При содержании элементов меньше нижнего предела механические свойства снижаются. Сталь непригодна к использованию по прямому назначению. Предел текучести и временное сопротивление меньше требуемых.

Пример 3. Углерода больше 0,39% и марганца больше 1,65% - верхних пределов. Число твердости больше требуемого. Сталь непригодна для использования по назначению. Обрабатываемость также ниже оптимальной.

Пример 4. Серы меньше нижнего предела, равного 0,08%. Снижается обрабатываемость стали.

Пример 5. Серы больше верхнего предела, равного 0,13. Снижаются пластичные свойства.

Пример 6. Фосфора меньше 0,02% - нижний предел. Обрабатываемость не достигнута оптимальной.

Пример 7. Фосфора больше 0,07% - верхний предел. Снижаются механические свойства.

Пример 8. Висмута меньше 0,12% - нижний предел. Обрабатываемость на уровне свинецсодержащей стали.

Пример 9. Висмута больше 0,20% - верхний предел. Механические свойства ниже указанных в технических условиях. Сталь непригодна для использования по прямому назначению.

Примеры 10 - 12. Сталь в завяленных пределах, обрабатываемость оптимальная. Производительность на 15 - 20% выше, чем у стали АС35Г2.

Сталь прошла опытно-промышленные испытания с положительным результатом. Более высокая обрабатываемость резанием предлагаемой стали при сохранении механических свойств и технологичности производства позволяет рекомендовать ее для промышленного применения.

Формула изобретения

Автоматная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, серу, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит фосфор и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 0,32-0,39
Кремний - 0,17-0,37
Марганец - 1,35-1,65
Сера - 0,08-0,13
Фосфор - 0,02-0,07
Висмут - 0,12-0,20
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2