Стали повышенной обрабатываемости

К сталям повышенной обрабатываемости резанием (автоматные стали) относятся стали, с высоким содержанием серы и фосфора, а также стали специально легированные селеном, теллуром или свинцом.

Указанные элементы способствуют повышению скорости резания, уменьшают силу резания и изнашиваемость инструмента, улучшают чистоту и размерную точность обработанной поверхности, облегчают отвод стружки из зоны резания и ряд других факторов обрабатываемости.

Влияние перечисленных легирующих элементов на улучшение обрабатываемости резанием происходит в основном благодаря изменению свойств a- и g - твердого раствора (фосфор), изменению состава, свойств и морфологии неметаллических включений (сера, селен, теллур), образованию металлических включений, не растворимых в твердом растворе (свинец). Однако, кроме легирования, обрабатываемость резанием существенно зависит от твердости материала, его структуры, т.е. от предварительной термической обработки перед резанием. Крупнозернистая сталь лучше обрабатывается резанием, также заметно влияет характер перлита: пластинчатый обрабатывается лучше, чем зернистый.

Эффективность влияния элементов, существенно улучшающих обрабатываемость, зависит от технологии производства сталей, особенно от выплавки и раскисления.

Стали повышенной и высокой обрабатываемости регламентируются ГОСТ 1414 – 75.

В таблицах 5 и 6 приведены данные о составе, термической обработке и механических свойствах некоторых сталей.

Таблица 5

Таблица 6

Стали повышенной обрабатываемости резанием обозначают буквой «А» - автоматные стали. В селенсодержащих сталях после наименования марки ставится дополнительно буква «Е», а в свинецсодержащих сталях буква «С» ставится после буквы «А». В сталях с повышенным содержанием серы или фосфора, кроме буквы «А», другие обозначения не предусмотрены.

Эффект улучшения обрабатываемости в различных группах сталей обусловлен разными причинами. В сталях А12, А20, А30, А40Г благодаря высокому содержанию серы (0,08 – 0,15 % S) и повышенному содержанию марганца образуется большое количество сульфидов марганца, вытянутых вдоль прокатки. Эти включения ослабляют прокат в поперечном направлении и способствуют отделению стружки от изделия и ее ломкости. Роль повышенного содержания фосфора состоит в охрупчивании a - твердого раствора, а также улучшения процесса стружкообразования и качества обрабатываемой поверхности. Однако по этим же причинам автоматные сернистые стали имеют значительно более низкие механические свойства, чем аналогичные стали с нормальным содержанием серы (£0,04%) и фосфора (£0,03%). Поэтому сернистые автоматные стали используют лишь для изделий неответственного назначения.

В селенсодержащих сталях (А35Е, А40ХЕ и др.) селен входит в состав неметаллических включений (селенидов и сульфаселенидов) и обеспечивает глобуляризацию сульфидных включений. Глобулярные включения не оказывают отрицательного влияния на свойства стали. Поэтому селенсодержащие и серосодержащие стали по контролируемым свойствам обычно не уступают аналогичным исходным сталям. Стали с селеном значительно превосходят чисто сернистые стали по пластическим и вязким свойствам. Селен не ухудшает хладостойкости стали. Аналогично селену влияет на свойства стали теллур.

В свинецсодержащих сталях (АС40, АС30ХМ и др.) свинец существует в химически несвязанном состоянии в виде равномерно распределенных в металле дисперсных частиц. Свинец не влияет на механические свойства при растяжении, порог хладноломкости стали, склонность к отпускной хрупкости, прокаливаемость и другие свойства. Лишь в высокопрочных сталях (s_в ³ 1600 МПа) возможно небольшое уменьшение предела усталости и незначительное увеличение анизотропии пластических и вязких свойств. По этим причинам селен и свинец широко применяют для улучшения обрабатываемости резанием стали.

Рельсовые стали

Рельсовые стали – это группа углеродистых сталей, дополнительно легированных кремнием и марганцем. Углерод придает стали такие характеристики, как твердость и износостойкость. Марганец увеличивает эти качества и повышает вязкость. Кремний также делает рельсовую сталь более твердой и износостойкой. С целью улучшения структуры и качества рельсовых сталей может быть использовано микролегирование ванадием, титаном и цирконием.

Наиболее распространенными марками рельсовых сталей являются: М74Ц, М68, М 74 и др.

Макроструктура большинства углеродистых рельсовых сталей представляет собой пластинчатый перлит с небольшими прожилками феррита на границах перлитных зерен. Значительная твердость, сопротивление износу и вязкость углеродистых сталей достигаются приданием им однородной сорбитной структуры (с помощью специальной термической обработки).

После горячей прокатки все рельсы подвергают изотермической обработке для удаления водорода с целью устранения возможности образования флокенов. Рельсы поставляют для эксплуатации на железных дорогах незакаленными (сырыми) по всей длине. Концы сырых рельсов подвергают поверхностной закалке с прокатного нагрева или с нагрева ТВЧ. Длина закаленного слоя от торца рельса 50 – 80 мм, а твердость закаленной части НВ = 311 – 401. Сырые рельсы из стали М76 должны иметь: s_в ³ 900 МПа и d ³ 4 %. Технология изготовления рельсов должна гарантировать отсутствие в них вытянутых вдоль направления прокатки строчек неметаллических включений (глинозема) длиной более 2 (группа I) и более 8 мм (группа II), так как подобные строчки служат источником зарождения трещин контактной усталости в процессе эксплуатации.

В качестве термической обработки наиболее широко используется объемная закалка рельсов в масле по всей длине.

Технология термической обработки путем объемной закалки включает нагрев рельса в печи до температуры 840 – 850 ^оС, закалку в масле в специальной закалочной машине, отпуск при температуре 450 ± 15 ^оС в течение 2 часов. В результате закалки сталь приобретает структуру сорбита отпуска. Термоупрочненные таким способом рельсы из сталей М74 и М76 должны иметь твердость на поверхности катания НВ = 341 – 388 и механические свойства: s_в ³ 1200 МПа; s_0,2 ³ 800 МПа; d ³ 6 %; y ³ 25 %; KCU ³ 0,25 МДж/м². Термически обработанные путем объемной закалки в масле рельсы обладают в 1,5 – 2,0 раза более высокой эксплуатационной стойкостью, чем стандартные термически необработанные рельсы.

Дальнейшее повышение эксплуатационной стойкости термически упрочненных рельсов может быть достигнуто легированием рельсовой стали небольшими добавками ванадия; применением сталей типа 75Х1С, 75ХГМФ и др.; а также применением термомеханической обработки.