CS216366B1 - Konstrukční ocel pro cheaioko-tepelná zpracování a zušleohtování - Google Patents

Abstract

Vynález ee týká. nízkolegovaná konstrukční oceli, vhodná pro chemicke-tepelná zpracování jako je oeaentaoo, u strojníoh, vysoce namáhaných součástí, např. ozubených kol. Podstata vynálezu epočívá v toa, Se ocel má chemické složení podle haotnosti 0,10 až 0,65 % uhlíku, 0,40 až 1,50 $ manganu, stopy až 0,35 % křemíku, 0,30 až 1,50 % ohromu, nečistoty jako fosfor nejvýše 0,035 % a síru nejvýše 0,080 %, dále obsahuje 0,012 až 0,070 % dusíku a 0,005 až 0,05 % hliníku rozpustného, zbytek železo. Vlastnosti oooli lze dálo zlepšit hmotnostním obsahem 0,10 až 0,50 % molybdenu' a 0,04 až 0,30 % olova. Ocel podle vynálezu jo výhodná pro další zpracování oheaioko-topelnými postupy jako je ceaentaeo, nitrocementace apod. Ocel podle vynálezu je zvláště vhodná pro výrobu ozubených kol, pružin a dalších strojních součástí, u nichž jo žádoucí vysoká tvrdost funkčních ploch a odolnost proti rázům.

Description

Podstata vynálezu epočívá v toa, Se ocel má chemické složení podle haotnosti 0,10 až 0,65 % uhlíku, 0,40 až 1,50 $ manganu, stopy až 0,35 % křemíku, 0,30 až 1,50 % ohromu, nečistoty jako fosfor nejvýše 0,035 % a síru nejvýše 0,080 %, dále obsahuje 0,012 až 0,070 % dusíku a 0,005 až 0,05 % hliníku rozpustného, zbytek železo. Vlastnosti oooli lze dálo zlepšit hmotnostním obsahem 0,10 až 0,50 % molybdenu' a 0,04 až 0,30 % olova.

Ocel podle vynálezu jo výhodná pro další zpracování oheaioko-topelnými postupy jako je ceaentaeo, nitrocementace apod. Ocel podle vynálezu je zvláště vhodná pro výrobu ozubených kol, pružin a dalších strojních součástí, u nichž jo žádoucí vysoká tvrdost funkčních ploch a odolnost proti rázům.

216 366

Vynález se týká konstrukční oceli pro ohemieko-tepelné zpracování a zušlechťování, jako je cementace, nitrocementace, a cílem dosažení příznivých vlastností povrchově zpevněných vrstev vysoce namáhaných strojních aoučástí, jakož i součástí o vyěěích pevnosteoh, zpracovaných kalením a popouštěním.

Ha finálních vlastnostooh strojních dílců a jejich efektivní výrobě, zvláště pak na hospodárném chemicko-tepelnám zpracování se výrazně podílí typ oceli. Většinu těohto nároků splňují především oceli legovaná kombinací chrómu, molybdenu, případně 1 niklu.

Tyto oceli charakterizuje většinou nízký obsah chrómu, řádově kolem 0,5 % hmotnosti Cr, který přispívá k nižším deformacím při kalení pro cementaci. Přijatelnou prokalitelnost cementované vrstvy s vyšším obsahem uhlíku ovlivňuje přísada molybdenu v rozmezí 0,2 až 0,5 % hmotnosti. Oceli s přísadou molybdenu jsou jemnozrnné s velikostí zrna 7/8 podle ASTU. Dobře také odolávají hrubnutí zrna při ohemioko-tepelném zpracování. Oceli určené pro nejexponovanější součásti mívají i přísadu niklu v rozmezí 1,5 až 4,0 % hmotnosti. Obsah uhlíku v těchto ocelích převážně v rozmezí 0,10 až 0,25 % hmotnosti ovlivňuje požadovanou pevnost, případně i houževnatost jádra cementované oceli.

Trvale klesající dostupnost a rostouoí cena molybdenu a niklu na světových trzích vynucují hledání náhradních typů ocelí většinou s přísadami manganu a chrómu, případně s jejich kombinací. Hejčastější hmotnostní obsahy manganu so pohybují v rozmezí 0,75 až l,4o %, chrómu 0,50 až 1,15 56, hmotnostní obsah uhlíku zpravidla v rozmezí 0,14 až 0,24 56. Náhradní typy ocelí představují dnes i oceli a přísadou horu, nejčastěji s hmotnostními obsahy v rozmezí 0,0005 až 0,0030 %. Přísada bóru sa používá u řady typů oceli legovaných Mn, Cr, Mo, Ni, případně jejioh kombinací. Většinou se zde setkáváme ss sníženými obsahy uváděných slitinových prvků běžných typů ocelí bez bóru. Nevýhodou je, že vyšší obsahy chrómu a také i přísada bóru zvyšují pouze prokalitelnost výchozí ooeli. Tyto prvky prakticky nezvyšují prokalitelnost a požadovanou strukturní homogenitu cementované vrstvy.

U ocelí s přísadou bóru je to navíc poměrně nízká výrobní jistota k dosažení spolehlivé účinnosti bóru na prokalitelnost, vyžadující speciální opatření k zajištění účinné vazby kyslíku a dusíku. Používanou přísadou k vazbě dusíku bývá nejčastěji titan. Vzniklé produkty jako karbidy a nitridy titanu vedou na druhé straně ke zhoršení obrobitelnosti,

V souvislosti s vysokými nároky na zpracovatelnost ocelí pro cementaci se věnuje velká pozornost zvyšování obrobitelnosti těohto ocelí. Hejjednodušší způsob zvyšování obrobitélnosti je zvýšený hmotnostní obsah síry v oceli v rozmezí 0,020 až 0,080 56. Setkáváme eo i s přísadou olova v rozmezí 0,04 až 0,30 56. Konečně je to i otázka řízené morfolegie a vlastností vměstků přísadami feroslitin na bázi vápníku při souběžném omezování podílu hliníku.

Manganchrómové oceli patří mezi nejrozěířenější skupinu ocelí zpracovávaných na stroj ní dílce určené k eementaci. V tšehto ocelí se hmotnostní obsah pohybuje v rozmezí 0,14 až 0,22 % uhlíku, 1,00 až 1,40 56 manganu, 0,80 až 1,30 % chrómu, fosforu a síry jednotlivě nejvýše 0,035 56. V poměrně omezené míře se vyrábějí MmCrTi oceli s přísadou titanu

0,04 až 0,10 % hmotnosti. S menším rozsahem užití ee setkáváme i u ocelí legovaných niklem a te buď jatce typ MnCrNi, případně CrNi. Tento typ ocelí má obsah chrómu kolem 1 % hmotnosti a dále odstupňovaný obsah niklu v rozmezí 0,40 až 4,70 % hmotností. Obsahy uhlíku se u těohto ocelí pohybuji v běžných rozmezích od 0,10 do 0,24 % hmotnosti. Zatím se v poměrně omezeném rozsahu setkáváme s používáním MnCrB oceli s obsahem uhlíku 0,28 až 0,35 %

C a obsahy manganu a chrómu charakteristickými pro MnCr typ oceli. Zvýšená prokalitelnost se dosahuje někdy přísadou bóru 0,001 až 0,005 hmotnosti u chrómmanganových ocelí s obsahem 0,28 až 0,35 % uhlíku.

Všeobecně pro užívané oceli je charakteristický obsah chrómu kolem 1 % hmotnosti. To má za následek nízkou prokalitelnost cementované vrstvy, která je navíc heterogenní a skládá ee z karbidů a martnezitu. MnCr oceli s přísadou niklu, případně CrNi oceli, mají vyšší prokalitelnost a homogenitu cementované vrstvy.

Otázka rovnoměrné obrobitelnostj, případně zvyšování obrobitelnoetl, byla dosud řešena v omezené míře zvýšenými obsahy síry, tj. 0,020 až 0,035 % hmotnosti, případně i nad tuto mez. V omezené míře ee řeší i otázka morfologie vměstků přísadami vápníku. Omezená pozornost byla věnována i otázkám vysokoteplotního žíhání při teplotách řádově 980 °<3 s cílem zhrubnutí zrna, a tím i zkřehnutí oceli pro zvýšení obrobitelnosti.

Velikost skutečného austenitického zrna u běžně vyráběných ocelí pro cementaci bývá převážně v rozmezí 5 až 7 podle ASTM. U řady ocelí vyráběných taveb se setkáváme s hrubnutím austenitického zrna již při běžných teplotách expozice při cementaci 920 až 930 °C. Většinou nízká odolnost proti hrubnutí zrna a vyšší obsahy chrómu řádově kolem 1 % ve většině používaných ocelí prakticky vylučují kalení z teplot cementace e přichlazením, významné jak z energetického hlediska, tak i z hlediska finálních vlastností strojních dílců.

Z uvedeného hodnocení je zřejmé, že klíčovou otázku k efektivnímu řešení ocelí pro ohemicko-tepelné zpracování jes jemnozrnnost oceli a vysoká odolnost proti hrubnutí zrna při teplotách cementace, vhodná prokalitelnost výchozí oceli a cementované vrstvy, dobrá chemicko-tepelná zpracovatelnost s možností přímého kalení z teplot cementace, cena oceli, ovlivněná dostupností slitinových prvků a dobrá a rovnoměrná obrobitelnost ocelí jednotlivých typů a značek. Tyto otázky jsou tím závažnější, že oceli pro cementaci ee většinou zpracovávají v oblasti hromadné a sériové strojírenské výroby. Z cenového hlediska a také z hlediska dostupnosti slitinových prvků jsou dnes všeobecně velmi atraktivní oceli legované manganem, ohmem, případně kombinací obou prvků. Klíčovým prvkem ocelí pro cementaci strojních dílců vysoké jakesti je nesporně molybden, případně i nikl, a to především z hlediska prokalitelnost!, vlastností a struktury cementovaných vrstev. Oceli e molybdenem mají většinou i vyšší odolnost proti růstu zrna při cementaci. Zpravidla umožňují přímé kalení a všeobecně mají i vyšší prokalitelnost cementované vretvy.

V souvislosti s ocelemi pro cementaci se doeud opomíjí význam dusíku jako mikrolegujíoího prvku. Na druhé straně se velmi často setkáváme se souběžným nasycováním vrstev při oementaci jak uhlíkem, tak dusíkem a cílem zlepšeni vlastností vrstev, případně zefektivnění technologie procesu. Dusík v nízkolsgovaných ocelích je většinou v rozmezí 0,005 až

0,02.2 % hmotnosti a jeho nitridiclcá forma patří mezi klíčové otázky odolnosti proti hrábnutí austenitického zrna. V současné technické praxi je to většinou přísada hliníku, běžně používaná pro konečnou desoxidaci a denitrifikaci oceli, která vytváří podmínky pro tvorbu nitridů, nezbytných pro zamezení růstu zrna při teplotách expozice při cementaci. Při výrobě cementačních ocelí, charakterizovaných nízkým hmotnostním obsahem uhlíku převážně v rozmezí 0,14 až 0,24 % většinou dochází k výrazně rozdílné výtěžnosti hliníku od 20 do 80 %. Současně se setkáváme s odlišným podílem účinné složky hliníku, vázaného na dusík a hodnoceného jako hliník rozpustný. Jeho hodnota bývá určitým kritériem pro posouzení odolnosti proti růstu zrna, a proto ae někdy udává požadovanou minimální hodnotou 0,020 % hliníku rozpustného. Nelze opominout, že podmínky pro tvorbu nitridu hliníku jsou významně ovlivněny teplotní historií lité a tvářené oceli. Kromě toho zde významně spolupůsobí vzájemný poměr hliníku rozpustného a obsahu dusíku, případně hodnota jejich součinu.

Mikroanalyticky jsme prokázali výrazné chemické nostejnorodosti v rozložení hliníku v oceli, ovlivněné pochody krystalizace a tuhnutím oceli. Prokázalo se také, že maximální a minimální obsahy hliníku v mikrooblastech jsou závislé na hodnotě obsahu hliníku rozpustného, stanoveného běžným chemickým rozborem. Při obsazích hliníku do 0,015 % je nutno počítat s mikrocblaetmi prakticky bez přítomného hliníku, což ae promítá v hrubší austenitioké zrno v těchto mikrooblastech. Úvaha o možnosti vyloučení těchto chemických mikronestejností difúzním žíháním je velmi problematická. Nepříznivě zde působí i velikost atomového poloměru hliníku, který je větší než u železa a udává se 0,128 ^um. Prokázalo so také, že zvýšení hliníku rozpustného např. na 0,070 % vodo ke tvorbě hrubších nitridů, které jsou málo účinné z hlediska odolnosti proti růstu zrna. Při obvyklých hmotnostních obsazích dusíku 0,007 až 0,012 % a hliníku rozpustného 0,910 až 0,030 % v nízkolegovaných nízkouhlíkových ocelích dochází za běžnýeh podmínek výroby a zpraoování pouze k částečné vazbě dusíku na hliník, jehož hodnota 0,005 % zajištuje dobrou odolnost proti růstu zrna, například u ooeli typu lélínCr, která má běžnou velikost zrna 5 až 7 podle ASTM. Zbývající volný dusík v nízkolegovaných ocelích je vázán na nitridotvorné slitinové prvky jak© chróm, mangan a molybden, případně i železe, tedy na prvky a relativně vysokým obsahem, ve srovnání s obsahem hliníku. Na druhé straně mají uváděné slitinové prvky podstatně nižší zápornou hodnotu volné entalpie ÁG pro vznik nitridu, ve srovnání a hliníkem a také menší stabilitu při ohřevu na austenitizační teplotu. Při auatenitizačním ohřevů je podstatná část obsahu dusíku v nevázané formě v tuhém roztoku železa

Uvedené nevýhody odstraňuje nízkolegovaná konstrukční ocel určená pro chemicko-tepelné zpracování a zušleohtování podle vynálezu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že ocel obsahuje v množstvích podle hmotnosti 0,10 až 0,65 % uhlíku, 0,40 až 1,50 % manganu, stopy až 0,35 % křemíku, 0,30 až 1,50 % ohromu, nečistoty jako jo fosfor od stop do 0,035 % a eíra od stop do 0,080 %, a dálo 0,012 až 0,070 % dusíku a 0,003 až 0,050 % hliníku rozpustného, zbytek železo. Další zlepšení vlastností oceli lze docílit přísadou molybdenu 0,10 až 0,50 % hmotnosti, případně dále přísadou olova 0,04 až 0,30 % hmotnosti.

.4

Výsledky orientačních zkoušek vedly k mikrolegování nízkolegované manganchrómové oce li, určené pro cheaicko-tepelná zpracování. Potvrdilo se především, že přísada dusíku při spívá k výraznému zjemnění austenitického zrna, zvyfiuje prokalitelnost jak základní oceli tak cementované vrstvy. Neméně významné je i zvýšení tvrdosti cementované vrstvy. To je dáno především tím, že přísada dusíku zvyšuje aktivitu uhlíku v auetenitu. Tato otázka je závažná zejména u ocelí nízkolegovaných chrómem, kdy dochází k potlačení výskytu karbidů chrómu ve vrstvě, a tím ke zvýšení tvrdosti a prokalitelnosti.

Přísada dusíku dále vede ke snížení teplot přeměn, a tím i možnému použití nižších teplot chemioko-tepelného zpracováni a teplot při kalení. Možné nižší kalicí teploty jednoznačně přiepívají i k tvorbě menších deformací. Ve spojení s příznivými parametry prokalitelnosti jsou tak vytvořeny optimální předpoklady pro nižší ochlazovaoí rychlosti, a to i u rozměrnějších součástí.

Neméně významným efektem vyplývajícím z jemnozrnné struktury při mikrolegování dusíkem jsou i příznivé hodnoty vrubové houževnatosti v kaleném stavu. Na druhé straně normalizační žíhání s pomalým ochlazováním vede k významnému snížení houževnatosti, a to přede vším vlivem tvorby nitridů slitinových prvků. Zhoršená vrubová houževnatost zde vytváří vhodné podmínky pro dobrou obrobitelnost oceli.

Ocel podle příkladu složení obsahuje v hmotnostní koncentraci 0,l6 % uhlíku, 0,78 % manganu, 0,35 % křemíku, 0,028 % síry, 0,95 % chrómu, 0,018 % hliníku rozpustného, 0,033 % dusíku, zbytek železo. Ocel se vyrábí běžnými metalurgickými postupy. K legování dusíku je možno použít vhodné organické látky, nadusičené feroslitiny, případně i plynnou směs s dusíkem, resp. s jeho sloučeninou.

Ocel tohoto složení vykazuje tyto základní parametry:

velikost podle ASTM 9/l0

Austefiftioké zrně práh hrubnutí ®C 1 050 až 1 080

Prokalitelnost

Vrubová houževnatost KCV při 20 ®C

J HV-ll mm 290 cementovaná vrstva

J 58 HRC - am 42 vzorek kalen 850 ®C/olej popuštěn 180 ®C/vzduch 60

R g KV 1 245 MPa

Jaké další příklad složení uválíme ocel s hmotnostním obsahem 0,17 % uhlíku, 1,06 % manganu, 0,34 % křemíku, 0,022 % fosforu, 0,020 % síry, 0,98 % chrómu, 0,010 % hliníku rozpustného, 0,027 % dusíku, zbytek železo.

Ocel tohoto složení vykazuje tyto základní parametry:

ύ 3&·

Austenitické zrno	velikost podle ASTM práh hrubnutí ®C	8/9 1 030 až 1 080
	J HV-11 mm	300
Prokalitelnost
	cementovaná vrstva
	3 58 HRO - mm	30
Vrubová houževnatost	vzorek kalen 850 ®C/olej
KOV při 20 °0 - J.cm“2	popušt. 180 ®C/vzduch	40
	R z HV 1 245 MPa n

viz dšlší 2 příklady /ocel s Me, ocel a Pb/

Z uváděného je zřejmé, že nízkolegovaná ocel podle vynálezu mikrolegovaná dusíkem, splňuje většinu nároků kladených na oceli pro chemickc-tepelné zpracování. S úspěchem může nahradit řadu značek ocelí legovaných málo dostupným molybdenem, případně nahradit část molybdenu nebo niklu v oceli. Ocel podle vynálezu je možno použít rovněž pro Výrobu strojních součásti kalených a popuštěných, jako například pružin.

Ocel podle vynálezu je zvláště vhodná pro výrobu ozubených kol a dalších strojních součástí, které se podrobují chemio^e-tepelnému zpracování s cílem dosažení vysoké tvrdosti funkčních ploch a s vysokými/nároky na odolnost proti rázovému namáhání.

Ocel podle dalšího příkladu provedení obsahuje v hmotnostní koncentraci 0,20 % uhlíku, 0,29 % křemíku, 0,023 % fosforu, 0,018 % síry, 0,60 % chrómu, 0,017 % hliníku rozpustného, O,¹023 % dusíku a 0,22 % molybdenu, zbytek železo.

-Ocel tohoto složení vykazuje tyto základní parametry» velikost yedle ASTM

Austenitické zrno _o práh hrubnutí C

Prokalitelnost

J HV - 11 mm cementovaná vrstva J 58 - HRC - mm

9/10

070 až 1 100

315

Vrubová houževnatost vzorek kalen 850 °C/olej

KOV při 20 ®C J.om“² popuštěn 180 ®C/vzduoh 65

R_a z HV 1 320 MPa

Ocel podle jiného příkladu provedení obsahuje v hmotnostní koncentraci 0,22 % uhlíku,

0,25 % křemíku, 0,019 % fosforu, 0,018 % síry, 0,80 % chrómu, 0,019 % hliníku rozpustného,

0,025 % dusíku a 0,08 % olova, zbytek železo.

Ocel tohoto složení vykazuje tyto základní parametry»

Austenitioké zrno velikost podle ASTM práh hrubnutí *C

8/9

060 až 1 080

Prokalltelnost

Vrubová houževnatost KOV při 20 ®C J. cm“²

J HV - 11 srn 330 cementovaná vrstva

J 58 HRC - ne 45 vzorek kalen 850 ®C/olej popuštěn 180 ®C/vzduch 45

R_B z HV 1 290 MPa

Claims (3)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   1. Konstrukční ooel určená pro chemicko-tepelne zpracování a zušlechťování, vyznačující se tím, že obsahuje v množstvích podle hmotnosti 0,10 až 0,65 % uhlíku, 0,40 až 1,50 % manganu, stopy až 0,35 % křemíku, 0,30 až 1,50 % chrómu, nečistoty jako, fosfor stopy až 0,035 % a síru stopy až 0,080 %, dále 0,012 až 0,070 % dusíku a 0,005 až 0,050 % hliníku rozpustného, zbytek železo.
2. 2. Konstrukční ocel podle bodu 1, vyznačující se tím, že obsahuje 0,10 až 0,50 % hmotnosti molybdenu.
3. 3. Konstrukční ocel podle bodu 1 a 2, vyznačující se tím, že obsahuje 0,04 až 0,30 % hmotnosti olova.