Вместе с тем, в конструкциях автомобилей большое количество деталей, контактирующих с выхлопными газами, изготавливаются из аустенитной нержавеющей стали. Поэтому улучшение обрабатываемости резанием хромо-никелевых сталей является актуальной задачей.
Исследования выполнены на стали 12Х18Н10Т (базовый вариант), стали 12Х18Н10Т с микродобавками и сталях с повышенным содержанием никеля. Введение в состав нержавеющих аустенитных сталей ряда элементов позволяет сформировать включения избыточных фаз определенного состава и морфологии, которые, являясь концентраторами пластической деформации, облегчают стружкообразование и обрабатываемость резанием.
Реализуя данный подхода, выполнено дополнительное легирование аустенитных нержавеющих сталей селеном; селеном и теллуром; селеном, теллуром и модифицирование силикокальцием; а также увеличено содержание серы.
Легирование селеном приводит к образованию значительного количества селенидов пластинчатой формы с микротвердостью по Кнупу в пределах 106 - 182 ед. Теллур меняет состав, свойства и форму включений,: имеет место их измельчение и увеличение микротвердости в 1,5 - 2 раза. В то же время, модифицирование стали силикокальцием незначительно влияет на морфологию и микротвердость включений.
Механические свойства стали после всех вариантов легирования приведены в таблице 1.
Таблица 1. Значения механических свойств стали
|
Вариант |
σв, МПа |
σ0,2 , МПа |
δ, % |
ψ, % |
KСU, кДж/м2 |
НВ |
|
12Х18Н10Т (базовый) |
615 |
300 |
52,8 |
71,3 |
258 |
156 |
|
12Х18Н10Т (+Se) |
620 |
305 |
52,8 |
63,7 |
335 |
149 |
|
12Х18Н10Т (+ Se + Te) |
615 |
295 |
52,8 |
69,6 |
208 |
146 |
|
12Х18Н10Т (+ Se + Те + SiCa) |
605 |
275 |
54,0 |
68,2 |
210 |
145 |
|
А10Х16Н15Т |
570 |
480 |
58,5 |
71,5 |
- |
127 |
|
12Х18Н10Т (ГОСТ 5949-75) |
не менее 520 |
не менее 200 |
не менее 40 |
не менее 50 |
- |
- |
Видно, что механические свойства всех вариантов соответствуют ГОСТ 5949-75, а микролегирование существенно не ухудшает свойств стали (по сравнению с базовым вариантом).
Отработка химического состава стали велась в следующих направлениях. Существенным недостатком стали 12Х18Н10Т, ухудшающим обрабатываемость резанием, является неустойчивость аустенита, что может в процессе технологического передела и в процессе обработки резанием приводить к появлению феррита или мартенсита. Необходимо обеспечить стабильность аустенита при кристаллизации и деформировании в разных температурных условиях, что может быть достигнуто повышением содержания никеля и приближением стали к составу типа Х16Н15.
Для улучшения обрабатываемости резанием в состав стали вводится сера. В этой ситуации в стали должен быть марганец, предохраняющий сернистую сталь от красноломкости и образующий сульфиды марганца MnS, которые служат концентраторами напряжений, уменьшая степень деформации стружки и усилия резания.
В базовой стали с нормальным содержанием серы образуются сульфиды титана TiS, имеющие сложный состав и морфологию. Из-за высокой твердости они ухудшают обрабатываемость резанием. При увеличении содержания серы, в силу высокого ее сродства с титаном, меняется состав и морфология данных включений. Включения становятся комплексными и в их составе обнаруживается смесь Ti2S и MnS. При этом включения Ti2S более прочные при горячей обработке давлением, что обеспечивает уменьшение их вытянутости. Аналогично влияние на сульфиды кальция, который также вводится в сернистую нержавеющую сталь. Таким образом, целесообразно исследовать аустенитную хромоникелевую сталь со стабильным аустенитом с добавками серы, кальция и содержащую марганец и титан. Химический состав выплавленной в лабораторных условиях стали (разные слитки) следующий (% массы): С от 0,046% до 0,079%; Si от 0,48% до 0,78%; Mn от 1,21% до 1,26%; Р от 0,004% до 0,005%; Cr от 14,28% до 15,23%; Ni 12,80%; Ti от 0,31% до 0,56%; Ca варьировался от 0 до 0,006 - 0,02%; S варьировалась от 0,008 до 0,257% (введением в ковш перед разливкой в слитки).
Рост содержания серы в стали приводит к увеличению количества сульфидных включений. Исследования также показали, что наряду с сульфидными включениями в стали присутствуют нитриды и карбонитриды титана. Микрорентгеноспектральный анализ включений позволил установить, что сульфидные включения представляют собой сульфиды марганца, сульфиды титана, а также комплексные сульфиды титана, марганца, железа и даже хрома. Причем сульфидные включения часто растут на нитридных и карбонитридных фазах, что исключает отрицательное влияние последних на обрабатываемость. Дополнительное введение в сталь силикокальция лишь в отдельных малочисленных случаях приводит к сфероидизации сульфидных включений. Увеличение количества серы не меняет характер структуры металлической матрицы.
Была реализована опытно-промышленная выплавка стали типа А10Х16Н15Т с прокатным переделом в заготовки квадрата 130 х 130 мм, а затем прутки диаметром 25 мм. Химический состав стали (определялся в разных местах по сечению квадратной заготовки): С от 0,08% до 0,1%; S от 0,23% до 0,25%; Mn от 1,45% до 1,47%; Si от 0,59% до 0,60%; Сr от 16,4 % до 16,5%; Ni от 13,43% до 13,51%; Ti от 0,35% до 0,45%; Mo от 0,32% до 0,34%; W от 0,16% до 0,17% ( % массы). Оценка макроструктуры стали показала ее полное соответствие ГОСТ 10243 по величине точечной неоднородности, центральной пористости, ликвационного квадрата, подусадочной ликвации. Уровень механических свойств прутков диаметром 25 мм после закалки с 1080ºС в воде приведен в таблице 1.
Оценка обрабатываемости резанием сталей всех вариантов состава и структуры показала, что присутствие в стали халькогенидов уменьшает интенсивность изнашивания инструмента. При этом установлено, что наиболее эффективно влияние селенидов, а усложнение состава включений введением теллура и модифицирование стали силикокальцием может приводить к снижению положительного эффекта.
Результаты оценки обрабатываемости стали А10Х16Н15Т показали, что по всем исследуемым параметрам обрабатываемости этот вариант наиболее эффективен: обеспечивается более чем в 2 раза снижение интенсивности изнашивания инструмента, в 1,5 - 2 раза уменьшились составляющие силы резания.
Промышленные испытания стали А10Х16Н15Т в условиях автоматизированного производства (одношпиндельные и многошпиндельные автоматы) также показали высокую обрабатываемость сернистой аустенитной стали и ее пригодность к применению в массовом производстве. На всех операциях обработки (точении, сверлении, расточке, нарезании резьбы, обрезке) стойкость инструмента (твердосплавный и быстрорежущий) повысилась от 5 до 70 раз по сравнению с базовой сталью 12Х18Н10Т. Отмечена также легкость удаления из рабочей зоны стружки, не требующего вмешательства оператора, при обработке стали А10Х16Н15Т.
Выполнены исследования, позволяющие оценить коррозионную стойкость стали А10Х16Н15Т к воздействию конденсата выхлопных газов и к солевому туману. На основании полученных результатов установлено, что рост содержания серы в стали приводит к увеличению склонности к коррозии стали в конденсате выхлопных газов. Так рост содержания серы от 0,008% до 0,257% в стали без модифицирования силикокальцием приводит к увеличению потерь в весе от коррозии через 200 циклов воздействия конденсата с 56,6 мг/дм2 до 112,8 мг/дм2. Однако коррозионная стойкость в самом неблагоприятном варианте не уступает нержавеющей стали типа 18Cr -8Ni.
Коррозионная испытания в камере солевого тумана по ГОСТ 9.308-85 ( 5% NaCl, температура 35 ºС) в течение 1500 часов не приводили к появлению признаков коррозионного поражения.
Свариваемость всех четырех исследованных вариантов состава стали удовлетворительная. Правильный подбор сварочной проволоки, состава защитной атмосферы (аргон) и режимов сварки позволяет устранить кристаллизационные трещины в околошовной зоне и выделение карбидов по границам зерен в стали с повышенным содержанием серы.
Выполненные исследования показали возможность значительного улучшения обрабатываемости резанием нержавеющих аустенитных сталей за счет формирования в их структуре халькогенидов или сульфидов. Обеспечено сохранение уровня механических свойств, свариваемости и коррозионной стойкости стали.