SE527221C2 - Borstålsort för induktionshärdning jämte axel - Google Patents

Description

20 25 527 2121 2 ningarna i ytzonen speciellt höga och utmattningshållfastheten bättre jämfört med vad som uppnås vid progressiv induktionshärdning, där värmning och efterföljande kylning sker under en kontinuerlig inbördes förskjutning mellan induktor/kyldusch och detaljen, som skall härdas. Spänningarna, inte minst dragspänningama i käman, kan dock vid stationär induktionshärdning bli så stora under sj älva härdningsproces- sen att sprickor, centrumsprickor, uppkommer i kärnan. Kan centrumsprickor und- vikas ger emellertid stationär induktionshärdning av en axel mycket god utmatt- ningshållfasthet. En typisk och representativ relation är ca 20.000 belastningscykler vid 20 kNm vridutmattning för progressiv induktionshärdning att jämföras med ca 80.000 belastningscykler vid 20 kNm vridutmattning för stationär induktionshärd- ning.

Låglegerade borstål har visat sig mycket känsliga För ovan relaterade fenomen, vil- ket under vissa betingelser ger upphov till centrumsprickor, vilka naturligtvis är oacceptabla i den härdade produkten. Sprickor av detta slag är normalt svåra att upptäcka då de ej löper ut till den aktuella produktens yta. De har dock visat sig möjliga att detektera vid undersökning medelst ultraljud.

Föreliggande uppfinning har till syfte att åstadkomma låglegerade borstål som kan induktionshärdas statiskt utan att centrumsprickor uppstår. 2. Sammanfattning av uppfinningen Syftet enligt ovan uppnås med borstål och axlar enligt bifogade patentkrav 1 och 3.

Ytterligare fördelar uppnås med vad som specificeras i de beroende patentkraven. 10 15 20 25 30 527 221 3. Kort beskrivning av ritningarna Nedan beskrivs uppfinningen närmare i anslutning till utföringsexempel och bifoga- de ritningar, där - Fig. 1 visar en sammanställning i tabellform över sprickförekomst som funktion av sammansättning, där främst molybden- och nickelhaltema varierar påtagligt, - Fig. 2 visar i diagramform sprickförekomst som funktion av molybden- och nick- elhalter, - Fig. 3 visar i ett axiellt snitt en drivaxel, för vilken experiment med stålsorter enligt föreliggande uppfinning utförts. 4. Detaljerad beskrivning av föredragna utföringsforrner I beskrivningen anger alla procenttal, som ges för element i de angivna stålsortema, viktprocent.

Stålsortema enligt uppfinningen är låglegerade borstål och stålsorter enligt uppfin- ningen med sarrnnansättningsområden enligt uppfinningen visas i tabell l tillsam- mans med en motsvarande känd stålsort.

Kol, som har väsentlig inverkan på induktionshärdningsegenskaperna, föreligger i halter mellan 0,30 och 0,50 %, vilket medför önskad hållfasthet efter härdning. Fö- redragen är en kolhalt uppgående till 0,3 8-0,45 %.

Kisel föreliggeri en mängd av 0,15-0,40 %, företrädesvis mer än 0,15 % upp till 0,40 %, och är främst tillsatt som bärare för andra legeringselement men är även nå- got hållfasthetshöj ande. 10 15 20 25 30 527 221 4 Mangan föreligger i en mängd av 1,10 upp till 1,50 %, företrädesvis mer än 1,10 % upp till 1,50 %, och verkar hållfasthetshöjande bl.a. genom en ökning av härdbarhe- ten, vilket vid stora härddjup kan påverka härddjupet vid induktionshärdning. Man- gan är även tillsatt för att binda upp svavel som annars verkar negativt vad gäller slagsegheten.

Fosforhalten, < 0,035 %, skall hållas låg för undvikande av sprödhet och härd- sprickor pga. komgränsförsvagning.

Svavel ökar maskinbearbetbarheten genom bildning av mangansulfid, MnS, men minskar samtidigt hållfastheten genom att MnS utgör svaga områden i den starkare stålmatrisen, vilka kan verka som sprickanvisningar. Svavelhalten bör här hållas i intervallet 0,020-0,050 %.

Krom föreligger i en mängd < 0,5 %, företrädesvis mer än 0,2 % och mindre än 0,5 %. Krom höjer härdbarheten och minskar risken för avkolning.

Molybden i en mängd av 0,030 % upp till 0,15 % har enligt uppfinningen visat sig ha förmåga att, tillsammans med vissa halter av nickel enligt nedan, förhindra upp- komsten av centrumsprickor vid bl.a. statisk induktionshärdning. Molybdenhalten specificeras normalt inte ens för borstål av detta slag. Det förefaller också troligt att en sådan tillsats av molybden i kombination med nickel även minskar risken för andra sorters härdsprickor. Föredraget är molybden i en mängd av 0,05 upp till 0,15 %.

Nickel i en mängd av 0,15 % upp till 0,40 % har tillsammans med molybden enligt ovan enligt uppfinningen visat sig ha förmåga att förhindra uppkomsten av centrum- sprickor vid bl.a. statisk induktionshärdning. Inte heller nickelhalten specificeras vanligen. Nickel anses såsom en förorening. Det förfaller också troligt att en sådan 10 15 20 25 30 527 221 s tillsats av molybden i kombination med nickel även minskar risken för andra sorters härdsprickor. Föredraget är nickel i en mängd av mer än 0,20 upp till 0,40 %.

Titan i vissa halter behövs för att hålla en viss halt av bor i fast lösning i stålet i syf- te att förbättra härdningsegenskaperna. Titan skall härvid föreligga i en mängd av 0,020-0,050 %.

Aluminium är ett desoxidationsmedel och förekommer därför i låga halter. Alumi- nium försämrar utmattningshållfastheten vid bildning av aluminiumoxid och halter- na av aluminium skall hållas < 0,050 %.

Bor i låga halter förbättrar härdningsegenskaperna, bl.a. härdbarheten, vilket vid sto- ra härddjup kan påverka härddjupet vid induktionshärdning. I fast lösning önskas åtminstone 0,0005 %, varvid den totala halten skall begränsas till mindre än 0,004 %. 5. Tillämpning av uppfinningen Molybden och nickel utgör i normalfallet föroreningar, vilka inte ens specificeras i en standardsammansättning. De sammansättningsornråden för molybden och nickel, vilka medför den sprickeliminerande effekten enligt uppfinningen inbegriper emel- lertid halter som ligger påtagligt över gängse föroreningsnivåer. Sagda områden motsvarar dock förhållandevis små mängder av legeringsämnena molybden och nickel och torde inverka ytterst marginellt på stålkostnaden för de aktuella låglege- rade borstålen.

Däremot uppnås en väsentlig hållfasthetsökning genom att statisk induktionshård- ning går att använda utan att centrumsprickor uppträder, vilket i sin tur i vissa fall torde innebära att gods kan sparas i aktuella detaljer med bibehållna prestanda vad avser bl.a. utrnattningshållfasthet. 10 15 20 25 (Il PO Q h) IQ _..\ ON 6. Exempel och experiment Drivaxlar, ñg. 3, av borstål TB 1639 med olika molybden- och nickelhalter härdades genom stationär induktionshärdning enligt Följande: 1. Induktionsvännning i ca 40 sekunder till en yttemperatur av ca 1000°C. 2. Kylning med vattenbaserad polymerblandning (polyalkylenglykol). 3. Anlöpning (återvärmning, ca 90 sekunder) genom induktiv stationär värmning till en yttemperatur av ca 300°C.

Sprickfórekomst detekterades medelst ultraljud från axeländyta.

Sprickutfall fór ett stort antal drivaxlar ur ett stort antal charger med sinsemellan va- rierande kemisk sammansättning framgår av tabellen i fig. 1. I tabellen anger ”Ant” antal axlar i vilka sprickor detekterats och ”Tot.” totalt antal studerade axlar for resp. ståleharge och ”Utfall %” kvoten mellan ”Ant” och ”Tot.”, dvs. andelen axlar med detekterade sprickor. I fig. 2 visas sprickfórekomst, ”Utfall %”, som funktion av molybdenhalt och nickelhalt, där dock av tillverkningsmässiga skäl vare sig mo- lybdenhaltens eller nickelhaltens inverkan Föreligger renodlad.

Ur sammansättningarna för de axlar, prov, i vilka några sprickor ej upptäckts, ”Ut- fall 0 %” i fig. 1, kan minimihalter, ca 0,030 % molybden och ca 0,15 % nickel, for undvikande av sprickor extraheras. 10 15 20 527 221 7 De angivna minimihalterna har valts med viss mindre marginal till de haltpar 0,035 % molybden/0,167 % nickel respektive 0,038 molybden/0,188 % nickel, for vilka inga sprickor erhållits. Föredragna minimihalter har lagts med marginal uppåt relativt de extraherade minimihaltema.

För såväl molybden som nickel har också en övre gräns for halten satts. Denna är vald av bl.a. kostnadsskäl och for undvikande av nackdelar, exempelvis i form av fórsärnrad bearbetbarhet, vilka uppträder vid ökande molybden- och nickelhalter.

Inom ramen for ovan relaterade experimentella undersökning kunde vidare, genom såväl mätningar som beräkningar verifieras att stationär induktionshärdning ger så- väl högre tryckspärmingar i ytan som högre dragspänningar i centrum än progressiv induktionshärdning av axlar. 7. Kemiska sammansättningar Borstål Scania TB 1639 såsom baslegering specificeras i tabell 1 nedan. Samman- sättningar for baslegeringen anges regelmässigt utan halter av molybden och nickel, vilka änmen är att anse som gängse föroreningar. Vidare specificeras en allmän sammansättning enligt uppfinningen samt en fóredragen sammansättning jämte en detaljerad sammansättning, vilken vid experiment givit avsaknad av sprickor. 10 15 527 221 8 Tabell 1 Sarmnansätming hos borstål enligt känd teknik och uppfinningen.

Grundämne Bas TB 1639 Cr Mo Ni Ti Al B (tot) B (lösligt) 0,3 8-0,45 0,15-0,40 1,10- 1 ,50 < 0,035 0,020-0,050 < 0,50 0,020-0,050 < 0,050 < 0,0040 > 0,005 Kemisk sammansättning Uppfinningen Föredragen allmänt utfóringsforrn 0,30-0,50 0,30-0,50 0,15-0,40 > 0,15-0,40 1,10-1,50 >1,10-1,50 < 0,035 < 0,035 0,020-0,050 0,020-0,050 < 0,50 > 0,20-0,50 0,030-0,15 0,05-0,15 0,15-0,40 > 0,20-0,40 0,020-0,050 0,020-0,050 < 0,050 < 0,050 <0,0040 < 0,0040 > 0,005 > 0,005 Exempel ur fig. 1 0,417 0,282 1,323 0,011 0,028 0,297 0,038 0,188 0,039 0,032 < 0,0040 > 0,005

Claims (7)

10 15 20 25 30 527 9 PATENTKRAV

1. Borstål, företrädesvis fór stationär induktionshärdning, innefattande, i vikt-%, 0,30-O,S0 % kol 0,15-0,40 % kisel 1,10-1,50 % mangan < 0,035 % fosfor, 0,o2o-0,oso % svavel < 0,50 % lcrom 0,030-0,l5 % molybden 0,15-0,40 % nickel 0,020-0,050 % titan < 0,050 % aluminium < 0,0040 % bor totalt > 0,0005 % bor lösligt och resten järn och föroreningar.

2. Borstål enligt krav 1, innefattande, i vikt-%, 0,30-0,50 % kol mer än 0,15 upp till 0,40 % kisel mer än 1,10 upp till 1,50 % mangan < 0,035 % fosfor 0,020-0,050 % svavel < 0,50 % krom 0,05-0,15 % molybden 0,20-0,40 % nickel 0,020-0,050 % titan < 0,050 % aluminium < 0,0040 % bor totalt > 0,0005 % bor lösligt 221 10 10

3. Borstål enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att andelen kol är 0,38-0,45 %.

4. Borstål enligt krav 1, 2 eller 3, kännetecknat av att andelen nickel är mer än 0,20 upp till 0,40 %.

5. Borstål enligt krav 1, 2, 3 eller 4, kännetecknat av att andelen krom är mer än 0,20 och mindre än 0,50 %.

6. Axel, kännetecknad av att den är framställd av ett borstål enligt krav 1, 2, 3 4 eller 5.

7. Axel enligt krav 6, kännetecknad av ett genom stationär induktionshärdning åstad- kommet härdat skikt.