Нержавіюча сталь феритної структури з покращеною оброблюваністю, яка застосовується переважно у галузі обробки на прутковому токарному автоматі

1 Нержавеющая сталь ферритной структуры с улучшенной обрабатываемостью, применяемая преимущественно в области обработки на прутковом токарном автомате, включающая углерод, кремний, марганец, никель, хром, серу, кальций и кислород, отличающаяся тем, что она включает углерод < 0,17 %, кремний < 2,0 %, марганец < 2,0%, хром (11-20)%, никель < 1,0 %, серу ЗО 10 4 %, кислород > 70 10 %, причем соотношение между кальцием и кислородом удовлетворяет зависимости 0,2 s Са/О s 0,6 2 Нержавеющая сталь ферритной структуры по п 1, отличающаяся тем, что она включает углерод < 0,12 %, кремний < 2,0%, марганец 70 10 4 %, причем соотношение между кальцием и кислородом удовлетворяет зависимости 0,3570 10 %, причем соотношение между содержанием кальция и кислорода удовлетворяет зависимости 0,35 s Са/О s 0,6 4 Нержавеющая сталь ферритной структуры по п 1 или 3, отличающаяся тем, что она включает менее 0,035 % серы 5 Нержавеющая сталь ферритной структуры по п 1 или 3, отличающаяся тем, что она включает 0,15-0,45% серы 6 Нержавеющая сталь ферритной структуры по любому из пп 1-3, отличающаяся тем, что она содержит 0,05-0,15 % серы 7 Нержавеющая сталь ферритной структуры по любому из пп 1-6, отличающаяся тем, что она содержит менее 3,0 % молибдена 8 Нержавеющая сталь ферритной структуры по любому из пп 1-7, отличающаяся тем, что она содержит кремний-ал юминатные известковые включения анортитного и/или псевдоволластонитного и/или геленитноготипа О о о> о> го Настоящее изобретение касается металлургии, в частности, нержавеющей стали ферритной структуры с улучшенной обрабатываемостью, используемой преимущественно в области обработки на прутковом токарном автомате Нержавеющими сталями называют сплавы железа, содержащие, по крайней мере, 10,5% хрома В состав сталей вводят другие элементы, чтобы модифицировать их структуру и их свойства Известны четыре типа семейств нержавеющих сталей, дифференцированных по их структуре, это - нержавеющие стали с мартенситной структурой, - нержавеющие стали с аустенитной структурой, - нержавеющие стали с аустено-ферритной структурой, Зоя рой - нержавеющие стали с ферритной структу Ферритные нержавеющие стали (или, что то же самое, нержавеющие стали ферритной структуры) характеризуются определенным составом, причем ферритная структура особенно обеспечивается после прокатки и охлаждения сплава путем термообработки отжигом, которая придает им вышеуказанную структуру Из четырех больших семейств ферритных нержавеющих сталей, определяемых особенно в зависимости от содержания в них хрома и углерода, можно назвать - нержавеющие ферритные стали, которые могут содержать вплоть до 0,17% углерода Эти стали после охлаждения, которое следует за их выработкой, имеют двухфазную аустено-феррит 39190 ную структуру Они превращаются в нержавеющие ферритные стали после отжига, несмотря на относительно высокое содержание углерода, - нержавеющие ферритные стали, содержание хрома в которых варьирует в пределах 1112% Они довольно близки к мартенситным ста лям, содержащим 12% хрома, но отличаются содержанием в них углерода, которое отчетливо меньше Например, в нижеследующей таблице представлен ряд ферритных и мартенситных сталей с предписанным нормой содержанием углерода Предписанное нормой содержание Марка Ферритные Мартенситные А1 А1 А1 А1 А1 S1 S1 S1 S1 S1 430(Z8C17) 434= (Z8CD17-01) 430 F=(Z1 ОС F) 420A(Z20C13) 426(Z12CF13) - нержавеющие ферритные стали с 17% хрома Они являются наиболее обычными Среди них существуют многочисленные варианты, в особенности в отношении содержания углерода Добавление молибдена позволяет улучшать их устойчивость к коррозии Вообще, ферритную структуру сталей предпочтительно получают путем ограничения количества карбида хрома, так что большинство нержавеющих ферритных сталей имеет содержание углерода менее 0,12%, даже 0,08%, - нержавеющие ферритные стали с 17 % хрома, стабилизированные за счет добавления элементов, обладающих сильным сродством к углероду или азоту, таких, как титан, ниобий,цирконий, - нержавеющие ферритные стали с высоким содержанием хрома, обычно выше 24% С точки зрения металлургии известно, что некоторые элементы, содержащиеся в составе стали, благоприятствуют появлению ферритной фазы с центрированной кубической структурой Эти элементы называют альфа-генами (alphagenes) Среди них фигурируют хром и молибден Другие, так называемые гамма-гены, элементы благоприятствуют появлению гамма-аустенитной фазы кубической структуры с центрированными гранями Среди этих элементов фигурируют никель, также как углерод и азот Во время горячей прокатки сталей структура ее может быть двухфазной, ферритной и аустенитной Если, например, охлаждение энергичное, то конечная структура ферритная и маргенситная Если охлаждение более медленное, то аустенит частично разлагается на феррит и карбиды, но с большим содержанием карбидов, чем окружающая матрица, причем аустенит при нагревании солюбилизирует больше углерод, чем феррит В обоих случаях, отпуск или отжиг, следовательно, нужно осуществлять на подвергнутых горячей прокатке и охлажденных сталях для генерирования полностью ферритной структуры Отпуск можно проводить при температуре около 820°С, ниже температуры А1 перехода альфа^гамма, которая вызывает осаждение карбидов Также можно осуществлять отжиг при более высокой температуре, как, например, 870°С, которая приводит к более заметному понижению твердости мартенсита, но вызывает частичное превращение в аустенит Медленное охлаждение тогда является необходимым для разложения образовавшегося аустенита на феррит и карбиды, избегая таким образом образования нового мартенсита При выработке ферритных, так называемых стабилизированных сталей, углерод комбинируется со стабилизирующими элементами, такими, как титан и/или ниобий, и более не участвует в образовании гамма-генной фазы, причем более не находится в матрице В этом случае можно получать после горячей прокатки сталь, структура которой целиком ферритная С точки зрения физических свойств, наиболее явное различие между ферритными сталями и аустенитными сталями - это ферромагнитное поведение первых Удельная теплопроводность ферритных сталей очень низкая Она составляет величину между таковой мартенситных сталей и таковой аустенитных сталей при комнатной температуре Она эквивалентна удельной теплопроводности аустенитных сталей при температурах в пределах 8001000°С, температурах, которые соответствуют температурам сталей во время обработки Сточки зрения обработки коэффициент теплового расширения ферритных сталей составляет около 60 %, и более высокий, чем таковой аустенитных сталей Кроме того, ферритные стали имеют отчетливо худшие механические характеристики, чем таковые мартенситных и аустенитных сталей (с учетом того, что коэффициент теплового расширения для феррита -11 1 0 8 % °С1, а для аустенита -1710 % °С 1) В качестве примера в нижеследующей таблице представлен ряд нержавеющих ферритных, мартенситных, аустенитных сталей и соответствующие механические характеристики сопротивления на разрыв (Rm) Нержавеющая сталь Ферритная Мартен ситная Аустенитная С < 0,12% С < 0,12% С < 0,12% 0,15% < С < 0,24% 0,08% < С < 0,15% А1 S1 430 (Z8 С 17) А1 S1 430F(Z20, CF17) А1 S1 420A(Z20C13) А1 S1 420B(Z33C13) F162PH (Z7CNU 16 04) (закаленная) A1 S1 304 (Z6CNT 1810) Rm по норме, (МПа) 440-640 440-640 700-850 850-1000 930-1100 510-710 39190 При выработке сталей с ферритными структурами напряжения текучести при температурах прокатки отчетливо меньшие, чем таковые аустенитных сталей или мартенситных сталей В силу этого прокатку осуществляют при относительно более низких температурах В качестве показательного примера напряжение текучести при температуре прокатки 1100°С и для скорости деформации 1с 1 составляет 110 МПа для мартенситной стали типа А1 S1 420 А, 130 МПа для аустенитной стали типа А1 S1 304, тогда как оно составляет 30 МПа для ферритной стали типа А1 S1 430 Стали ферритной структуры не подвергают быстрому охлаждению типа закалки или резкой закалки, как мартенситные или аустенитные стали Напротив, их обычно подвергают различным специфическим термообработкам, которые придают им их структуру Целью различных термообработок также является гомогенизация хрома в виде элемента и избежание образования карбида хрома и появления обедненных хромом зон Например, стали ферритной структуры с 17 % хрома, не стабилизированные, после прокатки имеют ферритную и мартенситную структуру Термообработка обеспечивает, с одной стороны, превращение мартенсита в феррит и карбиды, и, с другой стороны, равномерное распределение хрома В области их использования нержавеющие ферритные стали вызывают проблемы обрабатываемости, очень отличные от таковых, встречающихся в случае нержавеющих сталей аустенитной или мартенситной структуры За прототип заявляемого изобретения принята нержавеющая сталь ферритной структуры с улучшенной обрабатываемостью, применяемая преимущественно в области обработки на прутковом токарном автомате, включающая углерод, кремний, марганец, никель, хром, серу, кальций и кислород (ЕР 0 403 332, МПК* С22С 38/60, опубл 19 12 90, Bulletin 90/51) Недостатком известной стали является плохая конфигурация стружки Она дает сливные и запутанные стружки, которые очень трудно фрагментировать Тогда операторам необходимо оставаться около машины для освобождения режущих инструментов Этот недостаток может стать очень отягчающим в способах обработок, где стружка находится в закрытом пространстве ("заперта"), как, например, при глубоком сверлении, поперечной распиловке Решением этой проблемы является обработка с повышенной скоростью резания, чтобы вызвать фрагментацию стружки, однако, с одной стороны, повышение скорости резания критически снижает срок службы режущих инструментов, и, с другой стороны, машины не позволяют всегда достигать достаточно высоких скоростей, в особенности во время реализации маленьких диаметров, особенно при обработке на прутковом токарном автомате Другим решением, предлагаемым для избежания проблем обработки ферритных сталей, является введение серы в их состав Сера образует с марганцем сульфиды марганца, которые оказывают благоприятное воздействие на фрагмента цию стружек и дополнительно на срок службы режущих инструментов Однако, сера ухудшает свойства ферритной стали, особенно деформируемость в горячем и холодном состоянии и устойчивость к коррозии Вышеуказанные ферритные стали обычно содержат жесткие (твердые) включения типа хромита (Cr Mn, Al Ti)O, глинозема (AIMg)O, силиката (SiMn)O, абразивные для режущих инструментов Оказалось, что ферритные ресульфированные стали хорошо обрабатываются, однако, кроме устойчивости к коррозии, также весьма ухудшаются механические свойства в поперечном направлении В основу изобретения поставлена задача улучшения механических характеристик нержавеющей стали ферритной структуры с улучшенной обрабатываемостью путем оптимизации количественного и качественного состава входящих в нее ингредиентов, в частности, серы и углерода, в результате чего в составе стали образуется оптимальное количество сульфидов марганца, способствующих снижению напряжения текучести стали и легкому деформированию присутствующих в ней ковких оксидов, что обуславливает фрагментацию стружек и тем самым облегчает условия обработки стали и увеличивает срок службы режущих инструментов Поставленная задача достигается за счет того, что нержавеющая сталь ферритной структуры с улучшенной обрабатываемостью, применяемая преимущественно в области обработки на прутковом токарном автомате, включающая углерод, кремний, марганец, никель, хром, серу, кальций и кислород, согласно изобретения, включает углерод (С) < 0,17 %, кремний (Si) < 2,0 %, марганец (Мп) < 2,0%, хром (Сг) (11-20)%, никель (Ni) < 1,0 %, серу (S) ЗОЮ 4 %, кислород (О) > 7 0 1 0 4 %, причем соотношение между кальцием и кислородом Са/О удовлетворяет зависимости 0,2 < Са/О < 0,6 Предлагаемая сталь может также включать углерод (С) < 0,12 %, кремний (Si) < 2,0%, марганец (Мп) < 2,0%, хром (Сг) (15 -19)%, никель (Ni) < 1,0%, серу (S) 3510 4 %, кислород (О) > 7010 4 %, причем в этом случае соотношение между кальцием и кислородом Са/О удовлетворяет зависимости 0,35 < Са/О < 0,6 Кроме того, нержавеющая сталь может также включать углерод (С) < 0,08%, кремний (Si) < 2,0%, марганец (Мп) < 2,0 %, хром (Сг) (15-19)%, никель (Ni) < 1,0%, серу (S) 3510 %, кислород (О) > 7010 4 %, причем соотношение между содержанием кальция и кислорода Са/О будет удовлетворять зависимости 0,35 Са/О < 0,6 Заявляемая нержавеющая сталь ферритной структуры может включать менее 0,035 % серы, возможен состав, который включает 0,15-0,45 % серы, либо 0,05-0,15 % серы, кроме того, сталь может содержать менее 3,0 % молибдена, а также содержит кремний-алюминатные известковые включения анортитного и/или псевдоволластонитного и/или геленитноготипа Изобретение лучше понятно из нижеследующего описания и прилагаемых иллюстраций, при 39190 чем все они, данные в качестве примера, не ограничивают объема охраны изобретения На фиг 1 и 2 представлена диаграмма конфигурации (конформации) стружек в зависимости от условий обработки соответственно для нересульфированной известной ферритной стали A1S1 430, обозначаемой А, и для аустенитной стали A1S1 304 На фиг 3 приводятся различные конфигурации стружек, происходящих от обработки на прутковом токарном автомате различных металлов На фиг 4 представлена тройная диаграмма, на которой указаны составы ковких оксидов, вводимых в состав ферритной стали согласно изобретению На фиг 5 и 6 представлена диаграмма конфигурации стружек в зависимости от условий обработки соответственно для ресульфированной ферритной стали С, известной под названием А1 S1 430 F, и для ферритной ресульфированной стали S согласно изобретению Фиг 7 представляет собой схему, содержащую три характерных кривых испытания на обрабатываемость, одна из которых соответствует стандартной стали А, а две других соответствуют двум сталям согласно изобретению С1 и С2 и содержат мало серы На фиг 8 представлена схематическая диаграмма конфигурации стружек в зависимости от движения подачи режущего инструмента и глубины резки (прохождения) обработки для стали С2 согласно изобретению В области обрабатываемости нержавеющих сталей вообще и в зависимости от различных структур используемых сталей, встречающиеся проблемы оказываются, с одной стороны, различными, но также особенно специфическими Проблемы, возникающие во время обработки ферритных сталей, близки к проблемам, встречающимся во время обработки аустенитных или мартенситных сталей Например, нержавеющие аустенитные стали обладают тем недостатком, что они наклёпываются и очень быстро изнашивают режущие инструменты, конфигурация стружек плохая, но без сравнения с таковой ферритных сталей На фиг 1 и 2 представлена диаграмма конфигурации стружек в зависимости от движения подачи и глубины резки (прохождения) обработки, определенная, соответственно, для нересульфированной ферритной стали А1 S1 430, соответствующей стандарту А, и для аустенитной стали А1 S1 304 Для того, чтобы можно было сравнивать конфигурации стружек, на фиг 3 представлена таблица, в которой с различными конфигурациями стружек ассоциируется коэффициент, включающий несколько последовательных цифр, причем первая цифра определяет различные общие изображения стружки, образующие колонки таблицы, такие, как 1 = стружка в виде полосы, 2 = трубчатая стружка, 3 = спиральная стружка, 4 = геликоидальная стружка в виде кольца, 5 = геликоидальная коническая стружка, 6 = стружка в виде дуги, 7 = элементарная стружка, 8 = иглообразная стружка, а вторая цифра указывает характеристику в отношении размера и формы, зарегистрированную в каждой из колонок, такие, как 1 = длинная, 2 = короткая, 3 = спутанная, 4 = плоская, 5 = коническая, 6 = соединенная, 7 = разделенная Нержавеющие мартенситные стали имеют высокие механические характеристики, что вызывает значительные температуры резки и быстрый износ режущих инструментов (резцов) Вследствие незначительных механических характеристик нержавеющих сталей с ферритной структурой вышеуказанные стали нельзя подвергать таким же способом обработки и они не дают такого же износа режущих инструментов, как таковые мартенситных сталей Существует два типа нержавеющих ферритных сталей в зависимости от содержания в них серы - автоматные стали, которые содержат серы в количестве 0,15-0,55% Этот тип стали, используемый для обработки на прутковом токарном автомате, обладает хорошей обрабатываемостью во вред устойчивости к коррозии, - стандартные стали, которые имеют содержание серы ниже 0,035% Этот тип стали имеет хорошую устойчивость к коррозии, но плохо или совсем не обрабатывается именно из-за затруднений, встречающихся при обработке на прутковом токарном автомате, - стали, имеющие промежуточные содержания серы, соответствующие количеству в пределах 0,05-0,15%, не выпускаемые в продажу В самом деле, их обрабатываемость только очень умеренно улучшена для этих содержаний серы по сравнению с так называемыми ресульфированными сталями Они не имеют реального преимущества в отношении недостатка, которым остается ухудшение устойчивости к коррозии Согласно изобретению, нержавеющая ферритная сталь с улучшенной обрабатываемостью, используемая особенно в области обработки на прутковом токарном автомате, включает в свой состав по весу менее 0,17% углерода, менее 2% кремния, менее 2% марганца, 11-20% хрома, менее 1 % никеля, менее 0,55% серы, более 30-Ю 4 % кальция и более 70-Ю 4 % кислорода, причем сталь после выработки подвергают отжигу для придания ей ферритной структуры Наличие никеля в составе, возникающем при промышленном получении стали, представляет собой величину только как остаточного элемента, причем это количество стремятся уменьшить или даже ликвидировать Введение регулируемым и произвольным образом кальция и кислорода в повышенных количествах, и удовлетворение соотношения 0,2 < Са/О 62 г . Движение подачи (мм/оборот) 5.1 tt для стали AISI304 Фиг. 2 Фиг. 3 39190 / псевдо50/волластонит/ анортит т Фиг. 4 процентное содержание % 2со О) о. та х VD >^ с; Даижение подачи (мм/оборот) для стали С Фиг. 5 39190 6.2 Движение подачи (мм/оборот) для стали S Фиг. 6 aoo-1 время(мин) Фиг. 7 39190 Движение подачи (мм/оборот) для стали ФИГ. 8 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03 10 39190 11 39190 Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03 12