PL206236B1 - Sposób wytwarzania elementu kutego ze stali i element kuty wytwarzany tym sposobem - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementu kutego ze stali i element kuty otrzymany tym sposobem. Wynalazek dotyczy zwłaszcza dziedziny stali przeznaczonych do wytwarzania elementów kutych wytrzymałych na znaczne obciążenia.

Elementy tego rodzaju często wykonane są z żeliwa, szczególnie z żeliwa GS o strukturze perlitycznej, lub ze stali kutej o strukturze ferrytyczno-perlitycznej, która, jak się uważa, ma lepszą wytrzymałość na zmęczenie niż żeliwa. Wały korbowe silników benzynowych z zapłonem iskrowym są przykładem takich elementów.

Strefy o silnej koncentracji naprężeń mogą być wzmocnione przez różne obróbki termochemiczne, cieplne, lub mechaniczne, takie jak azotowanie, hartowanie indukcyjne, rolkowanie, śrutowanie.

Przypomina się, że rolkowanie stosowane do wału korbowego (to zastosowanie nie jest wyjątkiem) polega na doprowadzeniu do kontaktu dwóch rolek i rowka czopa. Rolki usytuowane są ukośnie w stosunku do rowków i przykł ada się do nich siłę normalną . Wał korbowy obraca się , a sił a normalna wywierana jest stopniowo przez rolki podczas liczby n1 obrotów, a następnie utrzymana jest o stałej wartości podczas n2 obrotów, następnie osłabiana stopniowo podczas n3 obrotów. Rolkowanie to wywołuje naprężenia szczątkowe od ściskania, na głębokości od 4 do 5 milimetrów. Umożliwia to znaczne polepszenie wytrzymałości na zmęczenie wałów korbowych z żeliwa GS o strukturze ferrytycznoperlitycznej. Jednak, wskutek lepszych parametrów na zmęczenie metalu bazowego, trwałość po rolkowaniu wałów korbowych ze stali kutej o strukturze ferrytyczno-perlitycznej staje się wyższa od trwałości wałów korbowych z żeliwa GS.

Dlatego też, stal o strukturze ferrytyczno-perlitycznej stosowana jest w sposób uprzywilejowany w silnikach benzynowych najbardziej obciążonych i w silnikach wysokoprężnych z wtryskiem bezpośrednim. Trzeba również zwracać uwagę, aby pęknięcia nie tworzyły się poza strefą wzmocnień, gdyż to uzasadnia wybór metalu o wysokich parametrach.

Stalami kutymi, o strukturze ferrytyczno-perlitycznej, często stosowanymi do tego celu są stale XC70, 45Mn5, 30MnSiV6 i 38MnSiV5, poddawane po kuciu zwykłemu chłodzeniu, w powietrzu uspokojonym. Stosowanie tego sposobu jest więc stosunkowo ekonomiczne, ale trwałość tych stali przy zastosowaniu znacznych obciążeń jest ograniczona.

Proponowano już wykonywanie takich elementów ze stali bainitycznej poczynając od gatunku 35MnV7, przez chłodzenie, po kuciu mającym miejsce w powietrzu pulsującym. Parametry wytrzymałościowe okazały się znacznie ulepszone w stosunku do istniejących rozwiązań, ale sposób wytwarzania był bardziej kosztowny. Ponadto, nie zawsze jest możliwe dostosowywanie w tym sposobie, początkowo zaprojektowanej linii produkcyjnej do wytwarzania tych elementów przez chłodzenie powietrzem uspokojonym.

Celem wynalazku jest zaproponowanie połączenia gatunku stali i sposobu wytwarzania z niej elementu kutego, takiego jak wał korbowy silnika spalinowego z zapłonem iskrowym, przedstawiającego korzyści ekonomiczne w stosunku do istniejących rozwiązań, bez pogarszania parametrów metalurgicznych, a nawet je poprawiając. Element tak wytworzony będzie musiał mieć znaczną wytrzymałość na obciążenia zmęczeniowe. Ten sposób wytwarzania musiałby w szczególności, dać się dostosować do każdej linii kucia.

W tym celu, przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania elementu kutego ze stali, który charakteryzuje się tym, że:

- wytwarza się i odlewa się stal o składzie, w procentach wagowych, 0,06% < C < 0,35%. 0,5% < Mn < 2%, ilości śladowe < Si < 2%, ilości śladowe < Ni < 1,5%, ilości śladowe < Al < 0,1%, ilości śladowe < Cr < 1,5%, ilości śladowe < Mo < 0,30%, ilości śladowe < V < 0,5%, ilości śladowe < Cu < 1,5%, a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z obróbki,

- kuje się półwyrób elementu w temperaturze od 1100 do 1300°C,

- przeprowadza się chłodzenie regulowane półwyrobu elementu powietrzem uspokojonym lub powietrzem pulsującym, z prędkością niższą lub równą 3°C/s, w temperaturze między 600 i 300°C. nadając półwyrobowi mikrostrukturę bainityczną,

- przeprowadza się obróbkę skrawaniem elementu,

- i wykonuje się operację mechanicznego wzmocnienia elementu w miejscach, które zwykle są szczególnie obciążone.

Korzystnie, stal zawiera od 5 do 50 części na milion B.

PL 206 236 B1

Korzystnie, stal zawiera od 0,005 do 0,04% Ti.

Jeśli B jest obecny, zawartość Ti korzystnie jest równa do co najmniej 3,5 razy zawartości N w stali.

Korzystnie, stal zawiera od 0,005 do 0,06% Nb.

Korzystnie, stal zawiera od 0,005 do 0,2% S.

W tym przypadku, korzystnie, stal zawiera co najmniej jeden z pierwiastków: Ca aż do 0,007%, Te aż do 0,03%. Se aż do 0,05%, Bi aż do 0,15% i Pb aż do 0,15%.

Według pierwszego przykładu wykonania wynalazku, zawartość węgla w stali mieści się w przedziale między 0,06 i 0,20%.

Zawartość Mn w stali wówczas korzystnie mieści się w przedziale między 0,5% i 1,5%, a zawartość Cr korzystnie mieści się w przedziale między 0,5% i 1,5%.

W tym przypadku, zawartość Cu w stali moż e mieścić się w przedziale między 0,5 i 1,5%.

Według innego przykładu wykonania wynalazku, zawartość C w stali mieści się w przedziale między 0,25 i 0,35%, zawartość Si mieści się w przedziale między ilościami śladowymi i 0,5%, zawartość Mn mieści się w przedziale między 0,8 i 2%, zawartość Cr mieści się w przedziale między 0,5 i 1,5%, zawartość Mo mieś ci się w przedziale mi ę dzy 0,05 i 0,20%, zawartość B mieś ci się w przedziale między 5 i 50 części na milion, a zawartość Ti mieści się w przedziale między 0,005 i 0,04%.

Według innego przykładu wynalazku, zawartość C w stali mieści się w przedziale między 0,20 i 0,35%, zawartość Si mieści się w przedziale między 0,5 i 2%, zawartość Mn mieści się w przedziale między 0,8 i 2%, zawartość Cr mieści się w przedziale między 0,5 i 1,5%, zawartość Mo mieści się w przedziale mię dzy 0,05 i 0,20%, zawartość B mieś ci się w przedziale mię dzy iloś ciami ś ladowymi i 50 części na milion, a zawartość Ti mieś ci się w przedziale mię dzy iloś ciami ś ladowymi i 0,04%.

W tym przypadku, można wykonać odpuszczanie w temperaturze 300-500°C w czasie 1 do 3 h, po obróbce skrawaniem lub po chłodzeniu regulowanym powietrzem, i przed obróbką skrawaniem.

Operacją wzmocnienia mechanicznego może być rolkowanie.

Przedmiotem wynalazku jest również element kuty ze stali, który charakteryzuje się tym, że stal otrzymana jest jednym z powyżej opisanych sposobów.

Ten element może być utworzony przez wał korbowy silnika spalinowego z zapłonem iskrowym.

Operacja wzmocnienia mechanicznego jest wówczas korzystnie przeprowadzona na przejściach czopów i łożysk wału korbowego.

Jak to będzie zrozumiałe, wynalazek polega na połączeniu gatunku stali i sposobu obróbki następującej po odlewaniu, zawierającej etap kucia elementu, chłodzenie przeprowadzone powietrzem uspokojonym lub powietrzem pulsującym i wzmacnianie mechaniczne stref elementu, które będą najbardziej obciążone. Skład wybranej stali gwarantuje, że niezależnie od sposobu chłodzenia, wyniki wytrzymałości na zmęczenie elementów kutych z tej stali wzmocnionej mechanicznie w miejscach najbardziej obciążonych, będą wystarczające, aby odpowiadać wymaganiom użytkowników. Wytwarzanie wałów korbowych silników benzynowych z zapłonem iskrowym o wysokich parametrach jest uprzywilejowanym zastosowaniem wynalazku.

Zwykle, kryterium określającym charakter przystosowania lub nie, stali do użytkowników jest granica trwałości na zmęczenie materiału będącego początkowo w stanie bez pęknięć, biorąc pod uwagę szczątkowe naprężenia wprowadzone na powierzchnię przez wzmacnianie mechaniczne.

Wynalazcy zdali sobie sprawę, że to kryterium nie jest w istocie trafne. W rzeczywistości, naprężenia szczątkowe wywołane przez rolkowanie (lub inny typ wzmacniania mechanicznego) zmniejszają się na powierzchni od pierwszych cykli na grubości około 1/10 milimetra, i na tej grubości materiał raptownie pęka. Jednak, rozszerzanie się szczelin blokuje się wskutek pola naprężeń szczątkowych początkowo wprowadzonych przez rolkowanie. Zmniejszanie się koncentracji naprężeń w rowku połączenia, również pełni taką rolę. Ale nie występuje zjawisko zmniejszania się naprężeń na tej grubości.

Im rolkowanie jest wykonane pod większym naciskiem, tym większa jest koncentracja naprężeń i tym łatwiej następują pęknięcia. I odwrotnie, ponieważ silny nacisk podczas rolkowania wytworzył naprężenia resztkowe na większej głębokości, pęknięcia te są blokowane na większej odległości i dla większych momentów, co ogranicza ryzyko pęknięcia elementu. Na ogół, uważa się jednak, że optymalnie pęknięcie nie powinno powstawać, aby nie dawać miejsca rezonansom i hałasom powstającym podczas użytkowania wału korbowego, który jest uprzywilejowanym zastosowaniem wynalazku.

Własności chemiczne stali i jej późniejsze, po odlewaniu, obróbki termomechaniczne zmierzają do otrzymania mikrostruktury bainitycznej, i również do otrzymania optymalnych własności mecha4

PL 206 236 B1 nicznych po wzmocnieniu mechanicznym takim jak rolkowanie. Ta mikrostruktura bainityczna powinna być możliwa do uzyskania w następstwie chłodzenia powietrzem uspokojonym, ale powinna też nadawać się również do chłodzenia powietrzem pulsującym. W ten sposób, elementy według wynalazku, będą mogły być wytwarzane na każdym istniejącym urządzeniu, które umożliwi po kuciu chłodzenie w powietrzu pulsującym, lub które umożliwi tylko chłodzenie powietrzem uspokojonym. Zatem, urządzenie do kucia, początkowo stosowane do obróbki elementów ze stali o mikrostrukturze ferrytyczno-perlitycznej, będzie mogło bez trudności i bez szczególnego przystosowania, obrabiać elementy o mikrostrukturze bainitycznej według wynalazku. Stale o mikrostrukturze bainitycznej uprzednio wykorzystywane do tych zastosowań, wymagały chłodzenia w powietrzu pulsującym, i dlatego nie zawsze mogły być obrabiane na dotychczas stosowanych urządzeniach.

Zgodnie z wynalazkiem, zaczyna się więc od opracowania stali, której skład będzie podany dokładniej i uzasadniony poniżej, a następnie odlewa się ją do postaci wlewków, lub w sposób ciągły, zależnie od ostatecznego kształtu elementu tak, aby otrzymać półprodukt.

Następnie, wykonuje się operację kucia półproduktu. Po tym kuciu następuje chłodzenie regulowane powietrzem nagrzanym ciepłem kucia, powietrzem uspokojonym lub powietrzem pulsującym.

Następnie wykonuje się, w sposób klasyczny, obróbkę skrawaniem elementu, a potem operację wzmocnienia mechanicznego w niektórych punktach zwanych punktami szczególnie obciążonymi podczas użytkowania elementu. W przypadku wału korbowego, wykonuje się, na przykład, rolkowanie przejść czopów.

Wymagane zakresy analityczne są następujące, dla różnych pierwiastków chemicznych, przed lub podczas obróbki (wszystkie składy procentowe podane są w procentach wagowych).

Zawartość węgla mieści się w przedziale między 0,06 i 0,35%. Zawartość ta umożliwia zmianę rodzaju otrzymanej mikrostruktury. Otrzymana zawartość węgla poniżej 0,06% w takiej mikrostrukturze nie jest zadowalająca dla wyznaczonych celów. Powyżej zawartości 0,35% węgla, w kombinacji z innymi pierwiastkami, nie otrzymano by mikrostruktury wystarczająco bainitycznej po chłodzeniu w powietrzu uspokojonym.

Zawartość manganu mieści się w przedziale od 0,5 do 2%. Ten pierwiastek dodany w ilości większej od 0,5% powoduje hartowność materiału i umożliwia otrzymanie szerokiego zakresu bainitycznego niezależnego od rodzaju chłodzenia. Zawartość wyższa od 2% mogłaby jednak powodować zbyt znaczną segregację.

Zawartość krzemu mieści się w przedziale od ilości śladowych do 2%. Ten pierwiastek, niekonieczny do omówienia, jest korzystny do utwardzania bainitu przez jego przejście w roztwór stały. Zawartość wyższa od 2% może jednak powodować problemy z obróbką skrawaniem materiału. Ponadto, krzem utrudnia tworzenie się węglików i wówczas występowałoby ryzyko tworzenia zbyt dużej ilości austenitu resztkowego, a nawet martenzytu w ilościach zbyt znacznych, podczas chłodzenia.

Zawartość niklu mieści się w przedziale od ilości śladowych do 1,5%. Ten pierwiastek, nie obligatoryjny, ułatwia hartowność i stabilizację austenitu. W przypadku, gdyby występowała miedź w ilości stosunkowo znacznej, nikiel umożliwia uniknięcie problemów związanych z obecnością tej miedzi podczas kucia. Powyżej 1,5% dodatek niklu jest bezużytecznie kosztowny, biorąc pod uwagę jego cele metalurgiczne.

Zawartość glinu mieści się w przedziale od ilości śladowych do 0,1%. Ten pierwiastek, nie obligatoryjny, jest silnym odtleniaczem i nawet dodany w małej ilości, umożliwia ograniczenie ilości tlenu rozpuszczonego w ciekłej stali, a więc poprawia zawartość wtrąceń w elemencie, jeśli chciałoby się uniknąć ponownego zbyt znacznego utleniania podczas odlewania.

Zawartość chromu (pierwiastek nie obligatoryjny) mieści się w przedziale od ilości śladowych do 1,5%. Podobnie jak mangan, chrom przyczynia się do poprawy hartowności. Jego dodatek powyżej 1,5% jest bezużytecznie kosztowny.

Zawartość molibdenu mieści się w przedziale od ilości śladowych do 0,30%. Ten pierwiastek, nie obligatoryjny, utrudnia tworzenie się ferrytu gruboziarnistego i stwarza większą pewność otrzymania struktury bainitycznej. Jego dodatek powyżej 0,30% jest bezużytecznie kosztowny.

Zawartość wanadu mieści się w przedziale od ilości śladowych do 0.5%. Ten pierwiastek, nie obligatoryjny, służy utwardzeniu bainitu przez przejście w roztwór stały. Jego dodatek w ilości ponad 0,5% jest bezużytecznie kosztowny.

Zawartość miedzi mieści się w przedziale od ilości śladowych do 1,5%. Ten pierwiastek, nie obligatoryjny, może poprawiać obróbkę skrawaniem, i wytrącając, powodować wtórne utwardzenie matePL 206 236 B1 riału. Jak to już zaznaczono, zaleca się łączenie z dużą zawartością niklu, aby zminimalizować problemy kształtowania na gorąco. Dodatek powyżej 1,5% jest bezużytecznie kosztowny.

Pierwiastki, które omówione zostały powyżej są tymi, których metalurgiczna rola jest lub może być bardzo ważna dla rozwiązania według wynalazku, ale inne pierwiastki omówione poniżej mogą też opcjonalnie występować w składzie stali, aby poprawiać niektóre jej własności.

Zawartość boru może się mieścić w przedziale między 5 i 50 części na milion. Bor może poprawiać hartowność, ale aby był skuteczny, musi być w roztworze stałym. Inaczej mówiąc, należy unikać, aby cała zawartość boru, lub prawie cała, nie występowała w postaci azotków lub węglikoazotków boru. W tym celu, zaleca się kojarzenie dodatku boru z dodatkiem tytanu, korzystnie w proporcji takiej jak 3,5 x N% < Ti%. W tym ostatnim warunku można wychwycić cały rozpuszczony azot i uniknąć tworzenia się azotków lub węglikoazotków boru. W tym celu, minimalna zawartość tytanu wynosi 0,005%, dla najniższych zawartości azotu zwykle spotykanych. Jednak, zaleca się nie przekraczać zawartości 0,04% tytanu, jeśli nie chce się otrzymać azotków tytanu o zbyt dużej wielkości.

Tytan spełnia również funkcję ograniczającą rozrost ziarna austenitycznego w wysokiej temperaturze, i dlatego może być dodawany niezależnie od boru.

Niob może również być dodawany w ilości między 0,005 i 0,06%. On także może wytrącać się w postaci węglikoazotków w austenicie, przez co może powodować utwardzanie materiału.

Wreszcie, w klasyczny sposób, można poprawiać zdolność do obróbki skrawaniem materiału poprzez dodanie siarki (od 0,005% do 0,2%), do której można dołączyć dodanie wapnia (aż do 0,007%), i/lub telluru (aż do 0,03%), i/lub selenu (aż do 0,05%), i/lub bizmutu (aż do 0,15%) i/lub ołowiu (aż do 0,15%).

Po otrzymaniu półproduktu mającego uprzednio podany skład, przystępuje się do kucia półwyrobu elementu według zwykle stosowanego sposobu. Podgrzewa się go aż do temperatury od 1100 do 1300°C, a następnie wykonuje się odkształcenie dające półwyrób elementu, który skrawa i wykańcza się jak zazwyczaj.

Następnie, po kuciu, wykonuje się chłodzenie regulowane elementu, albo powietrzem uspokojonym, albo powietrzem pulsującym. Na ogół, poddaje się element chłodzeniu z prędkością niższą lub równą 3°C/s w temperaturze między 600 i 300°C, aby otrzymać mikrostrukturę bainityczną.

Następnie, przystępuje się do obróbki skrawaniem elementu, jak zwykle, w warunkach umiarkowanych zależnie od otrzymanych cech twardości.

Wreszcie, przystępuje się do operacji wzmocnienia mechanicznego elementu w miejscach zwanych szczególnie obciążonymi podczas pracy. W przypadku wału korbowego silników benzynowych z zapłonem iskrowym, ta operacja może polegać na rolkowaniu przejść czopów i łożysk.

Aby otrzymywać elementy o cechach optymalnych dla ich różnych zastosowań, można rozważać różne przykłady wykonania wynalazku.

Według pierwszego przykładu wykonania wynalazku, ogranicza się zawartość węgla do 0,060,2%, aby otrzymać bainit niskowęglowy bardzo podatny na zgniot. Optymalnie, zawartość manganu musi być zawarta między 0,5 i 1,5%, a zawartość chromu między 0,5 i 1,5%.

Dla tych stali, własności rozciągania (granica plastyczności, wytrzymałość) otrzymanego wyrobu, nie są szczególnie wysokie. Zwykle, wytrzymałość na rozciąganie Rm jest rzędu 800-900 MPa, a granica plastyczności Re rzędu 550-650 MPa. Ale te stale mają dobrą obrabialność, która może być poprawiona przez dodatek miedzi w ilości od 0,5 do 1,5%.

Według innych przykładów wynalazku, reguluje się zawartość węgla do wartości wyższej niż w pierwszym przykładzie, zawartej między 0,20 i 0,35% tak, aby otrzymać wyrób końcowy o mikrostrukturze utworzonej z bainitu za pomocą węgla. Ta struktura daje wyrób o wysokich własnościach mechanicznych bezpośrednio po chłodzeniu regulowanym powietrzem.

Jeśli zawartość węgla jest zawarta między 0,25 i 0,35%, a zawartość krzemu niższa lub równa 0,5%, otrzymuje się strukturę utworzoną z bainitu górnego. Przy zawartości manganu od 0,8 do 2%, chromu od 0,5 do 1%, molibdenu od 0,05 do 0,2%, i zawartości boru i tytanu zgodne z poprzednimi danymi, otrzymuje się element mający dobrą podatność na zgniot, wytrzymałość na rozciąganie rzędu od 900 do 1000 MPa, granicę plastyczności zawartą między 600 i 700 MPa oraz obrabialność, która staje się zadowalająca, zwłaszcza w obecności miedzi, która mogła zaczynać się wytrącać podczas chłodzenia następującego po kuciu.

Jeśli zawartość węgla jest zawarta między 0,20 i 0,35%, zawartość krzemu zawarta między 0,5 i 2%, zawartość manganu zawarta między 0,8 i 2%, zawartość chromu zawarta między 0,5 i 1%, zawartość molibdenu zawarta między 0,05 i 0,2%, otrzymuje się strukturę utworzoną z bainitu

PL 206 236 B1 mieszanego (ziarnisty + wyższy). Ta struktura daje element o dobrej wytrzymałości zmęczeniowej i dobrej podatności na mechaniczne wzmacnianie przez śrutowanie, utwardzanie, rolkowanie, wstępne formowanie, itd. Pomyślano, że obecność resztkowego austenitu stosunkowo miękkiego, poprawi podatność na zgniot, i stąd stosowanie wstępnych naprężeń przez wzmacnianie mechaniczne. Wgłębienia rowków przejściowych połączenia są stosunkowo małe, co zmniejsza koncentrację naprężeń i zwiększa wytrzymałość na pęknięcie. Otrzymuje się zwykle, wytrzymałość na rozciąganie rzędu od 950 do 1250 MPa i granicę plastyczności rzędu od 600 do 800 MPa, które regulowane są przez zawartość krzemu. Obrabialność jest do zaakceptowania i może być poprawiona przez dodatki uprzednio opisane dla tego celu. Dodatek boru (aż do 50 części na milion) i/lub tytanu (aż do 0,04%) może być również zastosowany z wyżej podanych względów.

W tym ostatnim przykładzie wynalazku, można ponadto zastosować lekkie odpuszczanie w temperaturze od 300 do 500°C w czasie od 1 do 3 h. Przekształca się zatem austenit resztkowy w ferryt i węgliki, co umoż liwia niewielki wzrost granicy plastyczności bez obniżania wytrzymało ści na rozciąganie. Polepsza się z tego powodu wytrzymałość zmęczeniową o około 10%. Odpuszczanie to może być wykonane po obróbce skrawaniem lub po chłodzeniu, i przed tą obróbką.

Poniżej opisane zostaną dwa przykłady stosowania wynalazku i przykład porównawczy.

Próby mechaniczne, które zostały opisane, były wykonane (tak jak się to robi klasycznie wówczas, gdy chce się testować materiały dla wału korbowego) na próbkach, których geometria umożliwia odtwarzanie obciążeń złączy czopa wału korbowego, który pracuje na zginanie, i który został poddany cyklowi cieplnemu identycznemu z cyklem wywołanym przez kucie wału korbowego. Złącza te zostały też poddane rolkowaniu w analogicznych warunkach do warunków rolkowania klasycznego wykonanego na przejściach złącza czopów wału korbowego.

Tytułem odniesienia, przystąpiono do prób na próbkach ze stali 38MnSiV5 o strukturze ferrytyczno-perlitycznej, o składzie C = 0,38%, Mn = 1,4%, Si = 0,5%, S = 0,075%, Ni = 0,1%, Cr = 0,2%, Mo = 0,03%, Cu = 0,02%, V = 0,09%, N = 130 części na milion. Próbki te wycięte zostały ze stali, która poddana została walcowaniu, po którym nastąpiło chłodzenie powietrzem uspokojonym (0,5 do 1°C/s), które spowodowało wytrzymałość na rozciąganie 860 MPa i granicę plastyczności 570 MPa.

Rolkowanie zostało wykonane rolką nachyloną pod kątem 35° w stosunku do pionu, na rowkach o promieniu 1,35 milimetra, z podcięciem około 0,6 milimetra. Obciążenia stosowane podczas rolkowania zmieniały się od 800 do 1200 daN.

W tych warunkach, otrzymano momenty od 2090 do 1850 Nm w chwili zapoczątkowania pęknięć i momenty w chwili pęknięcia od 4050 do 4620 Nm (zauważono, że wówczas, gdy przyłożone obciążenie wzrasta, niezbędny moment do zapoczątkowania pęknięć zmniejsza się, ale moment pęknięcia wzrasta).

Wykonano te same próby na próbkach ze stali o strukturze bainitycznej odpowiadających wynalazkowi, o składzie C = 0,24%, Mn = 1,50%, Si = 0,7%, S H = 0,077%, Ni = 0,1%, Cr = 0,8%, Mo = 0,07%, Cu = 0,1%, V = 0,19%, B = 30 części na milion, Ti = 0,019%, N = 70 części na milion. Stal taka ma więc skład odpowiadający przykładowi według uprzednio opisanego wynalazku, ze zwiększoną zawartością węgla i krzemu o mieszanej strukturze bainitycznej i jest otrzymana po kuciu i chłodzeniu powietrzem uspokojonym (0,5 do 1°C/s). Żadne późniejsze odpuszczanie nie było przeprowadzane. W tych warunkach, otrzymuje się wytrzymałość na rozciąganie 1000 MPa i granicę plastyczności 640 MPa, które są znacznie lepsze niż dla stali odniesienia.

Wykonano rolkowanie próbki w tych samych warunkach, jak dla próbki odniesienia, zawsze ze stosowanymi obciążeniami od 800 do 1200 daN.

W warunkach tych, otrzymano momenty zapocz ą tkowania pę knięć od 2650 do 2400 Nm i momenty pęknięcia od 5200 do 5900 Nm. Dzięki rozwiązaniu według wynalazku, otrzymuje się bardzo znaczną poprawę tych dwóch granic, rzędu 30%.

Wynalazcy wyjaśniają ten wynik lepszą podatnością próbki wykonanej zgodnie z wynalazkiem i słabą relaksacją naprężeń dla danego obciążenia. To powoduje bardziej znaczne blokowanie już rozpoczętych pęknięć. Granica zapoczątkowania pęknięć jest poprawiona wskutek mniejszego zagłębienia rolek w rowkach. Koncentracja naprężeń jest mniejsza, a wytrzymałość na rozciąganie jest większa.

Wynalazcy spostrzegli również, w wyniku prób dyfrakcji promieniami Roentgena X, że zwykłe stale ferrytyczno-perlityczne ulegają większemu osłabieniu niż stale według wynalazku, które mają nawet wręcz przeciwnie, skłonność do wzmacniania się podczas ich użytkowania.

PL 206 236 B1

Główną zaletą wynalazku jest to, że dla mniejszych obciążeń podczas rolkowania, otrzymuje się te same wyniki w zakresie własności mechanicznych, jak dla klasycznych stali ferrytycznoperlitycznych. Można zatem oszczędzić rolki, co obniża cenę operacji rolkowania. Umożliwia to kompensowanie kosztów wymuszonych znaczną ilością pierwiastków stopowych w stali.

Dokonano również prób na próbkach stali o strukturze bainitycznej odpowiadającej wynalazkowi, o składzie C = 0,06%, Mn = 1,35%, Cr = 0,9%, Si = 0,39%, Ni = 0,25%, S = 0,003%, Cu = 0,22%, V - ś lady, N = 0,007%, Mo = 0,09% i B = 0,003%. Stal taka ma skł ad odpowiadają cy pierwszemu przykładowi wykonania według wynalazku. Chłodzenie powietrzem pulsującym przeprowadza się w przybliż eniu z prę dkoś cią od 2 do 3°C/s w temperaturze od 600 do 300°C. W tych warunkach, otrzymuje się wytrzymałość na rozciąganie 820 MPa, i granicę plastyczności 550 MPa, co jest porównywalne ze stalą odniesienia. Wykonano rolkowanie próbki w tych samych warunkach jak dla próbki odniesienia, zawsze z przyłożonymi obciążeniami od 800 do 1200 daN. W tych warunkach, otrzymano momenty zapoczątkowania pęknięć od 2300 do 2500 Nm i momenty pęknięcia od 5600 do 6120 Nm. Dzięki wynalazkowi, otrzymuje się jeszcze większą poprawę tych dwóch granic, odpowiednio rzędu 20 i 35%.

Należy zauważyć, że gatunki stali użyte w wynalazku mogą być równie dobrze chłodzone powietrzem uspokojonym jak i chłodzone powietrzem pulsującym, co prawda, że możliwa jest ich obróbka na każdym istniejącym urządzeniu do kucia.

Claims (17)

1. Sposób wytwarzania elementu kutego ze stali, znamienny tym, że:

- wytwarza się i odlewa się stal o składzie, w procentach wagowych, 0,06% < C < 0,35%, 0,5% < Mn < 2%, ilości śladowe < Si < 2%, ilości śladowe < Ni < 1,5%, ilości śladowe < Al < 0,1%, ilości śladowe < Cr < 1,5%, ilości śladowe < Mo < 0,30%, ilości śladowe < V < 0,5%, ilości śladowe < Cu < 1,5%, a resztę stanowi żelazo i zanieczyszczenia wynikające z obróbki,

- kuje się półwyrób elementu w temperaturze od 1100 do 1300°C,

- przeprowadza się chłodzenie regulowane półwyrobu elementu powietrzem uspokojonym lub powietrzem pulsującym, z prędkością niższą lub równą 3°C/s, w temperaturze między 600 i 300°C, nadając półwyrobowi mikrostrukturę bainityczną,

- przeprowadza się obróbkę skrawaniem elementu,

- i wykonuje się operację mechanicznego wzmocnienia elementu w miejscach, które zwykle są szczególnie obciążone.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stal zawiera od 5 do 50 części na milion B.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że stal zawiera od 0,005 do 0,04% Ti.

4. Sposób według zastrz. 2 i 3 wzięte razem, znamienny tym, że zawartość Ti jest równa do co najmniej 3,5 razy zawartości N w stali.

5. Sposób według jednego z zastrz. 1 do 4, znamienny tym, że stal zawiera od 0,005 do 0,06% Nb.

6. Sposób według jednego z zastrz. 1 do 5, znamienny tym, że stal zawiera od 0,005 do 0,2% S.

7. Sposób według zastrz. 6, znamienny tym, że stal zawiera co najmniej jeden z pierwiastków: Ca aż do 0,007%, Te aż do 0,03%, Se aż do 0,05%, Bi aż do 0,15% i Pb aż do 0,15%.

8. Sposób według jednego z zastrz. 1 do 7, znamienny tym, że zawartość węgla w stali mieści się w przedziale między 0,06 i 0,20%.

9. Sposób według zastrz. 8, znamienny tym, że zawartość Mn w stali mieści się w przedziale między 0,5% i 1,5% oraz tym, że zawartość Cr mieści się w przedziale między 0,5% i 1,5%.

10. Sposób według jednego z zastrz. 8 albo 9, znamienny tym, że zawartość Cu w stali mieści się w przedziale między 0,5 i 1,5%.

11. Sposób według jednego z zastrz. 1 do 7, znamienny tym, że zawartość C w stali mieści się w przedziale między 0,25 i 0,35%, zawartość Si mieści się w przedziale między ilościami śladowymi i 0,5%, zawartość Mn jest zawarta między 0,8 i 2%, zawartość Cr jest zawarta między 0,5 i 1,5%, zawartość Mo mieści się w przedziale między 0,05 i 0,20%, zawartość B mieści się w przedziale między 5 i 50 części na milion, a zawartość Ti mieści się w przedziale między 0,005 i 0,04%.

12. Sposób według jednego z zastrz. 1 do 7, znamienny tym, że zawartość C w stali mieści się w przedziale między 0,20 i 0,35%, zawartość Si mieści się w przedziale między 0,5 i 2%, zawartość Mn mieści się w przedziale między 0,8 i 2%, zawartość Cr mieści się w przedziale między 0,5 i 1,5%,

PL 206 236 B1 zawartość Mo mieści się w przedziale między 0,05 i 0,20%, zawartość B mieści się w przedziale między ilościami śladowymi i 50 części na milion, a zawartość Ti mieści się w przedziale między 0,005 i 0,04%.

13. Sposób według zastrz. 12, znamienny tym, że odpuszczanie przeprowadza się w temperaturze 300-500°C w czasie od 1 do 3 h, po obróbce skrawaniem lub po regulowanym chłodzeniu powietrzem i przed obróbką skrawaniem.

14. Sposób według jednego z zastrz. 1 do 13, znamienny tym, że operacją wzmocnienia mechanicznego jest rolkowanie.

15. Element kuty ze stali, znamienny tym, że jest otrzymany sposobem według jednego z zastrz. 1 do 14.

16. Element kuty według zastrz. 15, znamienny tym, że jest utworzony przez wał korbowy silnika spalinowego z zapłonem iskrowym.

17. Element kuty według zastrz. 16, znamienny tym, że operacja wzmocnienia mechanicznego wykonana jest na przejściach złącza czopów i łożysk wału korbowego.