Конструкционная сталь

 

Изобретение относится к черной металлургии , в частности к конструкционной стали для производства тяжелонагруженных шестерен двигателя 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: марганец+никель/медь 2,2-5,5; кальций+ +барий/сера 0,55-1,07. 2 табл. Ё

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 22 С 38/54

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

12 — 14%

0,86 — 1,16 МДж/м2

HRC = 40 мм (21) 4923128/02 (22) 29.03.91 (46) 07.09.92. Бюл. Кг 33 (71) Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П.

Бардина (72) P Ê. Гусейнов, В.Н. Зикеев, Б,П. Шаров, Ю.С, Булыгин, Б.О. Бернштейн, В.А. Орешин, Ю.В. Дружинин, В.Е. Семин, В.И. Повар, Т.Я, Меньшикова, Р.И. Шукюров, Т.А. Королева и В,П. Шевчук (56) Авторское свидетельство СССР

N 1567653, кл, С 22 С 38/54, 1990. (54) КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ (57) Изобретение относится к черной металлургии, в частности к конструкционной стали для производства тяжелонагруженных

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к машиностроительным сталям для производства тяжелонагруженных шестерен двигателей тракторов.

Известна сталь, содержащая, мас.%:

Углерод 0,18 — 0,27

Марганец 0,6 — 1,0

Кремний 0,2 — 0,42

Хром 0,8 — 1,3

Никель 0,45 — 0,79

Молибден 0,18 — 0,28Титан 0,02 — 0,05

Бор 0,0005-0,003

Ванадий 0,01 — 0,06

Цирконий 0,01 — 0,06

Кальций 0,001 — 0,003

Алюминий 0,005 — 0,025

Сера 0,01 — 0,06

Железо Остальное

„„. Ы„„1759944 А1 шестерен двигателя 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, мас.%: 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: марганец+никель/медь = 2,2 — 5,5; кальций+

+барий/сера = 0,55-1,07. 2 табл.

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

Предел прочности 1400 — 1710 Н/мм

Предел текучести 1100 — 1400 Н/мм

Относительное удлинение

Относительное сужение 55 — 58%

Ударная вязкость

КС0+20

Предел выносливости а-1 750 Н/мм

Предел контактной выносливости cJj< 1880 Н/мм

Прокаливаемость сердцевины

1759944

V+ Nb +Ti +Zr +At

При этом

А! + 7! + ИЬ вЂ” 4 — 6 4

Известная сталь применяется для изготовления тяжелонагруженных шестерен и после ложной цементации и закалки с низким отпуском имеет следующий комплекс механических свойств:

Предел прочности 1750 — 1870 Н/мм

Предел текучести

Относительное удлинение 15 — 18%

Относительное сужение

Предел выносливости а-1 1100 Н/мм

Предел контактной выносливости о к

Ударная вязкость KCU

Прокаливаемость

HRC4o мм 57

Твердость цементованного слоя 67 HRC

Н едостатками известной стал и я ел я ются неудовлетворительная обрабатываемость и нестабильность размеров деталей после цементации и термической обработки.

1400-1600 Н/мм

60-65%

2700 Н/мм

1,6 МПж/м2

Твердость цементованного слоя 60 — 63 HRC

К недостаткам этой стали относится невысокий уровень усталостных характеристик, не обеспечивающий требуемую долговечность и небольшая прокаливаемость, Наиболее близкой по составу, технической сущности и достигаемому результату является сталь, взятая за прототип и содержащая, мас.%:

Углерод 0,20 — 0,28

Марганец 0,5-0,8

Кремний 0,15-0,37

Хром 0.8-1,1

Никель 0,5 — 1,4

Молибден 0,2-0,3

ТиTBH 0,02 — 0,08

Бор 0,001 — 0,003

Ванадий 0,08 — 0,12

Цирконий 0,02 — 0,08

Кальций 0,001 — 0,003

Алюминий 0,02-0,04

Ниобий 0,02-0,04

Азот 0,015 — 0,025

Железа Остальное

Целью изобретения является улучшение обрабатываемости резанием и достижение стабильности размеров деталей s процессе эксплуатации при сохранении

5 прочих механических свойств.

Для этого сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, титан, бор, ванадий, цирконий, кальций, алюминий, ниобий, азот, железо, 10 дополнительно содержит серу, медь и барий при следующем соотношении компонентов, мас %

Углерод 0,15 — 0,25

Марганец 0,5-0,8

15 Кремний 0,15 — 0,37

Хром 0,8 — 1,3

Никель ",6-1,1

Молибден 0,2-0,3

T!4i H 0,02-0,06

20 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

25 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

30 Железо Остальное

При этом отношение суммы марганца и (ЬЬ+ Ni никеля к меди составляет о

2,2 — 5,5, а отношение суммы кальция и бария

35 (Са+ Ва о оо/ к сере должно быть в пределах 0,55-1,07.

Известно, что стабильность размеров деталей после цементации и термической

40 обработки зависит от стабильности структурных составляющих, из которых остаточный аустенит обычно отличается нестабильностью и в процессе эксплуатации (при ударах или охлаждении) может пре45 вратиться в мартенсит, объем которого больше, чем у других структурных составляющих, в результате чего размер детали увеличивается. Чтобы этого не произошло, необходимо или добиться полного отсутст50 вия остаточного аустенита, что практически невозможно, или его стабилизации.

В предлагаемом изобретении для стабилизации аустенита введена медь, а постоянство размеров детали обеспечивается

55 при экспериментально найденном соотношении, — 2,2-5,5, при котоСи% ром достигается минимальное количество остаточного аустенита, 1759944

Улучшение обрабатываемости, как известно, достигается введением кальция и серы. В предлагаемую сталь дополнительно вводят барий, который в значительной степени усиливает действие кальция и серы, а максимальная обрабатываемость достигается при экспериментально найденном соотношении

Са+Ва

S o/ — 0,55 — 1,07.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемая сталь отличается от известной дополнительным введением серы, меди и бария, а также (уп + gj o соотношениями, — 2,2—

cu С Ъ.l "I

5,5;, — 0,55 — 1,07, т, е. заявляемая конструкционная сталь соответствует критерию "новизна".

Анализ патентной и научно-технической информации не выявил решений, имеющих аналогичную совокупность признаков, которой бы достигался сходный эффект — улучшение обрабатываемости резанием и достиже",ие стабильности размеров деталей в процессе эксплуатации при сохранении прочих механических свойств.

Следовательно, заявляемая совокупность признаков соответствует критерию

"существенные отличия".

Пределы по углероду ограничены 0,15—

0,25, содержание углерода ниже 0,15/ не обеспечит требуемой твердости цементованного слоя. При содержании углерода выше 0,25 не будет обеспечена вязкость сердцевины.

Пределы по марганцу выбраны в интервале 0,5 — 0,8, Содержание марганца ниже

0,5/ не обеспечит достаточной раскисленности металла, выше 0,8 замедляется образование специальных карбидов сильных карбидообразующих элементов.

Нижний предел содержания кремния определен 0,15, ниже которого металл не обладает достаточной раскисленностью, Верхний предел содержания кремния органичен 0,37/, выше которого снизится 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, циркония, ниобия и ванадия, Пределы по никелю ограничены 0,6—

1,1, Содержание никеля ниже 0,6 не обеспечит требуемой вязкости. При содержании никеля выше 1,1 ухудшится обрабатываемость резанием.

Нижний предел содержания молибдена определен 0,2 . При содержании молибдена ниже этого предела не будет устранена отпускная хрупкость. Содержание молибдена выше 0,3о затруднит образование специальных карбидов титана, циркония и ниобия, Содержание титана ограничено пределами 0,02 — 0,06 /о. Содержание титана ниже

0,02 не обеспечит требуемой твердости комплексных карбонитридов, выше 0,06 ухудшит технологичность стали.

Нижний предел по бору составляет

0,001 . При содержании бора ниже этог< предела не будет обеспечена необходима прокаливаемость, Верхний предел выбран

0,003, содержание бора выше зтогс предела вызывает выделение боридов по границам зерна, что резко снизит.:опрот;;вление стали хрупкому разрушенлк;, Пределы содержания ванадия выбраны

0,08 — 0,12 /о. Содержание ва нади я н иже

0,08 вызовет снижение твердости комплексных карбонитридов, а при содержании выше 0,12О/ снизит ударную вязкость.

Содержание циркония ограничено пределами 0,01 — 0,05/. Содержание циркония ниже 0,01% не обеспечит тоебуемой твердости цементованного слоя. При содержании циркония выше 0,05/ вызовет образование избыточного количества карбонитридов, что приведет к снижению сопротивления стали хрупкому разрушению.

Нижний предел по кальцию составляет

0,001, содержание кальция ниже этого предела не обеспечит глобуляризации сульфидов, выше 0,003% вызовет загрязнение стали избыточным количеством неметаллических включений, что отрицательно скажется на хладостойкости.

Пределы по алюминию ограничены

0,02 — 0,04 . При содержании алюминия ниже

0,02 металл будет недостаточно раскислен, выше 0,04o ухудшится технологичность стали.

Содержание ниобия выбрано в пределах 0,02 — 0,04 /o. При содержании ниобия ниже 0,02o не будет обеспечена необходимая твердость цементованного слоя, выше

0,04% снизится контактная прочность из-за неблагоприятной морфологии ка рб он итридов ниобия.

Нижний предел содержания азота выбран 0,015О/. При содержании азота ниже этого предела не будет обеспечена возможность образования карбонитридов, содержание азота выше 0,025 o/, вызовет снижение хладостойкости из-за появления в твердом растворе свободного азота.

Содержание серы выбрано в пределах

0,015 — 0,04%. При содержании серы ниже

1759944

35

50

55 бы деталей в 3 раза.

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 снизится хладостойкость стали и повысится анизотропия механичеСКИХ СВОЙСТВ.

Нижний предел содержания 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 явление красноломкости.

Барий вводится в пределах 0,01 — 0,04%.

При содержании бария ниже 0,01% сульфиды в основном будут иметь строчечную форму, что не окажет положительного влияния на обрабатываемость резанием. Содержание бария выше 0,04 вызывает охрупчивание границ зерен.

Пределы отношения суммы содержания марганца и никеля 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 требуемая глубина цементованного слоя и снизится долговечность деталей.

Пределы отношения суммы содержания кальция и бария к сере ограничены 0,55—

1,07. Если это отношение будет меньше 0,55 не будет обеспечена глобуляризация 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 осуществления изобретения, не исключающие других в объеме формулы изобретения за исключением плавок 6-15.

В индукциойной 50-кг печи выплавлена сталь предложенного состава (плавки 1 — 5) и известного состава (прототип). Кроме того, выплавлены стали с запредельными значениями дополнительно введенных легирующих элементов (плавки 6 — 15). Сталь выплавляли на шихте ОЗЖР. Предварительное раскисление осуществлялось ферросилицием и ферромарганцем. Окончательное— алюминием 10 кг/т — после снятия шлака. В последнюю очередь присаживали ниобий, ванадий, цирконий, молибден, бор и др. элементы.

В ковше металл обрабатывали силикокальцием 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 термообработанных заготовок изготавливали образцы, Определяли механические свойства при растяжении по ГОСТ 1497 — 84 на пятикратных образцах на продольных образцах, ударную вязкость KCU по ГОСТ 9454 — 78 и прокаливаемость (kRC на расстоянии

40 мм от торца охлаждаемого образца) по

ГОСТ 5657 — 69.

Обрабатываемость резанием определялась в отожженном состоянии на заготовках для условий получистого течения без охлаждения по чистому металлу резцами, оснащенными твердыми сплавами при постоянных значениях глубины резания 1,5 мм, подачи

0,2 мм/об и главного угла в плане резцов у 60 Обрабатываемость оценена по скорости резания, соответствующей 60-минутной стойкости резцов Чщ и выражена

КОЭффИЦИЕНтОМ KTB.cnn. ПО ОТНОШЕНИЮ К ЭТалонной стали 45, скорость резания которой

Чю взята за единицу.

Далее были изготовлены шестерни и после цементации и термической обработки проведены испытания 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 охлаждения до -70 С.

Неизменность количества остаточного аустенита после этих операций on ределяла стабильность размеров сталей.

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

Анализ результатов испытаний опытных сталей (табл. 2) показал, что предлагаемая сталь превосходит известную, взятую за прототип по обрабатываемости (коэффициент обрабатываемости Kre.cnn. в 1,5 раза больше) и отличается от нее стабильностью размеров (количество остаточного аустенита после деформации или охлаждения до

-70 С остается практически неизменным) при сохранении других механических свойств на прежнем уровне.

За базовый объект принята сталь

20ХН2М (ГОСТ5453 — 71). Ожидаемый экономический эффект от внедрения предлагаемой стали в народном хозяйстве при годовом производстве 10 тыс. т составит

1,5 млн.руб, за счет увеличения срока служФормула изобретения

Конструкционная сталь преимущественно для шестерен двигателей тракторов, содержащая углерод, марганец, кремний, 1759944

10

15 (марганец + никель)/медь = 2,2 — 5,5; (кальций + барий)/сера = 0,55 — 1,07, Табли ца 1

Химический состав опытных плавок

Содермание элементов, мас.C

)- 1"

------ --------т------2т Са Л!

Заявляемая сталь

0,8

1,О

1,3

o, 8

0,9

0,2 0Ä02 0,08

0,25 0,04 а.!о о,3 a,o6 0,12

0,2 0,02

0,3 0,03 о,оЗ о,6

0,9

1,1

0,6 о,6

0,5

0,6

0,8

0,5

0,7

0,15

0,25 о,37

0,15 а,17 о,о!

0,03

0,05

0,01

o,oz

0,15

0,20

0,25

0,20

0,22

0,001

О,оог о,ао,"

0,00!

0,00!

0,02

0,003 о,оо4

0,02

О,ОЗ

За пределами заявляемого

0,20

0,22

0,25 о,27

0,30

0,35

0,2С

0,25 о,го

0,20 о,б

0,6

0,5

a,б

0,6

0,6

0,9

0,3

0,6

0,6 б

8

11

12

13 !

15

0,20

0,20

0,20

0,22

0,23

0,19 о,!7 о,!8

0,19

0,20 а,7 а,8

0,7

0,9

0,8 о,7

0,9

0,3

0,7

0,7

0,09

0,09

0,10

0,11

0,11

0,10

o,!î

0,10 о,!о о,!о

0,03

0,03

0,03

0,03

0,03

О,ОЗ о,оз

0,03

0,03 о,03

o,àç

0,03

0,03

0,03 о,оз о,оз а,оз

0,03

0,03 о,оз

1,1

1,2 о,9

1,0

1,1

1,О

0,9

0,8

0,9

0,9

0,2 о,з

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,2

0,002

o,оо

0,002

0,002

0,0С2

0,002 о,аог

0,002

0,0005 о,004

Известная сталь

1,0 0,2

16 0,25

o,ãî

1,0

0,7

0,05 0,003 0,10 0,05

0,002

0,03

Продолжение табл. 1 плавка !и+И!. Са+За

Cu (S

V+Nb+Ti+Zr+Al Al+Ti+Nb к+С N з

Nb N S

Заявляемая сталь

0,02

0,03 а,04

0,02

0,03

0,015

o,ozo

0,025

0,015 о,о!6

0,015

0,025

0,04

О, 015

0,02 о,г

0,4 о,7 о,б

0,4

0,01

0,02

0,04

0,01,5 0,73 ,75 о,88 ,7 1,07 ,г о,7З

n,ss

Осталь- 5 ное 3

11

За пределами заявляемого

С,4

0,4

О,!

0,8

a, 4, 0,3

1,О

0,1

0,4

0,3

7

9

11

12

13

14

15,25 1,69 ,5 0,48 ,г ,87 1, 04 ,5 0,35 .3 2,2Ь ,8 0,88 ,25 0,15 ,3 1,08

0,03

0,03

0,03

0,03

0,03

0,03

0,03

0,03

0,03

0,03

О, 020

0,020

o,0ã0

0,020

0,021

0,020

0,017

o)8

0,020

0,020

a,î!3

0,045

0,020

O,OZ!

0,020

0,023

0,025

0,02С о,о!о

0,05

0,02

a,0ã

0,02

0,02

0,005

0,05

0,02

0,03

О,OO1

0,05

3

1

4

6

Известная сталь (прототип) 16 0,03 0,020

0,9

5.5 хром, никель, молибден, титан, бор, ванадий, цирконий, кальций, алюминий, ниобий, азот, серу, железо, отличающаяся тем, что, с целью улучшения обрабатываемости резанием и достижения стабильности размеров деталей в процессе эксплуатации при сохранении комплекса механических свойств, она дополнительно содержит медь и барий при следующем соотношении компонентов, мас.7,: 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 бор ванадий цирконий кальций алюминий ниобий азот сера медь барий железо при выполнении

0,03 0,002

0,04 0,002

0,03 0,002

0,03 0,002

0,03 0,00!

o,а3 0,003

0,03 0,003

0,03, ),002

0,03 0,001

0,03 0,001 (прототип) 0,02 — 0,06;

0,001 — 0,003;

0,08 — 0,12;

0,01 — 0,05;

0.001 — 0,003:

0,02 — 0,04;

0,02-0,04;

0,015 — 0,025;

0,015 — 0,04;

0,2-0,7;

0,01 — 0,04;

Остальное, следующих соотношений;

1759944

Таблица 2 механические свОйства опытных сталей

Пракалиаа- Твердость еность цементного

8RC 40 слоя НПС

Предел текучес ти 6П2, Н/мнв

Плавка

Предел прочнос

"ГВ, Н/ммэ

Относит. удлнне ние бб, Относит. суяенив т, ф

Предел выносли вости 6мн, Н/ммэ

Предел кон- Ударная тактнай вы- вязкость носливости KCU, Н/мм» мДн/мэ

Обрабатываем. -остаточн.аустенит, l4

Ктутв.спл

НВ240-270

Кол-во после т/

Кол-so после деформации или охлахц!. до -70 С

Заявляемая сталь

60 1100

62 1100

65 1100

64 1100

64 1100

1 !750 1390

2 1800 1485

3 1870 1595

4 1860 1500

5 1865 1490

2700

1,4

1,5

1,6

1,5

1,5

56

56

56

56

65 1,4

66. 1,4

67 1,4

66 1,4

66 1,4

16

18

17

10 !

16 1800

1490 18

65 0,8

25

35

50

Составитель В, Орешин, Техред М.Моргентал Корректор Е, Папп

Редактор

Заказ 3159 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

7

9

11

12

l3

14 !

1800 ! 790

1795 l 75O

1800

1482 !

1482 !

483

1485

17

17

17

I7

16

16

16

За пределами эаявляемого

62 1100 2700

62 1!00 2700

62 1100 2700

62 1100 2700

63 1100 2700

63 1100 2700

62 1!00 2700

64 1!00 2700

63 1100 2700

62 i!00 2700

Известная сталь

64 1!00 2700

1,6

1,2

1,4

1,2

1,5

1,0

1,3

1,4

1,4

1,5 (прототип)

1,5

56

56

56

56

56

56

56 .

56

56

0,8

1,0

0,8

1,3

0,8

0,8

1,4

0i8

0,8

0,8

l0

l0

2

2

9

2

9