Автоматная свинецсодержащая сталь
Владельцы патента RU 2383651:
Открытое Акционерное Общество "Челябинский металлургический комбинат" (RU)
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к конструкционным сталям с высокой обрабатываемостью резанием, применяемой для изготовления деталей в автомобилестроении. Для получения стали более дешевой по стоимости с сохранением ее механических и технологических свойств на прежнем уровне, унифицированной для изготовления из нее различных профилей и деталей автомобилей, она имеет следующий состав, мас.%: углерод 0,17 - менее 0,2, кремний 0,17-0,37, марганец 0,8-1,1, хром 1,0-1,3, свинец 0,1-0,25, сера 0,02-0,04, титан 0,03-0,06, железо и примеси - остальное. 1 ил., 5 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к конструкционным сталям с повышенной и высокой обрабатываемостью резанием, применяемой для изготовления деталей в автомобилестроении.
Известна сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,13-0,18, кремний 0,17-0,37, марганец 0,70-1,00, хром 0,80-1,10, никель не более 0,80-1,10, молибден не более 0,10, серу не более 0,035, фосфор не более 0,035, свинец 0,15-0,30 (1).
Известна сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,16-0,21, кремний 0,17-0,37, марганец 0,70-1,10, хром 0,80-1,10, никель не более 0,80-1,10, молибден не более 0,10, серу не более 0,035, фосфор не более 0,035, свинец 0,15-0,30 (2).
Известна сталь, содержащая, мас.%: углерод 0,18-0,23, кремний 0,17-0,37, марганец 0,70-1,10, хром 0,40-0,70, никель не более 0,40-0,70, молибден в пределах 0,15-0,25, серу не более 0,035, фосфор не более 0,035, свинец 0,15-0,30 (3). Данная сталь наиболее близка по технической сущности и достигаемому результату и принята за прототип.
Недостатком вышеперечисленных известных сталей является высокая их стоимость за счет использования дорогостоящих легирующих веществ, таких как никель и молибден, возможность использования каждой из этих сталей только на изготовление одного определенного профиля и определенных деталей.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является получение автоматной стали, более дешевой по стоимости, с сохранением ее механических и технологических свойств на прежнем уровне, унифицированной для изготовления из нее различных профилей и деталей автомобилей.
Поставленная задача достигается за счет того, что предлагается автоматная свинецсодержащая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, свинец, серу, железо, при этом она дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,17 менее 0,2, кремний 0,17-0,37, марганец 0,80-1,10, хром 1,00-1,30, свинец 0,10-0,25, сера 0,020-0,040, титан 0,03-0,06, железо и примеси - остальное. Условное обозначение предлагаемой стали АС18ХГТ.
В состав стали могут входить в качестве примеси никель, медь, фосфор в следующем соотношении, мас.%: никель не более 0,30, медь не более 0,25, фосфор не более 0,035.
Сущность изобретения - исключение из состава стали дорогостоящих легирующих материалов, таких как никель и молибден, введение в состав титана и корректировка содержания углерода, марганца, хрома, серы и свинца.
Количественное и качественное содержание составляющих элементов заявляемой стали позволяет достигнуть поставленную задачу.
Экспериментально установлено:
- при содержании свинца или серы ниже нижнего заявленного предела не достигается оптимальная обрабатываемость стали резанием;
- увеличение содержания свинца или серы выше верхнего предела приводит к снижению механических свойств стали и получению свинцовой неоднородности, приводящей к браку стали;
- при содержании свинца 0,10-0,25% и серы 0,020-040% обрабатываемость стали соответствует идентичной обрабатываемости прототипа или превышает ее при полном сохранении механических свойств стали.
Предлагаемая сталь может содержать как примеси никель медь и фосфор.
Составы предлагаемой стали приведены в таблице 1.
Сравнительные данные механических свойств приведены в таблице 2. Выплавка заявленной стали проводилась в ОАО Челябинский металлургический комбинат в ЭСПЦ-2 в сверхмощной 100-тонной электропечи, доводку по химсоставу и температуре проводили на АКП. Разливку и легирование свинцом проводили в специальном отделении, оборудованном дозирующим устройством и отсосом возгонов свинца. Разливка проводилась сифоном в сквозные уширенные кверху изложницы типа СС9.
От каждого слитка отбирали пробы на содержание свинца по высоте слитка, усвоение свинца на плавке составило 75%, усвоение свинца по слиткам было равномерное.
Сталь прокатывали по стандартной схеме на станах и по технологии прокатки заменяемых сталей (АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ). Затем металл каждого слитка прокатывали на готовый сорт ⌀ 64, 63 и 40 мм, охлаждали на воздухе и в дальнейшем термообрабатывали для получения феррито-перлитной микроструктуры. После термообработки микроструктура была перлитно-ферритной с пластинчатым перлитом, которая необходима для дальнейшей обработки на автоматных станках. Технологические свойства стали определяли как при обработке различных деталей на автоматных станках в цехах ВАЗа (см. таблицу 3, 4, 5), так и при обработке ступицы синхронизатора, кольца, венца зубчатого синхронизатора. Ранее каждая из этих деталей изготавливалась из одной определенной марки стали (кольцо из АС19ХГН, ступица синхронизатора из АС14ХГН, венец зубчатого синхронизатора из АС20ХГНМ).
Таким образом, на основании проведенных испытаний можно заключить, что предлагаемая автоматная конструкционная сталь по своим механическим и структурным характеристикам может успешно заменить три применяемых известных стали АС14ХГН, АС19ХГН, АС20ХГНМ, удешевляя ее стоимость, не уступая по технологическим характеристикам, в т.ч. обрабатываемости резанием.
Анализ технических решений в исследуемых 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 обрабатываемости резанием заявляемой стали проводили в автоматном цехе механосборочного производства Волжского автомобильного завода (г.Тольятти). Испытания проводили на 6-шпиндельных и на 4-шпиндельных токарно-расточных полуавтоматах при изготовлении деталей, принятых базовыми по критерию интенсивности износа инструмента, характеризуемого количеством обработанных деталей, приходящихся на 0,1 мм износа инструмента.
За базовую обрабатываемость принята обрабатываемость известных легированных свинецсодержащих сталей по ГОСТ 1414-75.
Пример 1. Опытная проверка
Проведена в лабораторных условиях. Содержание хрома и марганца ниже нижнего предела. Свинец и сера в заявленных пределах. Обрабатываемость оптимальная, но механические свойства не соответствуют требованиям нормативно-технической документации (НТД). Сталь не пригодна для использования по прямому назначению.
Пример 2
Содержание углерода и марганца выше верхнего предела. Относительное удлинение и ударная вязкость ниже требований НТД, а твердость проката выше требуемой. Сталь не пригодна для использования по прямому назначению.
Пример 3
Содержание серы в стали меньше нижнего предела. Обрабатываемость ниже оптимального уровня.
Пример 4
Серы больше верхнего предела. Появляется при прокатке стали красноломкость и снижаются механические свойства (ударная вязкость и работа разрушения при динамическом изгибе).
Пример 5
Содержание свинца в стали ниже нижнего предела, содержание серы в заявленных пределах. Обрабатываемость стали ниже оптимального уровня.
Пример 6
Содержание свинца выше верхнего предела. Обнаруживается свинцовистая неоднородность. Сталь не соответствует требованиям НТД.
Примеры 7, 8, 9
Содержание легирующих элементов в стали в заявленных пределах. Обрабатываемость оптимальная. Механические свойства соответствуют нормативно-технологическим требованиям.
Результаты механических испытаний опытно-промышленных плавок стали предлагаемого состава (нитроцементированные образцы 10×10 мм, глубина нитроцементации 0,6-0,8 мм) приведены на фиг.1.
Результаты сравнительной оценки обрабатываемости с серийными известными сталями по ГОСТ 1414-75 при изготовлении деталей для автомобилей приведены в таблицах 3, 4, 5.
Таким образом, оптимальная обрабатываемость резанием предложенной стали при полном сохранении технологичности производства и механических свойств позволяет рекомендовать ее для промышленного применения взамен никельсодержащих сталей (с молибденом или без него).
| Таблица №1 | ||||||||||||
| Сталь | № п/п | Химический состав, мас.% | Примечание | |||||||||
| C | Si | Mn | Сr | Ni | S | Р | Мо | Ti | Pb | |||
| 1 | 0,13- | 0,17- | 0,70- | 0,80- | 0,80- | н.б.0,035 | н.б.0,035 | н.б. | - | 0,15- | АС14ХГН | |
| 0,18 | 0,37 | 1,10 | 1,10 | 1,10 | н.б.0,035 | н.б.0,035 | 0,10 | - | 0,30 | АС19ХГН | ||
| Известная | 2 | 0,16- | 0,17- | 0,70- | 0,80- | 0,80- | н.б.0,035 | н.б.0,035 | н.б. | - | 0,15- | АС20ХГНМ |
| 0,21 | 0,37 | 1,10 | 1,10 | 1,10 | 0,10 | 0,30 | ||||||
| 3 | 0,18- | 0,17- | 0,70- | 0,40- | 0,40- | 0,15- | 0,15- | |||||
| 0,23 | 0,37 | 1,10 | 0,70 | 0,70 | 0,25 | 0,30 | ||||||
| Предложенный состав | 0,17- | 0,17- | 0,80- | 1,00- | н.б. | 0,02- | н.б.0,035 | н.б. | 0,03- | 0,10- | АС18ХГТ | |
| 0,2 | 0,37 | 1,10 | 1,30 | 0,25 | 0,04 | 0,10 | 0,08 | 0,25 | ||||
| Исследованные | 4 | 0,20 | 0,37 | 0,70 | 0,90 | 0,05 | 0,030 | 0,018 | 0,03 | 0,08 | 0,20 | |
| плавки | 5 | 0,24 | 0,28 | 1,20 | 1,10 | 0,08 | 0,028 | 0,016 | 0,04 | 0,06 | 0,18 | |
| (примеры) | 6 | 0,22 | 0,23 | 1,05 | 1,12 | 0,07 | 0,012 | 0,016 | 0,02 | 0,08 | 0,21 | |
| 7 | 0,21 | 0,25 | 1,00 | 1,25 | 0,04 | 0,048 | 0,017 | 0,03 | 0,08 | 0,20 | ||
| 8 | 0,23 | 0,26 | 1,00 | 1,18 | 0,08 | 0,035 | 0,020 | 0,06 | 0,07 | 0,08 | ||
| 9 | 0,20 | 0,25 | 1,00 | 1,14 | 0,03 | 0,029 | 0,020 | 0,07 | 0,04 | 0,28 | ||
| 10 | 0,18 | 0,27 | 1,04 | 1,21 | 0,07 | 0,036 | 0,012 | 0,04 | 0,05 | 0,14 | ||
| 11 | 0,17 | 0,30 | 1,06 | 1,25 | 0,07 | 0,032 | 0,015 | 0,05 | 0,07 | 0,20 | ||
| 12 | 0,20 | 0,29 | 0,96 | 1,09 | 0,09 | 0,026 | 0,031 | 0,01 | 0,05 | 0,15 |
| Таблица 2 | |||||||
| Сталь | № п/п | Марка | Механические свойства | Примечание | |||
| Предел текучести σт, МПа | Предел прочности σв, МПа | Относительное удлинение, σ, % | Ударная вязкость, Дж/см2 | ||||
| Известная сталь | 1 | АС14ХГН | не менее 835 | не менее 1080 | не менее 8 | не менее 78 | Зак.м. 870±10°С. Отп.150-180°С |
| по ГОСТ 1414- | 2 | АС19ХГН | не менее 930 | не менее 1180 | не менее 7 | не менее 68 | Зак.м. 875±10°С. Отп. 150-180°С |
| 75 | 3 | АС20ХГНМ | не менее 930 | не менее 1180 | не менее 7 | не менее 59 | Зак.м. 860±10°С. Отп. 150-180°С |
| Предлагаемый состав | АС18ХГТ | не менее 930 | не менее 1180 | не менее 7 | не менее 68 | ||
| 4 | 900 | 1120 | 11 | 100 | Обрабатываемость оптимальная, но механические свойства не соответствуют НТД. | ||
| Исследованные стали (примеры). Режим т/о образцов, найденный для стали АС19ХГН | 5 | 950 | 1230 | 6 | 52 | Относительное удлинение и ударная вязкость ниже требований НТД, а твердость проката выше требуемой | |
| 6 | 945 | 1245 | 10 | 120 | Обрабатываемость ниже оптимального уровня | ||
| 7 | 935 | 1200 | 9 | 45 | Красноломкость при прокатке, снижаются мех. свойства (ударная вязкость и работа разрушения при динамическом изгибе). | ||
| 8 | 950 | 1210 | 9 | 95 | Обрабатываемость стали ниже оптимального уровня | ||
| 9 | 960 | 1230 | 9 | 88 | Свинцовистая неоднородность, сталь не соответствует НТД | ||
| 10 | 945 | 1210 | 10 | 108 | Механические свойства соответствуют НТД | ||
| 11 | 940 | 1200 | 11 | 110 | |||
| 12 | 980 | 1260 | 10 | 105 |
| Таблица 3 | ||||||||
| Результаты испытаний по стойкости, износу и приведенной стойкости, полученные при изготовлении ступицы синхронизатора 2102-1701119 из металлопроката заявленной стали в круге 64 мм в сравнении со сталью АС14ХГН (ГОСТ 1414-75) | ||||||||
| Наименование операции | Инструмент | Режимы резания | Сталь АС18ХГТ пл.83514⌀ 64 мм | Сталь АС14ХГН ⌀64 мм (ГОСТ 1414-75) | ||||
| V, м/мин | So, мм/об | Т, мм | ||||||
| Число обр. дет.(шт.) Износ инстр. (мм) | Приведенная стойкость (Т0,1) | Число обр. дет.(шт.) | Приведенная стойкость (Т0,1) | |||||
| Износ инстр. (мм) | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Оп.10 (ц.31) Сверление отверстия ⌀29,5 мм | Сверло 41.2300.4189 Р6М5 | 25,6 | 0,133 | 14,75 | 1270/1,1; 1250/1,0; 1210/1,0 | 115; 125; 121 T0,1cр=120 | 1050/1,0; 1300/1,5; 950/0,9 | 105; 88; 105 |
| 1-ая предварительная прорезка | Резец 41.2130.1058 Р10К10Ф3М4 | 55,7 | 0,027 | 3,5 | 480/0,3; 450/0,3; 450/0,35 | 160; 150; 128 T0,1cp=146 | 450/0,3; 550/0,5; 580/0,4; 500/0,5 | 150; 110; 100; 145; T0,1cр.=126 |
| 2-ая предварительная прорезка | Резец 41.2130.4061 Р10К10Ф3М4 | 48,5 | 0,029 | 3,0 | 280/0,2; 510/0,5; 260/0,35; 320/0,3; 320/0,3 | 140; 102; 74; 106; 106 T0,1cp=105 | 261/0,25; 350/0,35; 400/0,45; 230/0,25 | 104; 100; 89; 92 Т0,1ср.=96 |
| Фасонная обработка торца детали | Резец 41.2155.4080 Р10К10Ф3М4 | 49,4 | 0,133 | 12,5 | 770/06; 800/0,85 | 128; 94 T0,1cp=111 | 800/0,7; 720/0,7 | 114; 103 T0,1cp=109 |
| Чистовая обработка Наружного диаметра | Резец 41.2157.4068 Р10К10Ф3М4 | 56,5 | 0,024 | 15,0 | 600/0,05-0,1; 550\0,05-0,1 | 800; 733 T0,1cp.=776 | 720/0,1; 800/0,1 | 720; 800 T0,1cp=760 |
| Таблица 4 | ||||||||
| Результаты испытаний по стойкости, износу и приведенной стойкости, полученные при изготовлении кольца синхронизатора 2123-1701119 из металлопроката заявленной стали в круге 40 мм в сравнении со сталью АС19ХГН (ГОСТ 1414-75) | ||||||||
| Наименование операции | Инструмент | Режимы резания | Сталь АС18ХГТ пл.83514⌀ 40 мм | Сталь АС19ХГН ⌀40 мм (ГОСТ 1414-75) | ||||
| V, м/мин | So, мм/об | Т, мм | ||||||
| Число обр. дет. (шт.) Износ инстр. (мм) | Приведенная стойкость (Т0,1) | Число обр. дет. (шт.) | Приведенная стойкость (To,i) | |||||
| Износ инстр. (мм) | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Оп. 10п.(ц.31), Сверление отверстия ⌀24,5 мм | Сверло 02.2300.9181 Р6М5 | 22 | 0,11 | 12,25 | 1440/1,5; 1500/1,5 | 96;100 ср. 98 |
1500/1,8; 1300/1,5 | 83; 86 ср. 85 |
| Подрезка торца | Резец 02.2157.9872 Р10К10Ф3М4 | 36 | 0,064 | 1,0 | 820/0,35; 900/0,4 | 234; 225 ср.230 | 720/0,4; 900/0,4 | 180; 225 ср. 203 |
| Расточка отверстия | Резец 41.2145.4024 Р10К10Ф3М4 | 22,8 | 0,11 | 0,5 | 1800/1,2; 2000/1,3 | 150; 154 ср.152 | 1600/1,5; 1900/1,3 | 107; 126 ср.117 |
| Отрезка | Резец 41.2130.4030 Р10К10Ф3М4 | 28,3 | 0,047 | 3,5 | 720/0,35; 720/0,4 | 205; 180 ср.193 | 750/0,5; 720/0,5 | 150; 144 ср. 147 |
| Таблица 5 | ||||||||
| Результаты испытаний по стойкости, износу и приведенной стойкости, полученные при изготовлении венца зубчатого синхронизатора 2107-1701119 из металлопроката заявленной стали в круге 63 мм в сравнении со сталью АС20ХГНМ (ГОСТ 1414-75) | ||||||||
| Наименование операции | Инструмент | Режимы резания | Сталь АС18ХГТ пл.83514 ⌀63 мм | Сталь АС20ХГНМ ⌀ 63 мм (ГОСТ 1414-75) | ||||
| V, м/мин | So, мм/об | Т, мм | ||||||
| Число обр. дет.(шт.) Износ инстр.(мм) | Приведенная стойкость (Т0,1) | Число обр. дет.(шт.) | Приведенная стойкость (T0,1) | |||||
| Износ инстр.(мм) | ||||||||
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 |
| Предварительная прорезка канавки | Резец 41.2155.4082 Р10К10Ф3М4 | 46,7 | 0,04 | 6,0 | 400/0,7; 450/0,7; 630/1,0; 300/0,5; 400/0,8 | 57; 64; 63; 60; 50 T0,1cp=59 | 450/1,0; 600/1,0; 300/0,5 | 45; 60; 60 T0,1cp=59 |
| Окончательное фасонное формирование канавки | Резец 41.2154.4087 Р10К10Ф3М4 | 43 | 0,02 | 6,0 | 670/0,35; 850/0,45 | 191; 200 T0,1cp=195 | 600/0,3; 750/0,4 | 200; 187 T0,1cp=193 |
| Отрезка | Резец 41.2130.4010 Р10К10Ф3М4 | 44,5 | 0,057 | 3,0 | 670/0,5; 430/0,5; 300/0,25; 200/0,2 | 134; 86; 120; 100 T0,1cp=110 | 350/0,3; 400/0,5; 300/0,3 | 117; 80; 100 T0,1cp=99 |
| Оп. 10 (ц. 33-1) Зубодолбление | Долбяк 41.2530.4001 Р6М5Ф3Ш | 31 | - | - | 500/0,2; 0,4 | 125 | 500/0,2; 0,4 | 125 |
Автоматная свинецсодержащая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, свинец, серу, титан и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:
| углерод | 0,17 - менее 0,2 |
| кремний | 0,17-0,37 |
| марганец | 0,8-1,1 |
| хром | 1,0-1,3 |
| свинец | 0,1-0,25 |
| сера | 0,02-0,04 |
| титан | 0,03-0,06 |
| железо и примеси | остальное |
