среднеуглеродистая сталь повышенной обрабатываемости резанием

Формула изобретения

1. Среднеуглеродистая сталь повышенной обрабатываемости резанием, содержащая углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, кальций и кислород при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	0,42-0,50
Марганец	0,50-0,80
Кремний	0,17-0,37
Сера	0,020-0,040
Фосфор	0,001-0,030
Алюминий	0,03-0,05
Кальций	0,001-0,010
Кислород	0,001-0,015
Железо и неизбежные примеси	- Остальное

при этом соотношение содержания кислорода и кальция, а также отношение кальция и серы определяются по следующим зависимостям: кислород/кальций=1÷4,5 и кальций/сера 0,065.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она дополнительно содержит хром, никель, медь, молибден, мышьяк и азот в следующем соотношении, мас.%:

Хром	Не более 0,25
Никель	Не более 0,25
Медь	Не более 0,25
Молибден	Не более 0,10
Мышьяк	Не более 0,08
Азот	Не более 0,015

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит неметалические включения, имеющие двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке среднеуглеродистой стали повышенной обрабатываемости резанием, используемой для изготовления штоков амортизаторов автомобиля.

Известна конструкционная сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.38-0.47%, марганец 0.8-1.2%, кремний 0,17-0,37%, ванадий 0,08-0,18%, бор 0.001-0.005%, азот 0.005-0.025%, серу 0.036-0.080%, кальций 0.001-0.010%, остальное при условии, что отношение марганца к кальцию составляет 100-1100 (Авторское свидетельство СССР SU 1689426 А1, С 22 С 38/60 от 07.11.1989 г. Бюл. №41). Недостатком данной стали является относительно высокое содержание азота и отсутствие в композиции элементов, защищающих бор от связывания в нитриды, что в ряде случаев не позволит достичь заявляемого авторами эффекта по повышению характеристик прокаливаемости.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой стали является сталь, содержащая (мас.%): углерод 0.42-0.50%, кремний 0.17-0.37%, марганец 0.50-0.80%, серу - не более 0.040%, фосфор - не более 0.035%, остальное железо. Примеси: хром - не более 0.25%, никель - не более 0.30%, мышьяк - не более 0.08%, азот - не более 0.008%, медь - не более 0.30% (Марочник сталей и сплавов. /Под редакцией А.С.Зубченко, М., Машиностроение, 2003, стр.102).

Недостатком данной стали является нерегламентированное содержание серы, что приведет к существенному ухудшению характеристик резания, снижению стойкости режущего инструмента, увеличению нагрузок на инструмент при нижнем уровне содержания серы в предложенном интервале, т.е. менее 0.012%. Также к числу недостатков следует отнести отсутствие в ее составе модифицирующих элементов, таких как кальций, что будет способствовать наличию в стали вытянутых сульфидных включений, и, как следствие, повышенной анизотропии механических свойств горячекатаного проката.

Задачей изобретения является повышение характеристик обрабатываемости резанием при одновременном повышении характеристик прокаливаемости при обеспечении сквозной прокаливаемости сортового проката диаметром до 20 мм.

Поставленная задача достигается тем, что

1. Предложена сталь, содержащая: углерод, марганец, кремний, серу, фосфор, железо и неизбежные примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит алюминий, кальций и кислород, при следующем соотношении компонентов в мас.%:

углерод	0.42-0.50
марганец	0.50-0.80
кремний	0.17-0.37
сера	0,020-0,040
фосфор	0.001-0.030
алюминий	0.03-0.05
кальций	0.001-0.010
кислород	0.001-0.015

железо и неизбежные примеси - остальное, при этом соотношение содержания кислорода и кальция, а также отношение кальция и серы определяются по следующим зависимостям: кислород/кальций=1÷4.5 и кальций/сера0.065.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в качестве примесей она дополнительно содержит хром, никель, медь, молибден, мышьяк и азот в следующем соотношении, в мас.%:

хром	не более 0.25%
никель	не более 0.25%
медь	не более 0.25%
молибден	не более 0.10%
мышьяк	не более 0.08%,
азот	не более 0.015%

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит неметаллические включения, имеющие двухслойную структуру - сульфид с оксидной оболочкой.

Приведенные сочетания легирующих элементов (п.1) позволяют получить в предлагаемой стали (пруток горячекатаного сортового проката круглого диаметром до 20 мм), благоприятную пластинчатую структуру с глобулярными сэндвич-включениями, что обеспечивает, с одной стороны, повышенные характеристики резания даже широкими резцами при поперечной подаче режущего инструмента, с другой стороны, благоприятное сочетанием характеристик прочности и пластичности.

Углерод вводится в композицию данной стали с целью обеспечения заданного уровня ее прочности и прокаливаемости. Верхняя граница содержания углерода (0.50%) обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - соответственно 0.42% - обеспечением требуемого уровня прочности и прокаливаемости данной стали.

Марганец используется, с одной стороны, как упрочнитель твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита стали. При этом верхний уровень содержания марганца - 0.80% определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.50%, соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости данной стали.

Кремний относится к ферритообразующим элементам. Нижний предел по кремнию - 0.17% обусловлен технологией раскисления стали. Содержание кремния выше 0.37% неблагоприятно скажется на характеристиках пластичности стали.

Сера определяет уровень пластичности стали. Верхний предел (0.040%) обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний предел (0.020%) - вопросами технологичности производства, а также обеспечением заданного уровня обрабатываемости резанием данной стали.

Фосфор - элемент, способствующий увеличению характеристик резания стали. При этом верхний уровень содержания фосфора - 0.030% обусловлен необходимостью предотвращения развития процессов обратимой отпускной хрупкости стали, а также обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.0010%, соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.

Кальций - элемент, модифицирующий неметаллические включения. Верхний предел (0.010%), как и в случае серы, обусловлен необходимостью получения заданного уровня пластичности и вязкости стали, а нижний (0.001%) предел - вопросами технологичности производства.

Кислород, образуя оксидную пленку на сульфидах, способствует повышению обрабатываемости стали резанием при одновременном сохранении высокого комплекса потребительских свойств стали. При этом верхний уровень содержания кислорода - 0.015% обусловлен необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижний - 0.001%, соответственно, необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и обрабатываемости резанием стали.

Соотношения:

Соотношение кислород/кальций=1÷4.5 отвечает за возможность образования сэндвич-неметаллического включения. При этом верхняя граница соотношения - 4.5 обусловлена необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали, а нижняя - 1, соответственно, возможностью образования двухслойного сэндвич-неметаллического включения.

Соотношение кальций/сера0.065% определяет условия образования глобулярных неметаллических включений (сульфидов). Если выполняется данное соотношение, то сульфиды - глобулярные, в противном случае в стали присутствуют вытянутые сульфиды, что повышает анизотропию свойств стали и ухудшает соотношение прочность-вязкость, особенно сильно в поперечном направлении проката.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав отличается от известного введением новых компонентов - алюминия, кальция и кислорода, а также соотношениями: кислород/кальций=1÷4.5 и кальций/сера0.065%.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой достигался бы сходный эффект - повышение характеристик обрабатываемости резанием при сохранении благоприятного соотношения прочность-пластичность и вязкость стали.

Следовательно, заявляемая, совокупность признаков соответствует критерию "существенные отличия".

Ниже даны примеры осуществления предлагаемого изобретения, не исключая других в объеме формулы изобретения.

Выплавку опытной партии исследуемой стали (химический состав представлен в таблице 1) проводили в 150-ти тонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП-150, мощность трансформатора 80 мВа) с использованием в шихте 60% металлизованных окатышей и 40% металлического лома, что обеспечивает получение массовой доли азота перед выпуском из ДСП не более 0,003%, а также низкое содержание цветных примесей. Предварительное легирование металла по марганцу и кремнию проводили в ковше при выпуске из ДСП (Выпуск в ковш перекисленного металла. Раскисление металла - при выпуске алюминием, ферросилицием - раскисление, легирование - FeMn(SiMn), FeCr). После выпуска проводили продувку металла аргоном через донный продувочный блок 5-7 мин. Затем вакуумирование на порционном вакууматоре, при этом производится легирование (тонкое) - углерод, марганец и кремний. После вакуумирования - обработка на печи-ковше. За 15-30 минут до окончания обработки вводится окислитель, в данном случае - окисленные окатыши. Затем снова вводили алюминий (проволокой). За 10-15 минут обработка порошковыми проволоками с силикокальцием и чистой серой. Разливку стали проводили на сортовой УНРС радиального типа в НЛЗ 300×360 мм со скоростью вытягивания 0,6-0,7 м/мин. При разливке осуществлялась защита струи от вторичного окисления следующим образом:

- стальковш-промковш - погружная труба с подачей аргона

- промковш - шлакообразующая смесь

- промковш-кристаллизатор - погружной стакан (корундографитовый)

- в кристаллизаторе - шлакообразующая смесь.

После разливки и пореза на мерную длину непрерывнолитые заготовки охлаждали в печах контролируемого охлаждения. Далее слитки прокатывали на стане 700 в заготовку (квадрат 170 мм). Вся исходная заготовка подвергалась правке, очистке от окалины, контролю поверхности. Нагрев заготовки перед прокаткой производили в двух методических печах с шагающим подом. Температура нагрева заготовки - 900°С, что обеспечивает снижение энергозатрат на 15% и значительно снижает обезуглероживание проката. Окалину с поверхности заготовки удаляли водой высокого давления на установке гидросбива окалины. Прокатку вели в непрерывных линиях - мелкосортной и среднесортной. Высокая жесткость клетей, автоматическое согласование скорости клетей, система петлерегулирования в чистовой группе мелкосортной линии позволили получить прокат высокой точности. Отделку проката осуществляли вне потока. Отделка включала в себя операции правки, контроля поверхностных дефектов и ультразвуковой контроль внутренних дефектов, выборочную абразивную зачистку, сплошную абразивную шлифовку, обточку прутков круглого проката. Точность проката после обточки соответствует квалитету h11. На установке "БУНТ-ПРУТОК" из мотков горячекатаного проката получают обточенные прутки длиной до 6 метров с точностью порезки ±5 мм.

Механические свойства представлены в таблице 2.

Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь по сравнению с известной имеет более высокие характеристики обрабатываемости резанием при благоприятном соотношении прочности и пластичности.

Внедрение предложенной стали повышенной обрабатываемости резанием обеспечивает получение двухслойных сэндвич-неметаллических включений, гарантирующих, с одной стороны, обеспечение повышенных характеристик резанием, с другой стороны, - благоприятное соотношение прочности, пластичности и вязкости стали.

Таблица 1. ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ ПРЕДЛАГАЕМОЙ И ИЗВЕСТНОЙ СТАЛИ
Номер плавки	Содержание элементов, мас.%																Соотношение
	С	Mn	Si	S	Р	Al	Са	O	Cr	Ni	Cu	Мо	As	N		Fe	1*	2*
Предлагаемая сталь
1	0.42	0.50	0.37	0.020	0.022	0.03	0.003	0.003	0.02	0.01	0.12	0.02	0.01	0.007		ост.	1	0.150
2	0.44	0.70	0.25	0.025	0.005	0.05	0.002	0.002	0.11	0.11	0.05	0.01	0.01	0.008		ост.	1	0.080
3	0.46	0.80	0.27	0.029	0.020	0.03	0.002	0.007	0.21	0.14	0.08	0.09	0.02	0.010		ост.	3.5	0.069
4	0.48	0.60	0.20	0.040	0.015	0.04	0.004	0.015	0.15	0.19	0.06	0.03	0.03	0.010		ост	3.35	0.100
5	0.50	0.60	0.17	0.035	0.030	0.04	0.003	0.012	0.14	0.22	0.09	0.04	0.04	0.011		ост	4	0.086
За пределами заявляемого
6	0.40	0.45	0.17	0.045	0.005	0.02	0.002	0.001	0.28	0.15	0.14	0.01	0.05	0.012	ост		0.5	0.022
7	0.45	0.85	0.38	0.021	0.020	0.02	0.001	0.005	0.21	0.27	0.22	0.03	0.01	0.014	ост		5	0.048
8	0.51	0.81	0.16	0.031	0.040	0.06	0.001	0.003	0.19	0.17	0.26	0.02	0.01	0.016	ост		3	0.032
9	0.53	0.44	0.25	0.01	0.008	0.05	0,001	0.015	0.18	0.18	0.27	0.02	0.10	0.009	ост		15	0.100
Известная сталь
10	0.45	0.66	0.25	0.011	0.012	-	-	-							ост
Соотношение 1* - кислород/кальций,										Соотношение 2* - кальций/сера

Таблица 2. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРЕДЛАГАЕМОЙ И ИЗВЕСТНОЙ СТАЛИ
Плавка	Временное сопротивление, в, МПа	Относительное удлинение, ,%	Относительное сужение, , %	Твердость НВ	Размер действительного зерна, балл	Результаты переработки в условиях действующего производства ОАО «СААЗ»
Предлагаемая сталь
1	650	12	44	229-241	6-8	Без замечаний
2	670	10	40	229-241	6-8	Без замечаний
3	670	10	35	229-241	7-8	Без замечаний
4	690	8	35	241-255	7-8	Без замечаний
5	680	9	39	229-241	5-7	Без замечаний
За пределами заявляемого
б	630	15	45	217-229	6-8	Поломки штоков
7	630	14	42	217-229	7-9	Повышенный расход инструмента
8	680	9	33	255-269	6-8	Повышенный расход инструмента
9	670	9	31	255-269	5-6	Поломки штоков
Известная сталь
10	680	10	38	229-241	4-8	Повышенный расход инструмента