SU1759944A1 - Конструкционна сталь - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к черной металлургии , в частности к конструкционной стали дл  производства т желонагруженных шестерен двигател  трактора. Цель - улучшение обрабатываемости резанием и достижение стабильности размеров деталей в процессе эксплуатации при сохранении комплекса механических свойств. Сталь дополнительно содержит медь и барий при следующем соотношении компонентов, мае. %: углерод 0,15-0,25; марганец 0,5-0,8; кремний 0,15-0,37; хром 0,8-1,3; никель 0,6-1,1; молибден 0,2-0,3; титан 0,02-0,06; бор 0,001-0,003; ванадий 0,08-0,12; цирконий 0,01-0,05; кальций 0,001-0,003; алюминий 0,02-0,04; ниобий 0,02-0,04; азот 0,015-0,025; сера 0,015-0,04; медь 0,2-0,7; барий 0,01-0,04; железо остальное. При выполнении следующих соотношений: марга- нец+никель/медь 2,2-5,5; кальций+ +барий/сера 0,55-1,07. 2 табл. Ё

Description

Изобретение относитс  к черной металлургии , в частности к машиностроительным стал м дл  производства т желонагруженных шестерен двигателей тракторов.

Известна сталь, содержаща , мас.%:

Углерод

Марганец

Кремний

Хром

Никель

Молибден

Титан

Бор

Ванадий

Цирконий

Кальций

Алюминий

Сера

Железо

0,18-0,27

0,6-1,0

0,2-0,42

0,8-1,3

0,45-0,79

0,18-0,28

0,02-0,05

0,0005-0,003

0,01-0,06

0,01-0,06

0,001-0,003

0,005-0,025

0,01-0,06

Остальное

После ложной цементации и закалки с низким отпуском эта сталь имеет следующий комплекс механических свойств:

Предел

прочности

Предел

текучести

Относительное

удлинение

Относительное

сужение

Ударна  в зкость

KClT20

Предел выносливости он

1400-1710 Н/мм2 1100-1400 Н/мм2 12-14% 55-58%

0,86-1,16 МДж/м2 750 Н/мм2

VI

(Л

о о

4

Предел контактной выносливости о 1880 Н/мм Прокаливаемость сердцевиныНРС 40мм

Твердость цементованного сло 60-63 HRC К недостаткам этой стали относитс  невысокий уровень усталостных характеристик , не обеспечивающий требуемую долговечность и небольша  прокаливае- мость.

Наиболее близкой по составу, технической сущности и достигаемому результату  вл етс  сталь, вз та  за прототип и содержаща , мас.%:

Углерод0,20-0,28

Марганец0,5-0,8

Кремний0,15-0,37

Хром0.8-1,1

Никель0,5-1,4

Молибден0,2-0,3

Титан0,02-0,08

Бор0,001-0,003

Ванадий0,08-0,12

Цирконий0,02-0,08

Кальций0,001-0,003

Алюминий0,02-0,04

Ниобий0,02-0,04

Азот0,015-0,025

ЖелезоОстальное

п V + Nb +TI +Zr +AI n , При этом ,- , 0,7-1,2;

N +С

AI +TI +МЬ N

4-6,4.

Известна  сталь примен етс  дл  изготовлени  т желонагруженных шестерен и после ложной цементации и закалки с низким отпуском имеет следующий комплекс механических свойств:

Предел

прочности1750-1870 Н/ммг

Предел

текучести1400-1600 Н/мм2

Относительное

удлинение15-18%

Относительное

сужение60-65%

Предел вы носливости СИ1100 И/мм2

Предел контактной

выносливости Ok2700 Н/мм2

Ударна  в зкость KCU 1,6 МДж/м2

Прокаливаемость

HRGio мм57

Твердость цементованного сло 67 HRC

Недостатками известной стали  вл ютс  неудовлетворительна  обрабатываемость и нестабильность размеров деталей после цементации и термической обработки ,

Целью изобретени   вл етс  улучшение обрабатываемости резанием и достижение стабильности размеров деталей в процессе эксплуатации при сохранении прочих механических свойств.

Дл  этого сталь, содержаща  углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден , титан, бор, ванадий, цирконий, кальций , алюминий, ниобий, азот, железо, 0 дополнительно содержит серу, медь и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод0,15-0,25

Марганец0,5-0,8

5Кремний0,15-0,37

Хром0,8-1,3

Никель0,6-1,1

Молибден0,2-0,3

Титан0,02-0,06

0Бор0,001-0,003

Ванадий0,08-0,12

Цирконий0,01-0,05

Кальций0,001-0,003

Алюминий0,02-0,04

5Ниобий0,02-0,04

Азот0,015-0,025

Сера0,015-0,04

Медь0,2-0,7

Барий0,01-0,04

0ЖелезоОстальное

При этом отношение суммы марганца и

( Mn + Ni) % никел  к меди - 0/ составл ет

Си%

должно быть в преде2 ,2-5,5, а отношение суммы кальци  и бари 

5(Са + Ва) %

к сере -5/о /о

лах 0,55-1,07.

Известно, что стабильность размеров деталей после цементации и термической

0 обработки зависит от стабильности структурных составл ющих, из которых остаточный аустенит обычно отличаетс  нестабильностью и в процессе эксплуатации (при ударах или охлаждении) может пре5 вратитьс  в мартенсит, объем которого больше, чем у других структурных составл ющих , в результате чего размер детали увеличиваетс . Чтобы этого не произошло, необходимо или добитьс  полного отсутст0 ви  остаточного аустенита, что практически невозможно, или его стабилизации.

В предлагаемом изобретении дл  стабилизации аустенита введена медь, а посто нство размеров детали обеспечиваетс 

5 при экспериментально найденном соотно- (Mn +NI) %

Си %

ром достигаетс  минимальное количество остаточного аустенита.

шении

2,2-5,5, при котосоотношени ми

2,2-

Улучшение обрабатываемости, как известно , достигаетс  введением кальци  и серы. В предлагаемую сталь дополнительно ввод т барий, который в значительной степени усиливает действие кальци  и серы, а максимальна  обрабатываемость достигаетс  при экспериментально найденном со ( Сэ i DS ) IQ Л г-. л л-, отношении - --LJ - 0,55-1,07.

о /о

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаема  сталь отличаетс  от известной дополнительным введением серы, меди и бари , а также ( Mn + Ml) % Си %

5.5; ( Са ва °/0- 0,55-1,07, т. е. за вл е0 /о

ма  конструкционна  сталь соответствует критерию новизна.

Анализ патентной и научно-технической информации не вы вил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков , которой бы достигалс  сходный эффект - улучшение обрабатываемости резанием и достижение стабильности размеров деталей в процессе эксплуатации при сохранении прочих механических свойств.

Следовательно, за вл ема  совокупность признаков соответствует критерию существенные отличи .

Пределы по углероду ограничены 0,15- 0,25%, содержание углерода ниже 0,15% не обеспечит требуемой твердости цементованного сло . При содержании углерода выше 0,25% не будет обеспечена в зкость сердцевины.

Пределы по марганцу выбраны в интервале 0,5-0,8%. Содержание марганца ниже 0,5% не обеспечит достаточной раскислен- ности металла, выше 0,8% замедл етс  образование специальных карбидов сильных карбидообразующих элементов.

Нижний предел содержани  кремни  определен 0,15%, ниже которого металл не обладает достаточной раскисленностью. Верхний предел содержани  кремни  органичен 0,37%, выше которого снизитс  сопротивление стали хрупкому разрушению.

Содержание хрома ограничено пределами 0,8-1,3%. При содержании хрома ниже 0,8% цементит не будет обладать достаточной твердостью, выше 1,3% затруднит образование карбонитридов титана , циркони , ниоби  и ванади .

Пределы по никелю ограничены 0,6- 1,1%. Содержание никел  ниже 0,6% не обеспечит требуемой в зкости. При содержании никел  выше 1,1% ухудшитс  обрабатываемость резанием.

Нижний предел содержани  молибдена определен 0,2%. При содержании молибдена ниже этого предела не будет устранена отпускна  хрупкость. Содержание молибдена выше 0,3% затруднит образование специальных карбидов титана, циркони  и ниоби ,

Содержание титана ограничено пределами 0,02-0,06%. Содержание титана ниже 0,02% не обеспечит требуемой твердости

0 комплексных карбонитридов, выше 0,06% ухудшит технологичность стали.

Нижний предел по бору составл ет 0,001%. При содержании бора ниже этогг предела не будет обеспечена необходима

5 прокаливаемость. Верхний предел выбран 0,003%, содержание бора выше этого предела вызывает выделение боридов по границам зерна, что резко снизит сопротивление стали хрупкому разрушеклю.

0Пределы содержани  ванади  выораны

0,08-0,12%. Содержание ванади  ниже 0,08% вызовет снижение твердости комплексных карбонитридов, а при содержании выше 0,12% снизит ударную в зкость.

5 Содержание циркони  ограничено пределами 0,01-0,05%. Содержание циркони  нижеО,01 % не обеспечит требуемой твердости цементованного сло . При содержании циркони  выше 0,05% вызовет образование

0 избыточного количества карбонитридов, что приведет к снижению сопротивлени  стали хрупкому разрушению.

Нижний предел по кальцию составл ет 0,001%, содержание кальци  ниже этого

5 предела не обеспечит глобул ризации сульфидов , выше 0,003% вызовет загр знение стали избыточным количеством неметаллических включений, что отрицательно скажетс  на хладостойкое™.

0 Пределы по алюминию ограничены 0,02-0,04%. При содержании алюмини  ниже 0,02% металл будет недостаточно раскислен, выше 0,04% ухудшитс  технологичность стали.

5 Содержание ниоби  выбрано в пределах 0,02-0,04%. При содержании ниоби  ниже 0,02% не будет обеспечена необходима  твердость цементованного сло , выше 0,04% снизитс  контактна  прочность из-за

0 неблагопри тной морфологии карбонитридов ниоби .

Нижний предел содержани  азота выбран 0,015%. При содержании азота ниже этого предела не будет обеспечена возмож5 ность образовани  карбонитридов, содержание азота выше 0,025% вызовет снижение хладостойкости из-за по влени  в твердом растворе свободного азота.

Содержание серы выбрано в пределах 0,015-0,04%. При содержании серы ниже

0,015% не будет обеспечено образование хрупкой стружки при обработке деталей на металлорежущих станках, т. е. обрабатываемость будет низкой. При содержании серы выше 0,04% резко снизитс  хл а достой кость стали и повыситс  анизотропи  механических свойств.

Нижний предел содержани  меди ограничен 0,2%. Содержание меди ниже этого предела не обеспечит стабилизации остаточного аустенита и стабильность размеров деталей не будет обеспечена. При содержании меди выше 0,7% будет иметь место  вление красноломкости.

Барий вводитс  в пределах 0,01-0,04%. При содержании бари  ниже 0,01 % сульфиды в основном будут иметь строчечную форму , что не окажет положительного вли ни  на обрабатываемость резанием. Содержание бари  выше 0,04% вызываетохрупчива- ние границ зерен.

Пределы отношени  суммы содержани  марганца и никел  к меди ограничены 2,2- 5,5. При отношении, меньшем 2,2, остаточный аустенит нестабилен, что не обеспечит стабильность размеров деталей после цементации и термообработки.

При отношении выше 5,5 не будет обеспечена требуема  глубина цементованного сло  и снизитс  долговечность деталей.

Пределы отношени  суммы содержани  кальци  и бари  к сере ограничены 0,55- 1,07. Если это отношение будет меньше 0,55 не будет обеспечена глобул ризаци  сульфидов и образование хрупкой стружки. Если это отношение будет больше 1,07, сталь будет содержать избыточное количество неметаллических включений, что снизит комплекс механических свойств стали.

Ниже даны варианты осуществлени  изобретени , не исключающие других в объеме формулы изобретени  за исключением плавок 6-15.

В индукционной 50-кг печи выплавлена сталь предложенного состава (плавки 1-5) и известного состава (прототип). Кроме того, выплавлены стали с запредельными значени ми дополнительно введенных легирующих элементов (плавки 6-15). Сталь выплавл ли на шихте ОЗЖР. Предварительное раскисление осуществл лось ферросилицием и ферромарганцем. Окончательное - алюминием 10 кг/т - после сн ти  шлака. В последнюю очередь присаживали ниобий, ванадий, цирконий, молибден, бор и др. элементы .

В ковше металл обрабатывали силико- кальцием из расчета 2 кг/т. Металл ковали на заготовки ФМ, которые затем подвергали ложной цементации и закалке (900°С) с

низким отпуском (200°С); из термообрабо- танных заготовок изготавливали образцы.

Определ ли механические свойства при раст жении по ГОСТ 1497-84 на п тикратных образцах на продольных образцах, ударную в зкость KClT20 по ГОСТ 9454-78 и прокаливаемость (HRC на рассто нии 40 мм от торца охлаждаемого образца) по ГОСТ 5657-69.

Обрабатываемость резанием определ лась в отожженном состо нии на заготовках дл  условий получистого течени  без охлаждени  по чистому металлу резцами, оснащенными твердыми сплавами при посто нных

значени х глубины резани  1,5 мм, подачи 0,2 мм/об и главного угла в плане резцов (р 60° Обрабатываемость оценена по скорости резани , соответствующей 60-минутной стойкости резцов Veo и выражена

коэффициентом Ктв.слл. по отношению к эталонной стали 45, скорость резани  которой VGO вз та за единицу.

Далее были изготовлены шестерни и после цементации и термической обработки

проведены испытани  на усталостную и контактную прочность.

Стабильность размеров оценивалась по количеству остаточного аустенита, определенного на анизометре Акулоа и рентгенографическим методом после цементации и термической обработки и после деформации выше т, Мдили охлаждени  до -70°С. Неизменность количества остаточного аус- денита после этих операций определ ластабильность размеров сталей.

В табл. 1 приведен химический состав сталей, в табл. 2 - результаты испытаний.

Анализ результатов испытаний опытных сталей (табл. 2) показал, что предлагаема  сталь превосходит известную, вз тую за прототип по обрабатываемости (коэффициент обрабатываемости Ктв.спл. в 1,5 раза больше) и отличаетс  от нее стабильностью размеров (количество остаточного аустенита после деформации или охлаждени  до -70°С остаетс  практически неизменным) при сохранении других механических свойств на прежнем уровне.

За базовый объект прин та сталь

20ХН2.М (ГОСТ 5453-71). Ожидаемый экономический эффект от внедрени  предлагаемой стали в народном хоз йстве при годовом производстве 10 тыс. т составит 1,5 млн.руб. за счет увеличени  срока службы деталей в 3 раза.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Конструкционна  сталь преимущественно дл  шестерен двигателей тракторов, содержаща  углерод, марганец, кремний,

   хром, никель, молибден, титан, бор, ванадий , цирконий, кальций, алюминий, ниобий, азот, серу, железо, отличающа с  тем, что, с целью улучшени  обрабатываемости резанием и достижени  стабильности размеров деталей в процессе эксплуатации при сохранении комплекса механических свойств, она дополнительно содержит медь и барий при следующем соотношении компонентов , мас.%:

   углерод0,15-0,25;

   марганец0,5-0,8;

   кремний0,15-0,37;

   хром0,8-1,3;

   никель0,6-1,1;

   молибден0,2-0,3;

   15

   (марганец + никель)/медь 2,2-5,5; (кальций + барий)/сера 0,55-1,07.

   Таблица 1 Химический состав опытных плавок

   Известна  сталь (прототип)

   16

   0,03 0,020

   0,9

   5,5

   Механические свойства опытных сталей

   Таблица 2