PL194349B1

PL194349B1 - Łupliwy element mechaniczny ze stali i sposób jego wytwarzania

Info

Publication number: PL194349B1
Application number: PL99342058A
Authority: PL
Inventors: Jacques Bellus; Pierre Dierickx; Vincent Jacot; Marc Robelet
Original assignee: Ascometal Sa
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2007-05-31
Also published as: RO120006B1; DK1051531T3; EP1051531B1; KR100560086B1; JP3854462B2; TR200002200T2; JP2002501985A; PT1051531E; CZ296664B6; PL342058A1; WO1999039018A1; DE69900247T2; KR20010024880A; BR9907926A; FR2774098A1; CZ20002768A3; ES2162514T3; SI20334A; EP1051531A1; FR2774098B1

Abstract

1. Lupliwy element mechaniczny ze stali, znamienny tym, ze jego wagowy sklad chemiczny wynosi 0,2% = C = 0,4% 0,1% = Si = 1,5% 0,3% = Mn = 1,4% 0,2% = V = 0,5% P = 0,150% 0,005% = N = 0,02%, opcjonalnie jeden lub wiecej pierwiastków z grupy zawierajacej do 0,1% olowiu, do 0,15% tel- luru, do 0,15% bizmutu, do 0,02% selenu, do 0,35% siarki i do 0,005% wapnia, oraz opcjonalnie co najmniej jeden pierwiastek z grupy zawierajacej do 0,05% tytanu, do 0,1% niobu i do 0,07% glinu, a reszte stanowi zelazo oraz zanieczyszczenia i pozostalosci resztkowe po wytapianiu, przy czym stal ma strukture zasadniczo ferrytyczno-perlityczna, w której frakcja ferry- tyczna wynosi co najmniej 20%, wytrzymalosc na rozciaganie stali jest mniejsza niz 1100 MPa, gra- nica plastycznosci jest wieksza niz 700 MPa, stosunek R e /R m jest wiekszy niz 0,73 a energia pekania K cv jest mniejsza niz 7 dzuli/cm 2 . PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest łupliwy element mechaniczny ze stali i sposób jego wytwarzania.

W szczególności wynalazek dotyczy wytwarzania pręta łączącego silnika spalinowego.

Niektóre części maszyn takie jak przykładowo pręty łączące silników spalinowych składają się z przynajmniej dwóch rozdzielnych elementów połączonych razem środkiem mocującym takim jak śruby. Części takie mogą być wykonane z żeliwa, ze spieczonego i kutego proszku metalu lub ze stali kowalnej. Wynalazek dotyczy zwłaszcza prętów łączących wykonanych ze stali kowalnej.

Stal, z której są wykonane kowalne pręty łączące musi być podatna na kucie i na obróbkę mechaniczną i musi posiadać własności mechaniczne umożliwiające właściwe zachowanie się prętów łączących podczas pracy. Wymagane własności mechaniczne zwykle obejmują twardość pomiędzy 210 HB i 360 HB i ostateczną wytrzymałość na rozciąganie pomiędzy 650 MPa i 1200 MPa dla uzyskania wystarczającej wytrzymałości zmęczeniowej, oraz granicę plastyczności pomiędzy 300 MPa i 800 MPa, aby zapobiec odkształceniu przez przekroczenie granicy plastyczności. Dla niektórych prętów łączących granica plastyczności musi wynosić więcej niż 700 MPa, a wytrzymałość na rozciąganie musi być mniejsza niż 1100 MPa.

Pręty łączące, które zawierają dwie oddzielne części - korpus i głowicę - mogą być wytwarzane przez przekuwanie odkuwki. Następnie odkuwka podlega obróbce maszynowej i zostaje rozdzielona na dwie części poprzez pękanie kruche we wstępnie określonej płaszczyźnie. Tego rodzaju technika stosowana do oddzielnych części przynosi liczne korzyści, zwłaszcza ze względu na znaczne uproszczenie kolejności etapów wytwarzania poprzez eliminację operacji obróbki. Z drugiej strony, wymaga ona stosowania „rozdzielnej” stali, to znaczy stali umożliwiającej właściwe przeprowadzanie pękania kruchego.

Ze zgłoszenia patentowego JP 8-291373 jest znane wytwarzanie rozdzielnych prętów łączących ze stali zawierającej od 0,4% do 0,6% węgla, od 0,5% do 5% krzemu, od 0,1% do 0,8% manganu, od 0,1% do 0,5% chromu, od 0,1% do 0,5% wanadu i od 0,01% do 0,2%, korzystnie więcej niż 0,05% fosforu, gdzie resztę stanowi żelazo, zanieczyszczenia i ewentualnie niewielkie dodatki wprowadzane dla polepszenia obrabialności skrawaniem. Jednakże, tego rodzaju stal ma wadę polegającą na posiadaniu prawie całkowicie perlitycznej struktury, co ogranicza frakcję ferrytyczną, a co za tym idzie powoduje twardnienie przez wytrącanie węglikoazotku, i wzrost kruchości ferrytu. Ponadto dla tego rodzaju stali własności rozciągania (Re i Rm) są bardzo wrażliwe na warunki chłodzenia, co zmniejsza niezawodność produkcji masowej takich części.

W zgłoszeniu patentowym FR 2 742 448 ujawniono zastosowanie stali zawierającej od 0,25% do 0,5% węgla, od 0,2% do 1,5% krzemu, od 0,1% do 2% manganu, mniej niż 0,15% chromu, mniej niż 0,15% niklu, mniej niż 0,5% molibdenu, mniej niż 0,35% miedzi, od 0% do 0,2% wanadu, od 0,04% do 0,2% fosforu i od 0,005% do 0,02% azotu, gdzie resztę stanowi żelazo, zanieczyszczenia i ewentualnie niewielkie ilości dodatków polepszających skrawalność. Tego rodzaju stal pozwala na uzyskanie łatwo rozdzielnej struktury ferrytyczno-perlitycznej. Z drugiej strony nie umożliwia ona uzyskania granicy plastyczności większej niż 700 MPa i wytrzymałości na rozciąganie mniejszej niż 1100 MPa. Ponadto, rozdzielczość może być uzyskana jedynie z większym dodatkiem fosforu, co stanowi wadę polegającą na zwiększeniu ryzyka rozdzielania, utrudniającego skrawanie.

Celem wynalazku jest wyeliminowanie tych niedogodności przez zaproponowanie środka do wytwarzania rozdzielnych odkuwek, których granica plastyczności jest większa niż 700 MPa, a wytrzymałość na rozciąganie jest mniejsza niż 1100 MPa, mających dobrą skrawalność i które to odkuwki nadają się do przeprowadzania na nich operacji kruchego pękania w zadowalających warunkach przemysłowych.

Łupliwy element mechaniczny ze stali, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że jego wagowy skład chemiczny wynosi 0,2% £ C £ 0,4%; 0,1% £ Si £ 1,5%; 0,3% £ Mn £ 1,4%; 0,2% £ V £ 0,5%; P £ 0,150%; 0,005% £ N £ 0,02%, opcjonalnie jeden lub więcej pierwiastków z grupy zawierającej do 0,1% ołowiu, do 0,15% telluru, do 0,15% bizmutu, do 0,02% selenu, do 0,35% siarki i do 0,005% wapnia, oraz opcjonalnie co najmniej jeden pierwiastek z grupy zawierającej do 0,05% tytanu, do 0,1% niobu i do 0,07% glinu, a resztę stanowi żelazo oraz zanieczyszczenia i pozostałości resztkowe po wytapianiu. Stal ma strukturę zasadniczo ferrytyczno-perlityczną, w której frakcja ferrytyczna wynosi co najmniej 20%, wytrzymałość na rozciąganie stali jest mniejsza niż 1100 MPa, granica plastyczPL 194 349 B1 ności jest większa niż 700 MPa, stosunek Re/Rm jest większy niż 0,73 a energia pękania Kcv jest ₂ mniejsza niż 7 dżuli/cm².

Korzystnie, skład chemiczny łupliwego elementu mechanicznego jest taki, że P £ 0,03%.

Korzystnie, pozostałości resztkowe stanowiące nikiel, chrom i molibden są następujące:

Ni + Cr £ 0,45% oraz Mo £ V 0,06%.

Korzystnie, frakcja ferrytyczna wynosi co najmniej 30%.

Korzystnie, stosunek Re/Rm jest większy niż 0,75.

Korzystnie, wytrzymałość na rozciąganie Rm jest większa lub równa 850 MPa.

Korzystnie, łupliwy element mechaniczny stanowi pręt łączący.

Sposób wytwarzania łupliwego elementu mechanicznego ze stali, przeznaczonego na co najmniej dwie oddzielne części, zgodnie z którym przedkuwkę wykonaną ze stali kuje się aż do otrzymania częściowej odkuwki, następnie poddaje się ją co najmniej jednej operacji skrawania i tak otrzymany element rozdziela się na co najmniej dwie części przez przełom kruchy, według wynalazku jest charakterystyczny tym, że przedkuwkę, której wagowy skład chemiczny wynosi: 0,2% £ C £ 0,4%; 0,1% £ Si £ 1,5%; 0,3% £ Mn £ 1,4%; 0,2% £ V £ 0,5%; P £ 0,150%; 0,005% £ N £ 0,02% i opcjonalnie jeden lub więcej pierwiastków z grupy zawierającej do 0,1% ołowiu, do 0,15% telluru, do 0,15% bizmutu, do 0,02% selenu, do 0,35% siarki i do 0,005% wapnia, oraz opcjonalnie co najmniej jeden pierwiastek z grupy zawierającej do 0,05% tytanu, do 0,1% niobu i do 0,07% glinu, a resztę stanowi żelazo oraz zanieczyszczenia i pozostałości resztkowe wytapiania, ogrzewa się do temperatury pomiędzy AC3+ 150°C i 1370°C, przy czym operację przekuwania kończy się przy temperaturze powyżej 800°C, a po przekuciu częściową odkuwkę chłodzi się w temperaturze pokojowej z szybkością od 0,4°C/s do 1,5°C/s, aż do osiągnięcia temperatury 700°C.

Stal stosowana w wynalazku jest stalą węglową lub niskostopową do konstrukcji mechanicznych, której skład chemiczny w procentach wagowych zawiera:

więcej niż 0,2% a korzystnie więcej niż 0,21% węgla, dla uzyskania wystarczająco dużej wytrzymałości mechanicznej, ale mniej niż 0,4% węgla dla uniknięcia zbyt dużej wrażliwości własności mechanicznych na warunki chłodzenia, jak również dla uniknięcia uzyskania zbyt dużej twardości utrudniającej skrawanie, od 0,1% do 1,5% krzemu będącego pierwiastkiem odtleniającym, który musi być dodany w ilościach większych niż 0,1% dla zapewnienia prawidłowego odtlenienia, alew ilościach mniejszych niż 1,5% a korzystnie pomiędzy 0,6% i 1,2% ponieważ pierwiastek ten powoduje utwardzenie i zwiększenie kruchości ferrytu, co jest korzystne dla dobrej skrawalności i zdolności łatwego pękania kruchego, od 0,3% do 1,4% manganu dla ustalenia siarki w postaci siarczków manganu i dla regulacji twardości w celu uzyskania zasadniczo ferrytyczno-perlitycznej struktury zawierającej przynajmniej 30% ferrytu, co jest korzystne dla skrawalności, przy czym korzystnie struktura ta zawiera co najmniej 90% ferryto-perlitu, od 0,2% do 0,4%, a korzystnie więcej niż 0,21% wanadu, dla utwardzenia ferrytu i dla uzyskania granicy plastyczności większej niż 700 MPa i stosunku granicy plastyczności do wytrzymałości na rozciąganie większego niż 0,75, co wpływa korzystnie na zdolność kruchego pękania, do 0,2% ale korzystnie mniej niż 0,03% fosforu, przy czym duża zawartość fosforu wpływa korzystnie na zdolność kruchego pękania, jednakże zaleca się ograniczenie zawartości fosforu do 0,03% dla ograniczenia rozdzielania, które wpływa niekorzystnie na zdolności do obróbki maszynowej, od 0,005% do 0,02% azotu dla utworzenia azotków wanadu, które utwardzają ferryt, opcjonalnie jeden lub więcej pierwiastków z grupy obejmującej do 0,1% ołowiu, do 0,15% telluru, do 0,15% bizmutu, do 0,02% selenu, do 0,35% siarki i do 0,005% wapnia dla polepszenia skrawalności, oraz opcjonalnie co najmniej jeden pierwiastek z grupy obejmującej do 0,05% tytanu, do 0,01% niobu i do 0,07% glinu, dla ograniczenia rozrostu ziaren podczas kucia.

Resztę składu stanowi żelazo, zanieczyszczenia i pozostałości resztkowe po stapianiu. Pozostałości resztkowe pozostawione przez materiały surowcowe stanowią głównie nikiel, chrom i molibden. Dla otrzymania struktury zasadniczo ferrytyczno-perlitycznej, zawierającej co najmniej 20% a korzystnie więcej niż 30% ferrytu, zawartość pozostałości resztkowych musi być korzystnie kontrolowana tak, aby suma zawartości Ni+Cr była mniejsza niż 0,45% i tak, aby zawartość molibdenu była mniejsza niż 0,05%.

Ponadto, dla właściwego kontrolowania struktury zaleca się taką zawartość manganu i wanadu, aby Mn + 10V £ 5,2%.

PL 194 349 B1

W celu wytworzenia rozdzielnej części, przedkuwkę stalową, o składzie podanym wyżej, ogrzewa się do temperatury pomiędzy AC3 + 150°C i 1370°C tak, aby austenityzować i przesycać wanad, a następnie kuje się ją na gorąco w celu otrzymania rozdzielonego półfabrykatu, przy czym operacja kucia zostaje zakończona w temperaturze ponad 800°C. Bezpośrednio po operacji kucia, rozdzielony półfabrykat chłodzi się w sposób kontrolowany do temperatury pokojowej, na przykład w powietrzu, z szybkością chłodzenia pomiędzy 0,5°C/s i 1,5°C/s aż do osiągnięcia 700°C. W efekcie otrzymuje się zasadniczo ferrytyczno-perlityczną strukturę (to znaczy, w co najmniej 90% ferrytyczno-perlityczną), zawierającą przynajmniej 20%, a korzystnie więcej niż 30%, ferrytu, której granica plastyczności Re jest większa niż 700 MPa, i której wytrzymałość na rozciąganie Rm jest mniejsza niż 1100 MPa, ale korzystnie większa niż 850 MPa. Ponadto energia pękania Kcv jest mniejsza niż 7 dżuli/cm² w temperaturze pokojowej, a współczynnik Re/Rm jest większy niż 0,73, a korzystnie większy niż 0,75. Te ostatnie dwa warunki umożliwiają uzyskanie czystych pęknięć, których brzegi nie są zdeformowane, co oznacza dobrą rozdzielczość. Uzyskany w ten sposób rozdzielony półfabrykat następnie jest skrawany, po czym rozdzielony na dwa elementy poprzez kruche pękanie.

W pierwszym przykładzie wytworzono pręty łączące ze stali, której skład chemiczny w procentach wagowych wynosił:

C = 0.319%

Si = 0.61%

Mn = 1.02%

V = 0.3%

Ni = 0.214%

Cr = 0.21%

Mo = 0.05%

Cu = 0.21%

S = 0.059%

P = 0.017%

Al = 0.02%

N = 0.0085% resztę stanowiło żelazo i zanieczyszczenia pozostałe po stapianiu.

Przed operacją kucia, stalowe przedkuwki ogrzano do temperatury 1270°C, zaś temperatura pod koniec kucia wynosiła 1005°C. Po przekuciu, odkuwkę ochłodzono w powietrzu przy średniej szybkości chłodzenia przy 700°C wynoszącą 0,9°C/s.

Uzyskano własności:

struktura: 98% ferrytyczno-perlityczna z 60% ferrytu.

Rm = 1050 MPa;

Re = 840 MPa;

A% = 14.5% ₂

Kcv = 4 dżule/cm² w temperaturze pokojowej.

Następnie odkuwki poddano obróbce skrawaniem, po czym wszystkie rozdzielono na dwa elementy przez pękanie kruche. To rozdzielenie przez pękanie kruche przeprowadzono bez jakichkolwiek trudności.

W drugim przykładzie wytworzono pręty łączące z użyciem stali, której skład wagowy był następujący:

C = 0.208%

Si = 0.605%

Mn = 1.02%

V = 0.3%

Ni = 0.212%

Cr = 0.211%

Mo = 0.05%

Cu = 0.205%

S = 0.059%

P = 0.016%

Al = 0.022%

N = 0.0077% resztę stanowiło żelazo i zanieczyszczenia pozostałe w wyniku stapiania.

PL 194 349 B1

Przed kuciem stalową przedkuwkę ogrzano do 1270°C, zaś temperatura przy końcu kucia wynosiła 1025°C. Po przekuciu, odkuwkę ochłodzono w powietrzu ze średnią szybkością chłodzenia przy 700°C wynoszącą 0,9°C/s.

Otrzymano następujące własności:

struktura: 98% ferrytyczno-perlityczna z 60% ferrytu

Rm = 950 MPa;

Re = 740 MPa;

A% = 17%;

₂

Kcv = 5 dżuli/cm² w temperaturze pokojowej.

Następnie odkuwki poddano obróbce skrawaniem i wszystkie rozdzielono na dwa elementy poprzez pękanie kruche. To rozdzielenie poprzez pękanie kruche przeprowadzono bez jakiejkolwiek trudności.

Claims

1. Łupliwy element mechaniczny ze stali, znamienny tym, że jego wagowy skład chemiczny wynosi

0,2% £ C £ 0,4%

0,1% £ Si £ 1,5%

0,3% £ Mn £ 1,4%

0,2% £ V £ 0,5%

P £ 0,150%

0,005% £ N £ 0,02%, opcjonalnie jeden lub więcej pierwiastków z grupy zawierającej do 0,1% ołowiu, do 0,15% telluru, do 0,15% bizmutu, do 0,02% selenu, do 0,35% siarki i do 0,005% wapnia, oraz opcjonalnie co najmniej jeden pierwiastek z grupy zawierającej do 0,05% tytanu, do 0,1% niobu i do 0,07% glinu, a resztę stanowi żelazo oraz zanieczyszczenia i pozostałości resztkowe po wytapianiu, przy czym stal ma strukturę zasadniczo ferrytyczno-perlityczną, w której frakcja ferrytyczna wynosi co najmniej 20%, wytrzymałość na rozciąganie stali jest mniejsza niż 1100 MPa, granica plastyczności jest większa niż 700 MPa, stosunek Re/Rm jest większy niż 0,73 a energia pękania Kcv jest mniejsza niż 7 dżuli/cm² .

2. Łupliwy element mechaniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że jego skład chemiczny jest taki, że

P £ 0,03%.

3. Łupliwy element mechaniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że pozostałości resztkowe stanowiące nikiel, chrom i molibden są następujące:

Ni +Cr £ 0,45%

Mo £ V 0,06%.

4. Łupliwy element mechaniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że frakcja ferrytyczna wynosi co najmniej 30%.

5. Łupliwy element mechaniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że stosunek Re/Rm jest większy niż 0,75.

6. Łupliwy element mechaniczny według zastrz. 5, znamienny tym, że wytrzymałość na rozciąganie Rm jest większa lub równa 850 MPa.

7. Łupliwy element mechaniczny według zastrz. 1, znamienny tym, że stanowi pręt łączący.

8. Sposób wytwarzania łupliwego elementu mechanicznego ze stali, przeznaczonego na co najmniej dwie oddzielne części, zgodnie z którym przedkuwkę wykonaną ze stali kuje się aż do otrzymania częściowej odkuwki, następnie poddaje się ją co najmniej jednej operacji skrawania i tak otrzymany element rozdziela się na co najmniej dwie części przez przełom kruchy, znamienny tym, że przedkuwkę, której wagowy skład chemiczny wynosi:

0,2% £ C £ 0,4%

0,1% £ Si £ 1,5%

0,3% £ Mn £ 1,4%

0,2% £ V £ 0,5%

PL 194 349 B1

P £ 0,150%

0,005% £ N £ 0,02%, i opcjonalnie jeden lub więcej pierwiastków z grupy zawierającej do 0,1% ołowiu, do 0,15% telluru, do 0,15% bizmutu, do 0,02% selenu, do 0,35% siarki i do 0,005% wapnia, oraz opcjonalnie co najmniej jeden pierwiastek z grupy zawierającej do 0,05% tytanu, do 0,1% niobu i do 0,07% glinu, a resztę stanowi żelazo oraz zanieczyszczenia i pozostałości resztkowe wytapiania, ogrzewa się do temperatury pomiędzy AC3 + 150°C i 1370°C, przy czym operację przekuwania kończy się przy temperaturze powyżej 800°C, a po przekuciu częściową odkuwkę chłodzi się w temperaturze pokojowej, z szybkością od 0,4°C/s do 1,5°C/s, aż do osiągnięcia temperatury 700°C.