EA025921B1

EA025921B1 - Низколегированная борсодержащая сталь для цементуемых деталей

Info

Publication number: EA025921B1
Application number: EA201300886A
Authority: EA
Inventors: Сергей Петрович Руденко; Александр Леонидович Валько; Алексей Алексеевич Шипко; Лариса Романовна Дудецкая; Георгий Прокопьевич Горецкий
Original assignee: Государственное Научное Учреждение "Физико-Технический Институт Национальной Академии Наук Беларуси"
Priority date: 2013-06-24
Filing date: 2013-06-24
Publication date: 2017-02-28
Also published as: EA201300886A1

Abstract

Изобретение относится к металлургии, а именно к конструкционным сталям с повышенными механическими свойствами и регламентированной прокаливаемостью, и может быть использовано при изготовлении зубчатых колес энергонасыщенных машин. Предложена низколегированная борсодержащая сталь для цементуемых деталей, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, кальций, бор, железо и примеси, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,18-0,23, марганец 0,40-0,70, кремний 0,17-0,37, хром 0,40-0,70, никель 0,40-0,70, молибден 0,15-0,25, алюминий 0,02-0,05, кальций 0,0004-0,0050, бор 0,008-0,015, ниобий 0,03-0,045, железо и неизбежные примеси - остальное, при этом суммарное содержание марганца, хрома, никеля и молибдена находится в пределах 1,35-2,35 мас.%, а отношение молибдена к бору находится в пределах от 10:1 до 30:1. В качестве примесей сталь содержит фосфор ≤ 0,025 мас.%, серу ≤ 0,025% и медь ≤ 0,15%. Прокаливаемость (твердость образца при торцевой закалке) соответствует на расстоянии от торца образца 3 мм - от 44 до 47 HRC; на расстоянии 11,0 мм - от 33 до 47 HRC; на расстоянии 20,0 мм - от 20 до 44 HRC; на расстоянии 40,0 мм - от 13 до 33 HRC. Заявляемая сталь обладает регламентированной прокаливаемостью, более высокими значениями предела текучести, ударной вязкости и предела выносливости.

Description

Изобретение относится к металлургии, а именно к конструкционным сталям с повышенными механическими свойствами и регламентированной прокаливаемостью, и может быть использовано при изготовлении зубчатых колес энергонасыщенных машин.

Материалы, применяемые для изготовления зубчатых колес трансмиссий, должны обладать высокой поверхностной твердостью для обеспечения сопротивления максимальным и длительно действующим контактным нагрузкам в условиях качения со скольжением, достаточную прочность и выносливость при изгибе зубьев при наличии концентрации напряжений у галтели зуба. Правильный выбор материала и соответствующих методов термообработки является одной из главных предпосылок, гарантирующих достижение требуемых эксплуатационных свойств деталей. Особенно это относится к высоконапряженным зубчатым колесам трансмиссий энергонасыщенной автотракторной техники.

Важной характеристикой материала является прокаливаемость, которая характеризуется глубиной проникновения закаленной зоны, т.е. способностью стали воспринимать закалку на различной глубине от поверхности. Прокаливаемость зависит от содержания углерода, легирующих элементов в стали, размеров детали, температуры нагрева под закалку, скорости охлаждения закаливаемого изделия. Прокаливаемость увеличивают углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, бор.

Известно выполнение зубчатых колес из сталей 18ХГТ, 25ХГТ, 20ХГР, 20ХНР, 12ХНЗА, 20ХНЗА, 20Х2Н4А, 20ХГНР, 20ХГНМ по ГОСТ 4543-71. Сталь 20ХГНР после закалки с температуры 850°С в масле и низкого отпуска при 200°С имеет следующие механические свойства (ГОСТ 4543-71, табл. 6): предел текучести 1080 Н/мм², временное сопротивление 1270 Н/мм², относительное удлинение 10%, относительное сужение 50%, ударная вязкость 880 КДж/м² Это наиболее высокие свойства из применяемых сталей. Известна также сталь16МпСгВ5 [1], содержащая, мас.%:

Углерод 0,14-0,19 Кремний <0,40 Марганец 1,00-1,30 Фосфор <0,035 Сера <0,035 Хром 0,80-1,10 Бор 0,0008-0,005 Железо - остальное

Вследствие того, что отсутствуют никель и молибден, не достигаются требуемые прокаливаемость и прочностные характеристики. Кроме того, в стали марки 16МпСгВ5 не регламентировано содержание алюминия, что может привести к короблению готовых изделий при химико-термической обработке, что в промышленных условиях является критичным.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является сталь, выбранная в качестве прототипа [2] и содержащая, мас.%:

Углерод 0,14-0,23 Марганец 0,9-1,40 Кремний 0,15-0,40 Сера 0,020-0,035 Хром 0,90-1,40 Никель 0,15-0,35 Молибден 0,05-0,12 Алюминий 0,02-0,05 Азот 0,005-0,015 Кальций 0,0004-0,0050 Бор 0,001-0,003 Кислород <0,0025 Олово <0,025 Титан <0,005

Железо и неизбежные примеси - остальное, причем суммарное содержание марганца, хрома, никеля и молибдена находится в пределах 2,503,05 мас.%. В качестве примесей сталь регламентированно содержит фосфор < 0,025 мас.% и медь < 0,15 мас.%.

Недостатками стали-прототипа являются повышенное содержание марганца, которое приводит к увеличению остаточного аустенита при цементации и появлению продуктов внутреннего окисления, что в конечном итоге снижает твердость упрочненного слоя, а следовательно, и сопротивление усталости шестерен. Кроме того, при повышенном содержании марганца в большей степени проявляется продольная волокнистость, которая приводит к ухудшению свойств в поперечном направлении и снижению ударной вязкости;

повышенное содержание хрома, которое приводит к появлению карбидов в цементованном слое,

- 1 025921 снижающих по данным авторов [3] сопротивление контактной усталости зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин;

относительно невысокие значения предела текучести, приводящие к преждевременным выходам из строя деталей в процессе эксплуатации при ударных нагрузках;

недопустимо высокое содержание азота при отсутствии деазатирующих элементов, таких как цирконий и титан, предохраняющих бор от азотирования. Содержание титана в этом случае должно быть не менее 0,01 мас.%;

отсутствуют кривые прокаливаемости, в связи с этим оценка прокаливаемости является факультативной, а сама прокаливаемость не регламентируется.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание низколегированной борсодержащей стали с повышенными прочностными характеристиками, увеличенными пределом выносливости и сопротивлением ударным нагрузкам, а также с прокаливаемостью, регламентированной для зубчатых колес с модулем от 4 до 8 мм.

Для достижения поставленной задачи предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, кальций, бор, железо и примеси, дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,18-0,23 Марганец 0,40-0,70 Кремний 0,17-0,37 Хром 0,40-0,70 Никель 0,40-0,70 Молибден 0,15-0,25 Алюминий 0,02-0,05 Кальций 0,0004-0,0050 Бор 0,008-0,015 Ниобий 0,03-0,045

Железо и неизбежные примеси - остальное, при этом суммарное содержание марганца, хрома, никеля и молибдена находится в пределах 1,35-2,35 мас.%, а отношение молибдена к бору находится в пределах от 10:1 до 30:1. В качестве примесей сталь содержит фосфор < 0,025 мас.%, серу < 0,025% и медь < 0,15%. Средний размер действительного зерна составляет 15-20 мкм. Прокаливаемость (твердость образца при торцевой закалке) соответствует на расстоянии от торца образца 3 мм от 44 до 47 ИКС; на расстоянии 11,0 мм - от 33 до 47 НКС; на расстоянии 20,0 мм - от 20 до 44 НКС; на расстоянии 40,0 мм - от 13 до 33 НКС.

Выбранное соотношение компонентов определяется следующими факторами.

Углерод - основной элемент в стали, определяющий ее прочностные и эксплуатационные характеристики. Нижний предел 0,18% определен необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности данной стали после термической обработки, верхний предел 0,23% ограничен необходимостью обеспечения регламентированного уровня прокаливаемости стали.

Марганец вводят в композицию с целью обеспечения прокаливаемости, прочностных характеристик, необходимой глубины цементованного слоя и ударной вязкости. При этом верхний предел содержания марганца 0,7% определяется необходимостью уменьшения количества остаточного аустенита и продуктов внутреннего окисления при цементации, а нижний (0,4%) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности готовых изделий и прокаливаемости стали. Марганец в пределах 0,40-0,70% обеспечивает необходимую раскисленность борсодержащей стали, а также усиливает воздействие бора на устойчивость переохлажденного аустенита.

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, а при цементации - замедлит процесс диффузии углерода в сталь.

Кальций, так же как и сера, определяет уровень обрабатываемости стали. Нижний предел по кальцию (0,0004%) обусловлен необходимостью получения оптимальной обрабатываемости стали, а верхний предел (0,0050%) - технологичностью производства стали для исключения повышенной загрязненности металла неметаллическими включениями.

Хром, никель и молибден используются, с одной стороны, как упрочнители твердого раствора, с другой стороны, как элементы, существенно повышающие устойчивость переохлажденного аустенита и увеличивающие прокаливаемость стали. При этом верхний уровень содержания указанных элементов (соответственно 0,70% Сг, 0,25% Мо, 0,70% Νί) определяется необходимостью обеспечения требуемого уровня пластичности стали и ударной вязкости, а нижний (соответственно 0,40% Сг, 0,15% Мо, 0,40% Νί) - необходимостью обеспечить требуемый уровень прочности и прокаливаемости стали. Нормирование максимального предела содержания молибдена, хрома и никеля исключает излишнее удорожание стали.

Нормирование суммы марганца, хрома, никеля и молибдена в диапазоне 1,35-2,35 позволяет регла- 2 025921 ментировать уровень прокаливаемости как сердцевины, так и цементованных слоев стали и обеспечить наиболее оптимальные эксплуатационные характеристики зубчатых колес. Добавки молибдена значительно уменьшают неоднородность распределения хрома и затрудняют выделение карбидов.

Алюминий используется в качестве раскислителя стали и обеспечивает ее чистоту от оксидных примесей, а также защиту от роста зерна при термической обработке. Нижний уровень содержания (0,02%) определяется требованием обеспечения мелкозернистой стали, а верхний уровень (0,05%) - вопросами технологичности производства и отрицательного влияния чрезмерного измельчения зерна на прокаливаемость стали.

Алюминий и ниобий представляют собой элементы, которые обеспечивают мелкозернистость металла. Мелкозернистость структуры необходима для достижения высокой усталостной прочности поверхностного слоя и сердцевины после цементации или нитроцементации, а также для стабилизации деформаций при закалке. Кроме того, она имеет большое значение для получения регламентированной прокаливаемости. Контроль за размером зерен в рамках настоящего изобретения тем важнее, чем более пригодной должна быть сталь для высокотемпературной цементации или нитроцементации, не сопровождающейся чрезмерным ростом зерен.

Введение ниобия способствуют уменьшению величины зерна, устранению химической и структурной неоднородности, разнозернистости, увеличению дисперсности перлитной смеси, повышению предела текучести, предела прочности, ударной вязкости и хладностойкости. Содержание ниобия должно составлять 0,030-0,045 мас.%. При его содержании ниже 0,030 мас.% функция влияния на размер зерен становится недостаточной, особенно в случае минимального содержания алюминия. При содержании свыше 0,045 мас.% возникает опасность растрескивания во время непрерывной разливки стали.

Бор вводят в сталь для увеличения ее прокаливаемости. Оптимальное содержание бора в углеродистых сталях, при котором достигается максимальная прокаливаемость, составляет 0,003-0,004 мас.%. Однако при наличии комплекса легирующих элементов, включающего молибден, максимальное содержание бора необходимо увеличивать до 0,015 мас.%, при этом нижний предел для обеспечения требуемого уровня прокаливаемости составляет 0,008 мас.%.

Чрезмерное микролегирование бором ведет к повышению концентрации легирующих элементов, особенно хрома, в приграничных зонах зерна и к выделению боридов, что увеличивает склонность к отпускной хрупкости, смещает порог хладноломкости в сторону высоких температур, уменьшает ударную вязкость. Добавки молибдена оказывают положительное влияние на свойства борсодержащих сталей: происходит более равномерное распределение легирующих элементов и задерживается образование карбидов на границах зерен, что способствует уменьшению охрупчивания, порог хладноломкости смещается в сторону низких температур, повышается ударная вязкость и циклическая прочность.

Нормирование соотношения молибдена к бору в пределах от 10:1 до 30:1 обеспечивает оптимальные значения прокаливаемости, прочности и ударной вязкости стали, т.е. способствует повышению предела ее выносливости. При величине указанного соотношения менее 10 влияние бора на склонность к отпускной хрупкости возрастает, что уменьшает ударную вязкость и пластичность стали. При величине указанного соотношения, превышающей 30, происходит резкое снижение прокаливаемости стали.

Предлагаемое соотношение элементов в стали найдено экспериментальным путем и является оптимальным, поскольку позволяет получить комплексный технический эффект. При нарушении соотношения элементов ухудшаются свойства стали, наблюдается их нестабильность и эффект не достигается.

Бор легко окисляется и связывается в нитрид даже крайне малыми остаточными концентрациями кислорода и азота в металле. Поэтому основная задача при борном микролегировании - предотвратить окисление и азотирование бора и получить в металле требуемое количество растворенного бора, повышающего прокаливаемость стали. Для предотвращения окисления и нитрирования бора проводят предварительную обработку металла сильными раскисляющими и деазотирующими элементами. На завершающем этапе осуществляют легирование борсодержащим сплавом, задавая его в металл в виде кусков, брикетов, гранул или в составе порошковой проволоки.

Выплавку стали для проведения исследований производили в индукционной электропечи ИСВ 0004 ПИМ1с тиглем из окиси алюминия емкостью 2 кг в атмосфере аргона по известной технологии, например [3]. В качестве шихтовых материалов использовали отходы низкоуглеродистой стали (ГОСТ 1652397), ферросилиций Фс44 (ГОСТ 1415-93), ферромарганец ФМн78 (ГОСТ 4755-91), феррохром ФХ001А (ГОСТ4757-91), никель Н-1 (ГОСТ 849-97), ферромолибден ФМо60 (ГОСТ 4759-91), феррониобий ФНБ1 (ГОСТ 16773-71, ферробор ФБ20 (ГОСТ 14848-69), алюминий АВ-88 (ГОСТ 295-98). Полученные при разливке металла слитки ковали в прутки диаметром 30 мм, из которых затем вырезали образцы для проведения испытаний. Для определения механических свойств образцы подвергали закалке в масле от температуры 860°С и отпуску при температуре 180°С в течение 2 ч с последующим охлаждением на воздухе.

В качестве примера была осуществлена выплавка сталей, компонентный состав которых представлен в табл. 1.

Испытания стали при растяжении производили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84 на трех образцах типа 7 (диаметр 6, расчетная длина 30 мм). Определение ударной вязкости производили по

- 3 025921

ГОСТ 9454-78, при комнатной температуре с использованием образцов типа 1 (длина 55 мм, поперечное сечение 10x10 мм). Концентратор напряжений имел И-образную форму с радиусом 1±0,07 мм. Механические характеристики опытных плавок стали и прототипа приведены в табл. 2.

Результаты определения прокаливаемости по ГОСТ 5657-69 опытных плавок сталей приведены на чертежах (1 - плавка 1, 2- плавка 2, 3 - плавка 3, 4-плавка 4, 5 - плавка 5). 3. Из приведенных данных видно, что прокаливаемость (твердость образца при торцевой закалке) плавок стали №№ 2, 3 и 4, которые по содержанию легирующих элементов соответствуют заявляемым пределам, составляет на расстоянии от торца образца 3 мм - от 44 до 47 ИКС; на расстоянии 11,0 мм - от 33 до 47 ИКС; на расстоянии 20,0 мм от 20 до 44 НКС; на расстоянии 40,0 мм - от 13 до 33 НКС.

Наименьшую и недостаточную прокаливаемость имеет сталь плавки 1, содержащая бор 0,0004 мас.%, для которой параметр Мо/В = 35, что превышает заявляемую максимальную величину, а суммарное содержание Μη+Νί+Сг+Мо = 1,24, что явно ниже заявляемой величины.

Для стали плавки 5 характерно превышенное содержание бора (0,025 мас.%), что снижает параметр Мо/В = 8 до недопустимой величины. При таком содержании бора прокаливаемость является недостаточной, а величина ударной вязкости резко падает (табл. 2).

Заявляемая сталь (плавки 2, 3 и 4) соответствует минимальному (плавка 2), максимальному (плавка 3) и среднему (плавка 4) заявляемому содержанию легирующих элементов. Прокаливаемость указанных плавок соответствует заявленным пределам твердости на соответствующих расстояниях от торца. Ударная вязкость данных плавок стали в 1,4-2 раза выше, чем у прототипа, а предел текучести - в 1,3 раза.

Из анализа приведенных результатов следует, что оптимальным сочетанием свойств обладают стали плавок 2-4. Результаты сравнительных испытаний показывают, что предлагаемая сталь по сравнению с прототипом обладает регламентированной прокаливаемостью, более высокими значениями предела текучести, ударной вязкости, что отвечает поставленной при ее разработке задаче.

Источники информации.

1. Науглероживаемые стали. Европейский стандарт ΕΝ 10084:1998.

2. Пат. 2363753 Российская Федерация, МПК С22С 38/54, С22С 38/32. Низколегированная борсодержащая сталь повышенной обрабатываемости [Текст]/ Шляхов Н.А., Потапов И.В., Фомин В.И., Гончаров В.В., Маликов И.Т.; заявитель и патентообладатель ОАО Оскольский электрометаллургический комбинат. - № 2008105843/02; заявл. 15.02.2008; опубл. 10.08.2009, бюл. № 22. - 3 с.

3. Циммерман, Р. Металлургия и материаловедение [Текст]: Справочник/ Циммерман Р., Гюнтер К.; перевод с нем. Левина Б.И. и Ашмарина Г.М.; по ред. Полухина П.И. и Бернштейна М.Л.. - М.: Металлургия, 1982. - 480 с.

Таблица 1

Компонентный состав опытных сталей, мас.%

№ плавки	Массовая доля элементов» %
С	8ΐ	Мп	Νί	5	Р	Са	А1	Сг	Мо	N6	В	Νι+Мп+Сг+Мо	Мо/В
1	0,2	0,3	0,35	0,4	0,015	0,016	0,0015	0,03	0,35	0,14	0,045	0,004	1.24	35
	0,2	0,31	0,4	0,4	0,013	0,014	0,003	0,035	0,4	0,15	0,03	0,008	1.35	18,8
НВ з	0,23	0,31	0,7	0,7	0,013	0,013	0,002	0,04	0,7	0,25	0,05	0,015	2,35	16,7
^с 4	0,205	0.27	0,55	0,55	0,013	0,013	0,0025	0,04	0,55	0,2	0,04	0,012	1.85	16,7
5	0,205	0,3	0,55	0,55	0,013	0,013	0,0025	0,04	0,55	0.2	0,05	0,025	1,85	8

Таблица 2

Механические свойства опытных плавок сталей

№ опыта	Механические свойства
Предел прочности о_в, МПа	Предел текучести б₀.₂, МПа	Относительное удлинение 5, %	Относительное сужение ц, %	Ударная вязкость кси, Дж/см^!	Твердость, НКС	Размер зерна, балл ГОСТ 5639-82
1	1450	1326	8,4	52,4	134	38	9
5 ²	1428	1276	8,9	53,6	118	45	9
³	1406	1219	6,6	47,3	129	46	9
3 4	1412	1223	7,9	51,2	120	45	9
5	1365	1209	7,0	51,4	88	47	9
прото- тип	1180-1570	930	7,0	-	60-88	45	6

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Claims

Низколегированная борсодержащая сталь для цементуемых деталей, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, алюминий, кальций, бор, железо и примеси, отличающаяся тем, что дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,18-0,23, марганец 0,40-0,70, кремний 0,17-0,37, хром 0,40-0,70, никель 0,40-0,70, молибден 0,15-0,25, алюминий 0,02-0,05, кальций 0,0004-0,0050, бор 0,008-0,015, ниобий 0,03-0,045, железо и неизбежные примеси остальное, при этом суммарное содержание марганца, хрома, никеля и молибдена находится в пределах 1,35-2,35 мас.%, а отношение молибдена к бору находится в пределах от 10:1 до 30:1.