Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Дудецкая Лариса Романовна Емельянович Игорь Вячеславович Карась Андрей Николаевич Лебедев Александр Николаевич Глушаков Андрей Николаевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ниобий,алюминий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.углерод 0,18-0,23 кремний 0,17-0,37 марганец 0,70-1,10 хром 0,40-0,70 никель 0,40-0,70 молибден 0,15-0,25 ниобий 0,02-0,04 алюминий 0,02-0,04 железо и примеси остальное,причем суммарное содержание никеля и молибдена связано с суммарным содержанием ниобия и алюминия следующим соотношением 10,814,2,где , , ,- содержание соответственно никеля, молибдена, ниобия и алюминия,мас. . Изобретение относится к металлургии, а именно к конструкционным сталям со стабильно мелким зерном и повышенными механическими свойствами для зубчатых колес, и может быть использовано в тракторостроении при изготовлении трансмиссий энергонасыщенных машин. 18268 1 2014.06.30 Долговечность и надежность нагруженных зубчатых колес зависят от комплекса свойств применяемых при их изготовлении конструкционных сталей, например прочности, ударной вязкости, усталостной прочности, сохранения размерной стабильности в условиях эксплуатации, особенно при периодическом повышении температуры в зоне контакта,приводящем к разупрочнению зубчатых колес, изготовленных из традиционно используемых конструкционных сталей. Этим объясняется возросшая тенденция к изготовлению зубчатых колес из сталей, сохраняющих эксплуатационную надежность при повышенных нагрузках в зоне контакта зубчатых пар, которая достигается путем упрочнения не только их сердцевины, но и диффузионного слоя на поверхности зубьев, формирующегося при цементации. Эти показатели определяют расчетную величину предела выносливости стали. Известны, например, высокопрочные цементуемые стали для нагруженных зубчатых колес 1, 2. К числу недостатков большинства из них можно отнести склонность к росту зерна при нагреве, недостаточную прочность сердцевины деталей, пониженную твердость цементованного слоя на определенной глубине, соответствующей 0,1 модуля зубчатого колеса 3. Известна высокопрочная цементуемая сталь 20 ХН 3 А, применяемая для изготовления шестерен, валов и других цементуемых деталей ответственного назначения 3, которая имеет следующий компонентный состав, мас.углерод 0,17-0,24 кремний 0,17-0,37 марганец 0,30-0,50 хром 0,60-0,90 никель 2,75-3,15,железо и примеси остальное. К числу недостатков данной стали, приводящих к уменьшению долговечности зубчатых колес в условиях эксплуатации, относятся повышенная склонность к росту аустенитного зерна при цементации, приводящая к короблению деталей относительно невысокие значения предела текучести в результате склонности к росту зерна аустенита при цементации невысокие значения ударной вязкости при достижении максимальных значений прочности в процессе термической обработки. Указанные недостатки являются причиной вынужденного завышения массы деталей при конструировании ответственных узлов машин за счет применения высокого коэффициента запаса и, соответственно, увеличения их габаритов. Наиболее близкой к предлагаемому изобретению по технической сущности является цементуемая сталь для зубчатых колес 4, выбранная авторами в качестве прототипа при создании предлагаемого изобретения, которая содержит компоненты в следующем соотношении, мас.углерод 0,18-0,23 кремний 0,17-0,37 марганец 0,70-1,10 хром 0,40-0,70 никель 0,40-0,70 молибден 0,15-0,25 железо и примеси остальное. Недостатками стали-прототипа являются 1) повышенная склонность к росту зерна аустенита при цементации, приводящая к короблению деталей (например, зубчатых колес) 18268 1 2014.06.30 2) повышенная твердость металлической основы и неудовлетворительная обрабатываемость резанием, особенно после низкотемпературного отпуска, из-за присутствия в составе стали молибдена 3) повышенное содержание аустенита в поверхностном слое деталей при цементации из-за его устойчивости к распаду из-за стабилизирующего влияния таких элементов, как марганец и никель 4) относительно невысокие значения предела текучести, приводящие к преждевременному выходу из строя деталей в процессе эксплуатации. Задачей настоящего изобретения является увеличение предела выносливости стали за счет повышения прочностных характеристик и обеспечения регламентированного по структуре и свойствам цементованного слоя. Задача решается за счет того, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний,марганец, хром, никель, молибден, ниобий, алюминий, железо и примеси, содержит компоненты в следующем соотношении мас.углерод 0,18-0,23 кремний 0,17-0,37 марганец 0,70-1,10 хром 0,40-0,70 никель 0,40-0,70 молибден 0,15-0,25 ниобий 0,02-0,04 алюминий 0,02-0,04 железо и примеси остальное,причем суммарное содержание никеля и молибдена связано с суммарным содержанием ниобия и алюминия следующим соотношением 10,814,2 ,где , , ,- содержание соответственно никеля, молибдена, ниобия и алюминия,мас. . Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем обеспечение формирования в цементованном слое аустенитного зерна на уровне 8-9 баллов, что приводит к уменьшению коробления и увеличению размерной точности зубчатых колес увеличение предела выносливости стали за счет повышения предела текучести, ударной вязкости, обеспечения заданного распределения твердости в цементованном слое и сохранения мелкозернистой структуры на различных стадиях обработки, включая цементацию. Ниобий способствует измельчению зерна аустенита и препятствует его росту преимущественно при структурно-фазовых превращениях, происходящих при термической,химико-термической и деформационной обработке заготовок за счет образования в твердом растворе зон с повышенной концентрацией данного элемента и дисперсных соединений с углеродом в виде карбидов. При этом формируется структура со стабильно мелким зерном, повышаются предел текучести, ударная вязкость стали и твердость цементованного слоя на контролируемой глубине. При содержании ниобия менее 0,02 мас.его введение в сталь малоэффективно, при содержании выше 0,04 мас.начинается снижение ударной вязкости и происходит неадекватное получаемому техническому эффекту удорожание стали. Для обеспечения мелкозернистой структуры слитков, формирующейся при кристаллизации жидкого металла, в сталь вводится регламентированное количество алюминия,обеспечивающее его остаточное содержание в пределах 0,02-0,04 мас. . При содержании алюминия, превышающем 0,04 мас. , ухудшается макроструктура стали из-за повышенного содержания в ней неметаллических включений и снижения показателей механических 3 18268 1 2014.06.30 свойств. При содержании алюминия менее 0,02 мас.эффект измельчения первичной структуры проявляется недостаточно, в ней наблюдается разнозернистость, сохраняющаяся при дальнейшей деформационной и термической обработке стали, что приводит к снижению предела текучести стали. Таким образом, алюминий по своему влиянию на структуру и свойства стали дополняет ниобий, позволяя ограничить его концентрацию на уровне, не превышающем 0,04 мас. . Принятое соотношение суммарного содержания элементов, упрочняющих металлическую основу стали (никель и молибден) к суммарному содержанию элементов, измельчающих зерно аустенита (ниобий и алюминий), обеспечивает оптимальные значения прочности сердцевины и твердости цементованного слоя стали, т.е. способствует повышению предела ее выносливости. При величине указанного соотношения менее 10,8 влияние ниобия на количество образующихся в цементованном слое карбидов возрастает, что приводит к уменьшению пластичности стали. Напротив, при величине указанного соотношения, превышающей 14,2, возрастает устойчивость стали к распаду остаточного аустенита в цементованном слое, что вызывает падение его твердости и прочности стали. И в том, и в другом случае происходит снижение фактического значения предела выносливости стали. Выплавку стали для проведения исследований производили в индукционной электропечи ИСВ 0004 ПИМ 1 с тиглем из окиси алюминия емкостью 2 кг в атмосфере аргона по известной технологии. В качестве шихтовых материалов использовали отходы низкоуглеродистой стали (ГОСТ 16523-97), ферросилиций Фс 44 (ГОСТ 1415-93), ферромарганец ФМн 78 (ГОСТ 4755-91), феррохром ФХ 001 А (ГОСТ 4757-91), никель Н-1 (ГОСТ 849-97),ферромолибден ФМобО (ГОСТ 4759-91), феррониобий ФНБ-1 (ГОСТ 16773-71, алюминий АВ-88 (ГОСТ 295-98). Полученные при разливке металла слитки ковали в прутки диаметром 30 мм, из которых затем вырезали образцы для проведения испытаний. Для определения механических свойств образцы подвергали закалке в масле от температуры 860 С и отпуску при температуре 180 С в течение 2 ч с последующим охлаждением на воздухе. Для исследования диффузионных слоев проводили цементацию натурных образцов зубчатых колес в печи фирмыпо следующему режиму цементация при температуре 930 С (общее время науглероживания 13 ч), подстуживание до 830 С, выдержка при данной температуре в течение 30 мин, закалка в масле с температурой 70 С, отпуск при температуре 170 С в течение 2 ч. Наряду с опытными сталями проводили выплавку и испытания в аналогичных условиях стали, выбранной за прототип. В качестве примера была осуществлена выплавка сталей, компонентный состав которых представлен в табл. 1 Таблица 1 Компонентный состав опытных сталей, мас. 18268 1 2014.06.30 Испытания стали при растяжении производили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497-84 5 на трех образцах типа 7 (диаметр 6, расчетная длина 30 мм). Определение ударной вязкости производили по ГОСТ 9454-78 6 при комнатной температуре с использованием образцов типа 1 (длина 55 мм, поперечное сечение 1010 мм). Концентратор напряжений имел -образную форму с радиусом 10,07 мм. Качество цементованного слоя определяли по характеру распределения микротвердостипо его толщине. Предел выносливости цементованных слоев зубчатых колес из опытных сталей определяли расчетным методом по методике 7 на основании данных о механических свойствах стали и свойствах упрочненного слоя зубчатых колес при цементации. Результаты испытаний представлены в табл. 2-4 Таблица 2 Механические свойства опытных сталей Механические свойства Предел проч- Предел текуче- Относительное Относительное Ударная вязкость опыта ности в, МПа сти 0,2, МПа удлинение ,сужение ,К, Дж/см 2 1 1400 1260 12,0 57,0 108 2 1420 1270 14,0 55,0 106 3 1450 1280 13,0 53,0 128 4 1360 1210 10,0 56,0 84 5 1420 1200 12,0 54,0 88 6 1440 1230 13,0 57,0 114 7 1410 1270 13,0 53,0 120 8 1325 930 7,0 65 59 Таблица 3 Свойства цементованных слоев опытных сталей и стали-прототипа Свойства цементованных слоев Дисперсность Эффективная Размер зерна, Содержаниеопыта Твердость мартенсита,толщина цебалл ГОСТ остаточного балл ГОСТ ментованного 5639-82 аустенита,8233-56 слоя, мм 1 58 о 8 16 0,70 2 59 3-4 8 14 0,75 3 60 3 9 12 0,78 4 57 2-3 6 26 0,60 5 57 3 6 24 0,60 6 59 3 8 16 0,75 7 58 3 8 20 0,70 8 (прототип) 57 3-4 5-6 22 0,55- под эффективной толщиной цементованного слоя понимают расстояние от поверхности к сердцевине образца, на котором твердость составляет не менее 700( - число твердости по Виккерсу). Таблица 4 Пределы выносливости цементованных слоев зубчатых колес из опытных сталей и стали-прототипа по данным испытаний натуральный образовопыта 1 2 3 4 5 6 7 8 (прототип) Предел вынос 1000 1040 1100 950 940 1010 1060 950 ливости 18268 1 2014.06.30 Из анализа результатов, приведенных в табл. 1-3, следует, что оптимальным сочетанием свойств обладают стали 1-3 и 6-7. Результаты сравнительных испытаний показывают,что предлагаемая сталь по сравнению с прототипом обладает более высокими значениями предела текучести, ударной вязкости, повышенными свойствами цементованного слоя,что отвечает поставленной при ее разработке задаче. 1.,,-29310- ,-73649, 1997. 2. Вороненке Б.И. Современные высокопрочные стали для тяжелонагруженных зубчатых передач // МиТОМ. -8. - 1996. - С. 12-18,3. Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вяткин С.А. и др. Марочник сталей и сплавов. М. Машиностроение, 1989. - С. 248. 4. ГОСТ 4543-71. Прокат из легированной конструкционной стали. Технические условия. 5. ГОСТ 1497-84.(ИСО 6892-84). Металлы. Методы испытаний на растяжение. 6. ГОСТ 9454-78. Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных,комнатной и повышенных температурах. 7. Руденко С.П. Определение пределов выносливости цементованных слоев зубчатых колес // Изв.НАН Беларуси. Сер. физико-техн.наук. - 2009. - С. 71-78. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.

МПК / Метки

МПК: C22C 38/44, C22C 38/02, C22C 38/06, C22C 38/04

Метки: сталь

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/6-18268-stal.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Сталь</a>

Похожие патенты