SI20334A

SI20334A - Jeklo in postopek izdelave ločljivih strojnih delov

Info

Publication number: SI20334A
Application number: SI9920014A
Authority: SI
Inventors: Jacques Bellus; Pierre Dierickx; Vincent Jacot; Marc Robelet
Original assignee: Ascometal
Priority date: 1998-01-28
Filing date: 1999-01-19
Publication date: 2001-02-28
Also published as: KR20010034363A; CZ20002768A3; KR20010024880A; ATE204924T1; EP1051531B1; DE69900247T2; AR014509A1; ES2162514T3; CZ296664B6; KR100560086B1; TR200002200T2; PT1051531E; JP3854462B2; BR9907926A; JP2002501985A; EP1051531A1; FR2774098A1; WO1999039018A1; FR2774098B1; DE69900247D1

Abstract

Izum se nanaša na jeklo za izdelavo razstavljivih strojnih delov, ki je značilno po tem, da je njegova kemična sestava (izražena v utežnih procentih) sledeča: 0,2% manjše ali enako od C manjše ali enako od 0,4%, 0,2% manjše ali enako kod Si manjše ali enako od 1,5%, 0,3% manjše ali enako od Mn manjše ali enako od 1,4%, 0,% manjše ali enako od Ni + Cr manjše ali enako od 0,45%, 0% manjše ali enako Mo manjše ali enako od 0,06%, 0% manjše ali enako od Cu manjše ali enako 0,5%, 0,2% manjše ali enako od V manjše ali enako od 0,5%, P manjše ali enako od 0,150%, 0,005% manjše ali enako od N manjše ali enako od 0,02%, po potrebi vsebuje enega od elementov, izbranih izmed svinca do 0,1%, telurja do 0,15%, bizmuta do 0,15%, selena do 0,02%, žvepla do 0,35% in kalcija do 0,005%; po potrebi pa še enega od elementov, izbranih izmed titana do 0,05%, niobija do 0,1% in aluminija do 0,07%, preostanek pa predstavljajo železo ter nečistoče in ostanki, ki so posledica priprave; jeklo ima posebno feritno-perlitno strukturo, feritne frakcije je manj kot 20%, natezna napetost jekla je nižja od 1000 Mpa, meja plastičnosti pa višja kot 700 Mpa, razmerje Re/Rm je večje kot 0,73, udarna žilavost Kcv pa je nižja od 7 J/cm2. Izum se nanša tudi na postopek izdelave razstavljivega strojnega dela in končnega izdelkaŕ

Description

Jeklo in postopek izdelave ločljivih strojnih delov

Izum se nanaša na jeklo za izdelavo ločljivih strojnih delov, še zlasti Za izdelavo ojnice motorja z notranjim izgorevanjem.

Določeni strojni deli kot so npr. ojnice motorjev z notranjim izgorevanjem, sestojijo iz vsaj dveh ločljivih elementov, ki sta med seboj povezana s pomočjo pritrdilnih sredstev kot so vijaki. Ta dela sta lahko izvedena iz litega železa, iz sintranega in stisnjenega kovinskega prahu, ali iz kovanega jekla. Izum se nanaša na dele, izvedene iz kovanega jekla.

Jeklo, iz katerega so izdelane kovane jeklene ojnice, mora biti dobro kovno in obdelovalno, hkrati pa mora imeti zadovoljive mehanske lastnosti, ki zagotavljajo zahtevano zanesljivost ojnice med obratovanjem. Običajno zahtevane mehanske lastnosti so trdota med 210 HB in 360 HB ter porušilna končna natezna trdnost med 650 MPa in 1200 MPa, kar zagotavlja tudi zadostno odpornost proti obrabi, kot tudi meja plastičnosti med 300 MPa in 800 MPa, s čimer se je mogoče izogniti deformacijam zaradi preseganja meje plastičnosti. Pri nekaterih ojmcah mora biti meja plastičnosti Re višja od 700 MPa, natezna trdnost pa nižja od 1100 MPa.

Ojnice, ki sestojijo iz dveh ločljivih delov - telesa in glave - je možno izdelati s kovanjem surovcev. Zatem se odkovke mehansko obdela in s krhkim lomom loči na dva dela v vnaprej določeni ravnini. Ta tehnologija, kot rečeno, za izdelavo ločljivih delov, ima vrsto prednosti, in sicer zlasti v tem, da krčenje obdelovalnih operacij bistveno poenostavi zaporedje korakov izdelave. Po drugi strani pa to terja uporabo ločljivega jekla, kar pomeni takšnega, ki omogoča ustrezno izvedbo operacije krhkega lomljenja.

Z namenom, da bi omogočili izdelavo ločljivih ojnic, je bila v japonski patentni prijavi predlagana uporaba jekla z vsebnostjo od 0,4% do 0,6% ogljika, od 0,5% do 5% silicija, od 0,1% do 0,8% mangana, od 0,1% do 0,5% kroma, od 0,1% do 0,5% vanadija ter od 0,01% do 0,2%, prednostno več kot 0,05% fosforja, pri čemer preostanek predstavlja železo z nečistočami in po izbiri majhnimi dodatki za izboljšanje mehanske obdelovalnosti. Vendar pa je pri takšnem jeklu pomanjkljivo to, da ima skoraj v celoti perlitno strukturo, ki omejuje feritno frakcijo in torej izničuje učinke karbonitriranja, hkrati pa tudi enakomernost porazdelitve ferita m dobra. Razen tega so pri tem jeklu natezne lastnosti (Re in Rm) zelo občutljive glede na pogoje ohlajanja, kar zmanjšuje možnost množinske proizvodnje delov.

Prav tako je bila v francoski patentni prijavi FR 2,742,448 predlagana uporaba jekla z vsebnostjo od 0,25% do 0,5% ogljika, od 0,2% do 1,5% silicija, od 0,1% do 2% mangana, manj kot 0,15% kroma, manj kot 0,15% niklja, manj kot 0,05% molibdena, manj kot 0,35% bakra, od 0% do 0,2% vanadija, od 0,04% do 0,2% fosforja in od 0,005% do 0,02% dušika, preostanek pa predstavlja železo z nečistočami in po izbiri majhnimi dodatki za izboljšanje mehanske obdelovalnosti. Pri tem jeklu je mogoče računati z dobro ločljivo feritno-perlitno strukturo. Po drugi strani pa ne omogoča zagotovitve obojega, namreč meje plastičnosti nad 700

MPa in natezne trdnosti pod 1100 MPa. Razen tega je ločljivost mogoče zagotoviti le z zadostnim dodajanjem fosforja, kar pa ima za posledico pomanjkljivosti v smislu povečanja tveganja segregacije ter otežene mehanske obdelovalnosti.

Namen pričujočega izuma je izogniti se tem pomanjkljivostim s predlaganjem sredstev za izdelavo ločljivih odkovkov, katerih meja plastičnosti naj bi bila večja od 700 MPa, natezna trdnost pa manjša od 1100 MPa, imeli naj bi dobre mehanske obdelovalne lastnostim hkrati pa naj bi bilo možno izvajanje operacije krhkega lomljenja v zadovoljivih industrijskih pogojih.

V ta namen je predmet izuma jeklo za izdelavo ločljivih strojnih delov, katerega kemijska sestava (glede na težo) je sledeča:

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%

- po potrebi pa vsebuje enega ali več elementov izbranih izmed svinca do 0,1%, telurja do 0,15%, bizmuta do 0,15%, selena do 0,02%, žvepla do 0,35% in kalcija do 0,005%,

- po potrebi vsaj en element, izbran izmed titana do 0,05%, niobija do 0,1% in aluminija do 0,07%, preostanek pa predstavlja železo skupaj z nečistočami in ostanki od taljenja, pri čemer ima jeklo v bistvu feritno-perlitno strukturo, kjer je feritne frakcije vsaj 20%, natezna trdnost jekla je nižja od 1100 MPa, meja plastičnosti višja od 700 MPa, razmerje Re/Ra večje od 0,73 in lomna energija Kcv nižja od 7 J/cm².

Vsebnost fosforja je prednostno manjša od 0,03%. Prav tako je prednostno, če je preostanek, kar pomeni nikelj, krom in molibden, tak, da velja:

Ni + Cr < 0,45%

Mo < 0,06%.

Izum se nanaša tudi na del, izdelan iz tovrstnega jekla, katerega struktura je v bistvu feritno-perlitna, feritne frakcije je vsaj 20%, njegova natezna trdnost je nižja od 1100 MPa, njegova meja plastičnosti višja od 700 MPa, razmerje Re/Ra je pri njem večje od 0,73, lomna energija Kcv pa je pri njem nižja od 7 J/cm². Ta del, ki je lahko ojnica, je ločljiv.

Končno se izum nanaša na postopek izdelave jeklenega dela, obsegajočega vsaj dva ločena dela, pri čemer

- se jekleni surovec s kemično sestavo jekla po izumu segreva na temperaturo med Ac₃+ 150°C in 1370°C;

- zatem se surovec kuje, na ta način pa se dobi odkovek;

- po kovanju se odkovek ohladi na sobno temperaturo s hitrostjo med 0,4°C/s in l,5°C/s, in sicer odtlej, ko ta znaša 700°C, s čimer dobimo ferito-perlitno strukturo, feritna frakcija pa znaša vsaj 20%, natezna trdnost jekla je nižja od 1100 MPa, meja plastičnosti višja od 700 MPa, razmerje Re/Rm večje od 0,73 in lomna energija Kcv nižja od 7 J/cm²;

- odkovek se nato podvrže eni ali več operacijam mehanske obdelave; in

- dobljeni del se krhko lomi na vsaj dva dela.

Izum bo zdaj še podrobneje opisan, vendar brez brez vsakršnih omejitev.

Jeklo po izumu je ogljikovo ali nizkolegirano konstrukcijsko jeklo, katerega kemična sestava je glede na težo sledeča:

- več kot 0,2% in prednostno več kot 0,21% ogljika, s čimer naj bi zagotovili zadostno mehansko trdnost; vendar manj kot 0,4% ogljika zaradi izogibanja preobčutljivosti mehanskih lastnosti glede na pogoje ohlajanja ter tudi zaradi izogibanja preveliki trdoti, ki bi oteževala mehansko obdelavo;

- od 0,1% do 1,5% silicija, pri čemer je silicij deoksidacijski element, ki mora biti zaradi zagotavljanja pravilne deoksidacije dodan v količinah več kot 0,1%, pri čemer pa v količinah manj kot 1,5% in prednostno med 0,6% in 1,2% ta element utrjuje in porazdeljuje ferit, ki je ugoden za izboljšanje meanske obdelovalnosti, hkrati pa tudi za olajšanje krhkega lomljenja;

- od 0,3% do 1,4% mangana zaradi zadrževanja žvepla v obliki manganovih sulfidov in uravnavanja utrdljivosti zaradi zagotavljanja feritno-perlitne strukture z vsebnostjo vsaj 30% ferita, kar je prednostno z vidika mehanske obdelovalnosti; vsaj 90% strukture naj bi bilo feritno-perlitne;

- od 0,2% do 0,4% in prednostno več kot 0,21 vanadija zaradi utrjevanja ferita in za zagotavljanje meje plastičnosti nad 700 MPa ter razmerja med mejo plastičnosti in natezno trdnostjo vsaj 0,72, kar je prednostno pri zagotavljanju krhke lomljivosti;

- do 0,2%, prednostno pa manj kot 0,03% fosforja; visoka vsebnost fosforja je sicer prednostna z vidika zagotavljanja krhke lomljivosti, vendar pa je priporočljivo vsebnost omejiti na 0,03% ter s tem omejiti segregacijo, ki neugodno vpliva na mehansko obdelovalnost;

- od 0,005% do 0,02% dušika zaradi tvorbe vanadijevih nitridov, ki utrjujejo ferit;

- po izbiri en ali več elementov, izbranih izmed svinca do 0,1%, telurja do 0,15%, bizmuta do 0,15%, selena do 0,02%, žvepla do 0,35% in kalcija do 0,005%, s čimer se prav tako izboljša mehanska obdelovalnost;

- po izbiri vsaj en element, izbran izmed titana do 0,05%, niobija do 0,1% in aluminija do 0,07% zaradi omejevanja rasti zrn med kovanjem.

Preostanek sestave predstavlja železo skupaj z nečistočami in ostanki od taljenja. Ostanki, ki so vključeni že v surovem materialu, so zlasti nikelj, krom in vanadij. S ciljem, da bi zagotovili pretežno feritno-perlitno strukturo, vsebujočo več kot 20% in prednostno več kot 30% ferita, je potrebno vsebnost teh ostankov kontrolirati, tako da seštevek vsebnosti Ni + Cr ostane pod 0,45% in tako da vsebnost molibdena ostane pod 0,05%.

Razen tega je v kontekstu ustrezne kontrole strukture prednostno, če je vsebnost mangana in vanadija tolikšna, daje Mn + 10V <5,2%.

Da bi lahko izdelali ločljiv del, moramo jeklen surovec sestave po izumu segreti na temperaturo med Ac₃ + 150°C in 1370°C, s čimer se austenizira in raztopi vanadij, zatem se ga vroče kuje in dobi odkovek, kovanje pa poteka pri temperaturi nad 800°C. Neposredno po kovanju se - ko temperatura znaša 700°C - odkovek ohlaja na kontroliran način na sobno temperaturo, npr. v zraku, pri hitrosti ohlajanja med 0,5°C/s in l,5°C/s. S takšnim ravnanjem dobimo feritno-perlitno strukturo (t.j. vsaj 90% feritno-perlitno), v strukturi je vsaj 20%, prednostno pa več kot 30% ferita, pri Čemer je meja plastičnosti Re višja od 700 MPa, natezna trdnost pa nižja od 1100 MPa in prednostno višja od 850 MPa. Razen tega je pri sobni temperaturi lomna energija Kcv nižja od 7 J/cm², razmerje Re/Rm pa je večje od 0,73 in prednostno večje od 0,75. Zadnja pogoja omogočata doseganje čistih lomov brez deformiranih robov, torej tisto, kar priča o dobri ločljivosti. Tako dobljen odkovek se zatem mehansko obdeluje, nakar se ga s krhkim lomljenjem loči na dva elementa.

V prvem primeru so bile z uporabo jekla po izumu izdelane ojnice, pri čemer je bila kemična sestava glede na težo sledeča:

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% preostanek pa je predstavljalo železo skupaj z nečistočami, ki so izhajale iz taljenja.

Pred kovanjem so bili jekleni surovci segreti na 1270°C, temperatura ob zaključku kovanja pa je znašala 1005°C.

Po kovanju se je odkovek ohlajal na zraku pri povprečnih hitrostih ohlajanja 0,9°C/s pri 700°C. Dobljene lastnosti so bile sledeče:

Struktura: 98% feritno-perlitna s 60% ferita

Rm= 1050 MPa Re = 840 MPa A% = 14,5%

Kcv = 4 J/cm² pri sobni temperaturi.

Odkovki so bili nato mehansko obdelani in zatem vsi ločeni s krhkim lomljenjem na po dva elementa. To ločevanje na dva delaje potekalo brez vsakršnih težav.

V drugem primeru so bile ojnice izdelane iz jekla po izumu, katerega kemična sestava glede na težo je bila sledeča:

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% preostanek pa je predstavljalo železo skupaj z nečistočami, ki so izhajale iz taljenja.

Pred kovanjem je bil jeklen surovec segret na 1270°C, temperatura ob zaključku kovanja pa je znašala 1025°C. Po kovanju se je odkovek ohlajal na zraku pri povprečnih hitrostih ohlajanja 0,9°C/s pri 700°C. Dobljene lastnosti so bile sledeče:

Struktura: 98% feritno-perlitna s 60% ferita

Rm = 950 MPa Re - 740 MPa A% = 17%

Kcv = 5 J/cm² pri sobni temperaturi.

Odkovki so bili nato mehansko obdelani ter zatem vsi s krhkim lomljenjem ločeni na po dva elementa. To ločevanje z lomljenjem je potekalo brez vsakršnih težav.

Za:

ASCOMETAL

-iv A, i»' · ftrLNTAftVd..

m BORŠTAR s.p

I. fl V E N t ,J A ( S : I

Claims

PATENTNI ZAHTEVKI

1. Jeklo za izdelavo ločljivih strojnih delov, označeno s tem, daje njegova kemična sestava glede na težo sledeča:

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%

- po potrebi pa vsebuje enega ali več elementov, izbranih izmed svinca do 0,1%, telurja do 0,15%, bizmuta do 0,15%, selena do 0,02%, žvepla do 0,35% in kalcija do 0,005%,

- po potrebi vsaj en element, izbran izmed titana do 0,05%, ni obija do 0,1% in aluminija do 0,07%, preostanek pa predstavlja železo skupaj z nečistočami in ostanki od taljenja, pn čemer ima jeklo v bistvu feritno-perlitno strukturo, kjer je feritne frakcije vsaj 20%, natezna trdnost jekla je nižja od 1100 MPa, meja plastičnosti višja od 700 MPa, razmerje Re/Rm večje od 0,73 in lomna energija Kcv nižja od 7 J/cm².
2. Jeklo po zahtevku 1, označeno s tem, daje njegova kemična sestava takšna, da je P <0,03%.
3. Jeklo po zahtevku 1, označeno s tem, daje vsebnost ostankov kot je nikelj, krom in molibden tolikšna, daje

Ni + Cr < 0,45%

Mo < 0,06%.
4. Jeklo po enem od zahtevkov 1, 2 in 3, označeno s tem, daje feritne frakcije vsaj 30%.
5. Jeklo po enem od zahtevkov 1, 2, 3 in 4, označeno s tem, da je razmerje Re/Rm večje od 0,75.
6. Jeklo po kateremkoli od zahtevkov 1 do 5, označeno s tem, da je natezna trdnost vešja ali enaka 850 MPa.
7. Jekleni del po kateremkoli od predhodnih izdelkov, označen s tem, daje ta del ojnica.
8. Postopek izdelave jeklenega dela, obsegajočega vsaj dva ločljiva dela. označen s tem, da se

- jekleni surovec, sestoječ iz jekla, katerega kemična sestava glede na težo je sledeča: 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%, po potrebi pa vsebuje enega ali več elementov izbranih izmed svinca do 0.1%, telurja do 0,15%, bizmuta do 0,15%, selena do 0,02%, žvepla do 0,35% in kalcija do 0,005% ter po potrebi vsaj en element, izbran izmed titana do 0,05%, niobija do 0,1% in aluminija do 0,07%, preostanek pa predstavlja železo skupaj z nečistočami in ostanki od taljenja, segreva na temperaturo med Ac₃ + 150°C in 1370°C;

- da se zatem surovec kuje in dobi odkovek,

- da se po kovanju odkovek ohlaja na sobno temperaturo s hitrostjo med 0,4°C/s in l,5°C/s, in sicer odtlej, ko ta znaša 700°C, s čimer dobimo pretežno feritnoperlitno strukturo, feritna frakcija pa znaša vsaj 20%, natezna trdnost jekla je nižja od 1100 MPa, meja plastičnosti višja od 700 MPa, razmerje Re/Rm večje od 0,73 m lomna energija Kcv nižja od 7 J/cm²;

- odkovek se nato podvrže eni ali več operacijam mehanske obdelave; zatem pa se

- dobljeni del se krhko lomi na vsaj dva dela.