Низкоуглеродистая конструкционная сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием
Владельцы патента RU 2503736:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Южно-Уральский государственный университет" (национальный исследовательский университет) (ФГБОУ ВПО "ЮУрГУ" (НИУ)) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяющихся в серийном производстве ответственных деталей машин. Сталь имеет следующий химический состав, мас.%: углерод 0,18-0,23, кремний 0,17-0,37, марганец 0,70-1,10, хром 0,40-0,70, никель 0,40-0,70, молибден 0,15-0,25, олово 0,05-0,30, железо и примеси остальное. В качестве примесей сталь содержит, мас.%: серу - не более 0,025, фосфор - не более 0,025, медь - не более 0,20. Суммарное содержание серы и олова не превышает 0,31 мас.%, а отношение содержания молибдена к содержанию меди находится в пределах от 0,8 до 4,8. Повышается обрабатываемость стали резанием и увеличивается производительность процесса ее горячей обработки давлением при сохранении требуемых механических свойств металла, а также улучшается экологическая обстановка производства. 3 з.п. ф-лы, 2 табл., 14 пр.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к получению сталей с особыми технологическими свойствами, применяющихся в серийном производстве ответственных деталей машин.
Из уровня техники известна сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием (патент JP 1047839, опубл. 22.02.1989, МПК С22С 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.
Наличие в структуре данной стали твердого раствора олова повышает хрупкость феррита и облегчает разрушение поверхностного слоя металла в процессе резания, а присутствующие наряду с этим включения сульфида марганца играют роль смазочного слоя в зоне контакта и способствуют предотвращению налипания частиц обрабатываемого материала на кромку токарного инструмента.
Известная сталь имеет следующие недостатки:
- химический состав, в частности содержание олова, не обеспечивает необходимой обрабатываемости, требующейся в сложившейся ситуации увеличения доли высокоскоростной механообработки в общем объеме всех способов формообразования поверхности;
- 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;
- нет сведений о предельно допустимом суммарном содержании компонентов, улучшающих обрабатываемость, которое предопределяет механические свойства стали, а следовательно, и служит критерием ее пригодности для дальнейшего применения в соответствии с назначением, для которого она была разработана;
- не указано оптимальное остаточное содержание меди, позволяющее избежать ухудшения горячей деформируемости стали вследствие выделения структурно свободной меди, которая проникает к границам зерен поверхностного слоя, уменьшая его прочность, или в результате сильного окисления границ зерен без их значительного обогащения данной примесью.
Кроме того, известна низкоуглеродистая конструкционная сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием АС20ХГНМ (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, никель, молибден, свинец и железо при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- углерод - 0,18-0,23;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,70-1,10;
- хром - 0,40-0,70;
- никель - 0,40-0,70;
- молибден - 0,15-0,25;
- свинец - 0,15-0,30;
- железо - основа.
Кроме того, сталь в качестве примесей может дополнительно содержать, масс.%:
- серу - не более 0,035;
- фосфор - не более 0,035;
- медь - не более 0,30.
К недостаткам данной стали можно отнести следующее:
- 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;
- нерациональное использование материальных средств и увеличение себестоимости автоматной стали за счет преднамеренного перерасхода свинца, поскольку при определении необходимого количества добавочных материалов заранее исходят из их повышенной против требуемой массы с учетом предполагаемых потерь окислением и испарением, которые для данного легирующего элемента могут доходить до 80%;
- принципиальная невозможность дальнейшего улучшения обрабатываемости резанием, которое требуется в современных условиях неизменного стремления к повышению производительности труда и наращиванию объемов производства, методом последовательного увеличения содержания в стали свинца больше известных значений, поскольку превышение его предела растворимости в железе приводит к значительному ухудшению механических свойств металла;
- отсутствуют данные о предельно допустимом суммарном содержании элементов, облегчающих процесс лезвийной обработки, которые при одновременном присутствии могут ухудшать комплекс механических свойств стали, оказывая тем самым непосредственное влияние на эксплуатационную надежность готового изделия в частности и всей металлоконструкции в целом;
- низкая степень усвоения сталью, обусловленная высокой упругостью паров свинца и его достаточно низкой температурой кипения, для достижения требуемых механических и технологических свойств конструкционного материала на металлургическом производстве требует осуществления сложных конструкторских и технических решений;
- неравномерное распределение свинца в теле слитка вследствие его большой физической плотности затрудняет гарантированное получение требуемых свойств стали и обусловливает понижение процента выхода годного металла, а следовательно, и производительности процесса горячей обработки давлением из-за образования дефектов в местах наибольшей концентрации этого компонента.
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, улучшающего обрабатываемость резанием, содержит олово при следующем соотношении компонентов, масс.%:
- углерод - 0,18-0,23;
- кремний - 0,17-0,37;
- марганец - 0,70-1,10;
- хром - 0,40-0,70;
- никель - 0,40-0,70;
- 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 суммарное содержание серы и олова составляет не более 0,31 масс.%, а отношение содержания молибдена к содержанию меди находится в пределах от 0,8 до 4,8.
Применение олова для дополнительного легирования стали с целью улучшения ее обрабатываемости резанием имеет целый ряд преимуществ.
Первое преимущество заключается в том, что данный элемент имеет гораздо более высокую предельную растворимость в железе по сравнению со свинцом: 9,20 ат. % и 0,25 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 методов получения заданных геометрических параметров изделий.
Вторым преимуществом олова является его высокое усвоение расплавом, что объясняется низкой упругостью пара данного элемента и температурой кипения, значительно превосходящей рабочие температуры сталеплавильных процессов, которые препятствуют его свободному испарению с поверхности зеркала ванны жидкого металла. Это позволяет избежать излишнего усложнения технологии производства стали и повысить производительность второго передела.
Третье преимущество состоит в том, что олово из-за своей плотности сопоставимой с плотностью жидкой стали равномерно распределяется в теле слитка. В сочетании с оптимальным содержанием меди это позволяет предотвратить появление дефектов поверхностного слоя заготовки во время операции его горячей обработки давлением и тем самым увеличить процент выхода годного металла, повысив производительность третьего передела.
Четвертым преимуществом является улучшение экологии металлургического производства при получении автоматных марок стали. С одной стороны, это объясняется тем, что свинец относится к «чрезвычайно опасным» веществам, и его содержание в атмосфере цеха ограничено величиной среднесменной предельно допустимой концентрации (ПДК) - 0,05 мг/м3, а значения ПДК и ориентировочно безопасного уровня воздействия (ОБУВ) в воздухе рабочей зоны для чистого олова на сегодняшний день не установлены. С другой стороны, 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.
Таким образом, 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.
Сущность изобретения - выявление оптимального содержания олова, серы, фосфора, молибдена и меди, 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 обрабатываемости стали резанием;
- при условии содержания олова по нижнему пределу обрабатываемость предлагаемой стали сопоставима с обрабатываемостью металла аналогичной свинецсодержащей марки;
- увеличение содержания олова, серы и фосфора выше заявленных пределов приводит к ухудшению механических свойств металла;
- при суммарном содержании серы и олова больше регламентированного предела ударная вязкость стали не соответствует требованиям ГОСТа, в результате чего сталь не может применяться по прямому назначению;
- превышение заявленного содержания меди, также как и несоблюдение соотношения концентраций молибдена и меди в стали приводит к ухудшению технологических свойств металла;
- при содержании олова, серы, фосфора и меди в заявленных пределах уровень обрабатываемости предложенной стали на 12% превышает величину обрабатываемости свинецсодержащего 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 низкоуглеродистой конструкционной стали с улучшенной обрабатываемостью резанием АС20ХГНМ, произведенной в соответствии с требованиями ГОСТ 1414-75.
Химический состав известной стали марки АС20ХГНМ, которая принята за ближайший аналог, и предлагаемой стали приведен в таблице 1.
| Таблица 1 | |||||||||||
| Химический состав сталей | |||||||||||
| Сталь | № пр. | Содержание компонента, мас.% | |||||||||
| С | Si | Mn | S | Р | Cr | Ni | Mo | Cu | Sn | ||
| АС20ХГНМ | 1 | 0,18 0,23 | 0,17 0,37 |
0,70 1,10 |
н.б. 0,035 |
н.б. 0,035 |
0,40 0,70 |
0,40 0,70 |
0,15 0,25 |
н.б. 0,30 |
- |
| 2 | 0,20 | 0,31 | 0,86 | 0,031 | 0,030 | 0,54 | 0,51 | 0,20 | 0,19 | 0,28 | |
| 3 | 0,19 | 0,21 | 0,76 | 0,023 | 0,024 | 0,46 | 0,49 | 0,16 | 0,21 | 0,27 | |
| 4 | 0,19 | 0,26 | 0,81 | 0,017 | 0,016 | 0,48 | 0,45 | 0,21 | 0,15 | 0,04 | |
| 5 | 0,20 | 0,32 | 0,87 | 0,015 | 0,018 | 0,50 | 0,52 | 0,18 | 0,08 | 0,05 | |
| 6 | 0,20 | 0,24 | 0,79 | 0,025 | 0,025 | 0,54 | 0,59 | 0,22 | 0,20 | 0,30 | |
| Предлагаемая | 7 | 0,21 | 0,28 | 0,81 | 0,024 | 0,020 | 0,56 | 0,47 | 0,16 | 0,14 | 0,31 |
| 8 | 0,19 | 0,33 | 0,86 | 0,021 | 0,017 | 0,65 | 0,54 | 0,15 | 0,20 | 0,12 | |
| 9 | 0,22 | 0,24 | 0,88 | 0,010 | 0,012 | 0,51 | 0,45 | 0,16 | 0,20 | 0,12 | |
| 10 | 0,19 | 0,26 | 0,80 | 0,013 | 0,011 | 0,49 | 0,50 | 0,24 | 0,05 | 0,16 | |
| 11 | 0,21 | 0,35 | 0,74 | 0,023 | 0,019 | 0,63 | 0,58 | 0,25 | 0,05 | 0,16 | |
| 12 | 0,22 | 0,29 | 0,94 | 0,020 | 0,021 | 0,42 | 0,46 | 0,17 | 0,10 | 0,29 |
| Продолжение таблицы 1 | |||||||||||
| Сталь | № пр. | Содержание компонента, мас.% | |||||||||
| С | Si | Mn | S | Р | Cr | Ni | Mo | Cu | Sn | ||
| Предлагаемая | 13 | 0,19 | 0,27 | 0,76 | 0,024 | 0,022 | 0,50 | 0,48 | 0,19 | 0,12 | 0,29 |
| 14 | 0,20 | 0,25 | 0,79 | 0,009 | 0,014 | 0,49 | 0,45 | 0,21 | 0,07 | 0,26 |
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.
| Таблица 2 | |||||||
| Механические и технологические свойства сталей | |||||||
| Сталь | № пр. | Временное сопротивление σВ, МПа | Предел текучести σ02, МПа | Относительное удлинение δ, % | Ударная вязкость KCU, Дж/см2 | Производительность обработки давлением | Обрабатываемость резанием |
| АС20ХГНМ | 1 | н.м. 1180 | н.м. 930 | н.м. 7,0 | н.м. 59 | 1,00 | 1,00 |
| 2 | 1312 | 1211 | 5,2 | 44 | Оценка не проводилась | ||
| 3 | 1309 | 1208 | 7,0 | 62 | 0,94 | 1,13 | |
| 4 | 1274 | 1175 | 9,2 | 78 | 1,18 | 0,96 | |
| 5 | 1278 | 1181 | 9,2 | 75 | 1,15 | 1,00 | |
| 6 | 1314 | 1216 | 7,0 | 59 | 1,01 | 1,14 | |
| 7 | 1311 | 1212 | 6,2 | 51 | Оценка не проводилась | ||
| Предлагае-мая | 8 | 1286 | 1191 | 7,0 | 70 | 0,99 | 1,05 |
| 9 | 1287 | 1193 | 7,2 | 72 | 1,00 | 1,06 | |
| 10 | 1294 | 1196 | 8,2 | 70 | 1,11 | 1,00 | |
| 11 | 1296 | 1198 | 8,0 | 68 | 1,10 | 0,98 | |
| 12 | 1313 | 1207 | 7,2 | 59 | 1,02 | 1,13 | |
| 13 | 1310 | 1209 | 7,2 | 56 | Оценка не проводилась | ||
| 14 | 1305 | 1206 | 7,6 | 65 | 1,09 | 1,12 |
Пример 1. Известная низкоуглеродистая конструкционная сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием АС20ХГНМ. 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 свинца.
Пример 2. Содержание серы и фосфора больше заявленных значений. Механические характеристики металла не соответствуют требованиям ГОСТа. 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 свинецсодержащего аналога.
Пример 7. Содержание олова больше верхнего предела. Значения механических свойств металла выходят за рамки, установленные ГОСТом. Исследование технологических свойств предлагаемой стали не проводилось.
Пример 8. Соотношение между содержанием молибдена и меди выходит за нижнюю регламентированную границу. Понижается производительность обработки металла давлением.
Пример 9. Соотношение между содержанием молибдена и меди находится на уровне нижнего предела из заявленного диапазона.
Производительность обработки предложенной стали давлением сопоставима с эффективностью процесса горячего пластического деформирования свинецсодержащего аналога.
Пример 10. Соотношение между содержанием молибдена и меди имеет значение, соответствующее верхнему заявленному пределу. Уровень обрабатываемости предложенной стали сопоставим с обрабатываемостью известного аналога.
Пример 11. Соотношение между содержанием молибдена и меди выходит за верхнюю установленную границу. Уменьшается эффективность процесса токарной обработки.
Пример 12. Суммарное содержание серы и олова находится на уровне установленного предела. Величина ударной вязкости стали соответствует минимальному допустимому значению, установленному ГОСТом.
Пример 13. Суммарное содержание серы и олова превышает регламентированное значение. Ударная вязкость стали не соответствует требованиям ГОСТа, и сталь не может использоваться в соответствии с целевым назначением. Исследование технологических характеристик не проводилось.
Пример 14. Содержание всех элементов находится в заявленных пределах. Комплекс технологических свойств низкоуглеродистой 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.
1. Низкоуглеродистая конструкционная сталь с улучшенной обрабатываемостью резанием, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит олово при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,18-0,23 |
| кремний | 0,17-0,37 |
| марганец | 0,70-1,10 |
| хром | 0,40-0,70 |
| никель | 0,40-0,70 |
| молибден | 0,15-0,25 |
| олово | 0,05-0,30 |
| железо | остальное |
2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в ней дополнительно ограничено содержание вредных примесей, мас.%: серы не более 0,025, фосфора не более 0,025, меди не более 0,20.
3. Сталь по п.2, отличающаяся тем, что суммарное содержание серы и олова не превышает 0,31 мас.%.
4. Сталь по п.2, отличающаяся тем, что отношение содержания молибдена к содержанию меди находится в пределах от 0,8 до 4,8.
