FI95050C - Takokappale ja sen valmistusmenetelmä - Google Patents

Description

95050 TAKOKAPPALE JA SEN VALMISTUSMENETELMÄ

Keksintö kohdistuu patenttivaatimuksen 1 johdanto-osan mukaiseen menetelmään hyvän väsymiskestävyyden omaavan tako-kappaleen valmistamiseksi sekä tällä menetelmällä valmistettuun takokappaleeseen.

Sellaisille kuumatakomalla valmistetuille koneenelimille, jotka joutuvat väsyttävän kuormituksen alaisiksi, väsymislujuus on useimmiten kriittinen ominaisuus, joka määrää kappaleen mitoituksen. Ongelmana on tällöin, että kyseisen elimen staattinen lujuus, esim. murtolujuus, vaikuttaa materiaalin lastuttavuuteen. Kappaleen kokonaisvalmistuskustannusten kannalta optimaalinen staattinen murtolujuus on n. 1000 MPa. Tämän arvon oleellisesti ylittävät lujuudet merkitsevät monessa tapauksessa materiaalin lastuttavuuden liiallista huononemista etenkin pikaterästyökaluilla, mikä mm. työkalujen nopean kulumisen takia aiheuttaa kohtuuttoman korkeita työkalukustannuksia. Jos väsymislujuutta voidaan suurentaa ilman, että staattista lujuutta kohotetaan, voidaan kappaletta hoikentaa ilman, että lastuamiskustannukset sen valmistuksessa kohoavat. Tällöin saadaan kevyempi kappale ja selvi-.. tään pienemmillä materiaalikustannuksilla, mikä merkitsee kyseisen koneenelimen arvon kasvua ja/tai pienempiä koko-naisvalmistuskustannuksia.

Nykyisin käytettävien mikroseosterästen taontaa edeltävä leikkaamalla tapahtuva tankojen kylmäkatkaisu takoaihioksi on usein ongelma etenkin tangon murtolujuuden ylittäessä valssaustilassa 900 MPa. Vaikeudet ilmenevät yleensä halkeamina katkaistun aihion leikkauspinnassa. Mikäli takokap-paleen väsymislujuutta voidaan suurentaa ilman, että tangon murtolujuutta kohotetaan, voidaan teräksen seostusta vähentää mm. mangaanin osalta. Tällöin tangon murtolujuus alenee ja samalla kylmäkatkaistavuus paranee ilman taotun lopputuotteen väsymislujuuden heikkenemistä. Näin voidaan 2 95050 eliminoida kylmäkatkaisuvaikeudet ja myöä alentaa teräksen seostuskustannuksia.

Tunnetuista mikroseosteräksistä valmistetut takeet, erityisesti kiertokanget, kampiakselit, vetoakselit ja vastaavat, joudutaan usein pintakäsittelemään, yleensä muokkaamalla pintaa (partikkelipuhallus, valssaus) tai pintakarkaisemal-la, väsymiskestävyyden parantamiseksi. Keksinnön mukaisen terässeoksen ja keksinnön mukaisen käsittelyn yhdistelmä vähentää olennaisesti pintakäsittelytarvetta edellä kuvatun tyyppisillä tuotteilla alentaen siten valmistuskustannuksia.

Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada takokappale, jonka väsymislujuus on korkea ilman, että siitä seuraa yllä kuvattuja tunnetun tekniikan haittapuolia. Samalla saavutetaan yllä esitetyt edut. Keksinnön tarkoitus saavutetaan patenttivaatimuksen 1 mukaisella menetelmällä ja patenttivaatimuksen 6 mukaisella takokappaleella.

Keksinnön mukaista terässeosta muistuttavia terässeoksia on aiemmin käytetty mm. teräsjousien ja erilaisten kiinnitys-elimien raaka-aineena, kuten kuulutusjulkaisussa FI 48204 on selostettu. Olennainen ero keksinnön mukaisen takokappaleen ja tunnettujen jousien ja kiinnityselimien välillä on, että keksinnön mukaan valmistetun kappaleen mikrorakenne on pääasiallisesti, yleensä yli 90-prosenttisesti ferriittis-perliittinen, mikä saavutetaan ilmajäähdytyksellä, kun taas jousien tai kiinnityselimien mikrorakenne' valtaosaltaan koostuu martensiitista tai bainiitista, mikä saadaan aikaan nuorrutuksella tai bainittikarkaisulla.

Keksinnön tarkoittaman menetelmän mukaan aihiot kuumataotaan yli 800°C lämpötilassa ja tämän jälkeen ne saavat jäähtyä ilmassa. Tämä käsittely on sinänsä tunnettu mikroseoste-rästen käsittelymenetelmänä, jonka tarkoituksena on silloin korvata erillinen nuorrutuskäsittely valmistuskustannusten alentamiseksi. Keksinnön mukaisessa tapauksessa käsittelyn * tulos on erilainen. Teräksen suuri piipitoisuus aikaansaa

II

3 95050 parannetun väsymislujuuden. Oletettavasti tämä johtuu siitä, että teräkseen muodostuu pieniä määriä jäännösausteniittia, jotka väsyttävässä kuormituksessa muuttuvat martensiitiksi. Tällöin tapahtuu ns. syklinen muokkauslujittuminen, joka parantaa väsymislujuutta.

Uutta keksinnössä on keksinnön mukaisen, runsaasti piitä sisältävän teräksen ja mikroseosterästakeiden valmistuksessa yleisesti käytetyn käsittelymenetelmän yhdistäminen. Tulokseksi saadaan yllä esitetyistä syistä väsymiskestävyydeltään muita aiemmin tunnettuja mikroseosterästuotteita olennaisesti parempi tuote.

Tavallista korkeampi piipitoisuus ilmajäähdytettävissä mikroseosteräksissä on tunnettu julkaisusta DE 3009443 AI. Keksintö eroaa tästä ensinnäkin siinä, että piipitoisuus on korkeampi ja toiseksi tarkoitus on parantaa väsymislujuutta, kun taas tunnetun tekniikan tarkoitus on parantaa lovi-iskusi tkeyttä eikä väsymislujuutta.

Keksinnön mukaiselle kappaleelle on edullista, että sen valmistuprosessiin kuuluu ennen kuumataontaa suoritettava kuumentaminen niin korkeaan lämpötilaan, että kappaleen sisältämät vanadiinikarbonitridit liukenevat. Tämä parantaa kappaleen lujuutta siten, että se yleensä on lähellä sivulla 1 mainittua optimiarvoa, mikä myös väsymislujuuden kannalta on edullista.

Rajoittamalla keksinnön mukaisen kappaleen typpipitoisuus korkeintaan 0,012 painoprosenttiin tai titaanipitoisuus korkeintaan 0,01 painoprosenttiin saavutetaan se etu, että väsymislujuuden kannalta haitallisia, suuria nitridipartik-keleita ei pääse muodostumaan. Tämä varmistuu etenkin, jos kappaleen valmistusprosessissa käytetään jatkuvavalumenetel-mää.

Parempien mekaanisten ominaisuuksien saavuttamiseksi kappaleen jäähdytystä voidaan tehostaa käyttämällä jäähdytysvä- 4 95050 liaineena virtaavaa, mieluimmin esimerkiksi vesisumulla kosteutettua ilmaa. Tällaista tehostettua jäähdytystä on edullista käyttää kappaleen lämpötilan ollessa yli 600°C. Tehostettu jäähdytys aikaansaa sen, että kappale saavuttaa riittävän lujuuden ilman, että sen sitkeysominaisuudet huononevat. Tämä aiheutuu siitä, että tehokkaampi jäähdytys hienontaa kappaleen mikrorakennetta. Raekoko pienenee ja perliitin lamellietäisyys jää pieneksi, , jolloin lujuus paranee, mutta tästä huolimatta sitkeys säilyy.

Seuraavat koetulokset osoittavat keksinnön tarkoittaman menetelmän ja terässeoksen yhdistelmällä saavutetut parannukset väsymislujuudessa.

Taulukko I Koeseosten ja vertailumateriaalien kemialliset koostumukset painoprosentteina.

SEOS C Si Μη V S Cr AI N Nb Ti VERTAILU1 0.44 0.52 1.06 0.12 0.044 0.58 0.013 0.012 0.00 0.00 VERTAILU2 0.46 0.51 0.98 0.13 0.053 0.45 0.015 0.009 0.00 0.00 VERTAILU3 0.42 0.53 1.00 0.14 0.084 0.36 0.017 0.012 0.00 0.00 VERTAILU4 0.37 0.56 1.38 0.15 0.063 0.22 0.016 0.010 0.00 0.00 KOESEOS1 0.34 1.40 0.88 0.14 0.060 0.19 0.035 0.015 0.00 0.00 KOESEOS2 0.43 1.26 1.08 0.18 0.030 0.33 0.014 0.013 0.00 0.00 j

Taulukko II Koesulatusten ja vertailumateriaalin väsymislujuudet pyörivässä taivutusväsytyksessä, kappaleet jäähdytettyinä ilmassa muokkauslämmöstä.

SEOS I MITTA TILA Sv(10‘7) Rm Sv/Rm KOESEOKSEN

tehollinen N/mm2 N/mm2 PAREMMUUS, % KOESEOS 1 050 mm taottu 429 852 0.503 VERTAILU2 050 · taottu 431 952 0.453 11 VERTAELU3 050 - taottu 396 868 0.456 10 VERTAILU4 050 ' taottu 430__932 0.461 9 KOESEOS2 06O mm valss. 543 1024 0.530 VERTAILU 1 042 ·· valss. 373 916 0.407 30 VERTAILU2 035 · valss. 375 891 0.421 26 VERTAILU3 045 “ vaiSs. 404 875 |0.462 15 Väsymislujuus Sv on määritelty pyörötaivutuskokeella, kuor-manvaihtoluku 10 miljoonaa kierrosta. Vetomurtolujuus Rm vaikuttaa väsymislujuuteen, joten materiaaleja vertailtaessa 5 95050 on tarkasteltava väsymislujuuden ja mur-toluj uuden suhdetta. Nykytekniikan mukaisiin vertailuteräksiin nähden väsymislujuuden parannus on keksinnön mukaan n. 10...30 %.

Keksintö ei rajoitu esitettyihin esimerkkeihin, vaan useita muunnelmia on ajateltavissa oheisten patenttivaatimusten puitteissa.

Claims (6)

6 95050

1. Menetelmä väsymiskuormitusta hyvin kestävän takokappaleen valmistamiseksi, tunnettu siitä kombinaatiosta, että halutun kappaleen aihio tehdään aineesta, joka raudan lisäksi sisältää seuraavia aineita: C 0,2 ... 0,6 painoprosenttia Si 1,25 ... 2,0 Mn 0,5 ... 1,5 V 0,04 ... 0,2 S 0 ... 0,2 Cr 0 ... 0,5 AI 0 ... 0,1 N 0 ... 0,04 Nb 0 ... 0,1 Ti 0 ... 0,05 että aihiota taotaan yli 800®C lämpötilassa ja että täten takokappaleeksi muuttunut aihio tämän jälkeen jäähdytetään siihen pääasiallisesti tasapuolisesti vaikuttavassa ilmassa tai kaasussa pääasiallisesti ferriittis-perliittisen mikrorakenteen saavuttamiseksi.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aihio ennen kuumataontaa kuumennetaan lämpötilaan, jossa sen sisältämät vanadiinikarbonitridit liukenevat.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aineen typpipitoisuus pidetään pienempänä kuin ; 0,012 painoprosenttia.

4. Patenttivaatimuksen 1, 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että aineen titaanipitoisuus pidetään pienempänä kuin 0,01 painoprosenttia.

5. Jonkin yllä olevan patenttivaatimuksen mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että takokappaleen jäädytyksessä ainakin 95050 sen lämpötilan ollessa yli 600eC käytetään jäähdytysväliainee-na kuivaa tai kosteaa virtaavaa ilmaa tai kaasua.

6. Väsymiskuormitusta hyvin kestävä takokappale, tunnettu siitä, että se on tehty aineesta, joka raudan lisäksi sisältää seuraavia aineita: C 0,2 ... 0,6 painoprosenttia Si 1,25 ... 2,0 Mn 0,5 ... 1,5 V 0,04 ... 0,2 S 0 ... 0,2 Cr 0...0,5 AI 0 ... 0,1 N 0 ... 0,04 Nb 0 ... 0,1 Ti 0 ... 0,05 ja että kappaleen valmistusvaiheessa on suoritettu huomattava kappaleen kuumamuokkaus yli 800°C lämpötilassa ja tämän jälkeen kappaleen pääasiallisesti tasapuolinen jäähdytys • ilmassa tai kaasussa siten, että valmiin kappaleen mikroraken ne on pääasiallisesti ferriittis-perliittinen. i / 8 95050