Сталь для цементации и изделие, выполненное из нее
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к сталям, предназначенным для изготовления тяжело нагруженных изделий, в частности для автомобильных шестерен, упрочняемых цементацией. Технический результат - повышение прокаливаемости при сохранении хорошей обрабатываемости резанием и экономичности легирования стали. Технический результат достигается тем, что предложены варианты составов стали и изделия, выполненные из них. Сталь для цементации содержит углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, серу и железо, при этом она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,12-0,26; марганец 0,7-1,5; кремний не более 0,4 хром 0,4-1,2; никель 0,4-0,7; молибден не более 0,3; сера 0,01-0,05; железо и неизбежные примеси - остальное, при этом суммарное содержание марганца и хрома составляет не менее 1,6 мас.%. По второму варианту предложена сталь следующего состава, мас.%: углерод 0,12-0,26; марганец 0,4-1,2; кремний не более 0,4 хром 0,4-1,0; никель 0,8-1,4; молибден не более 0,3; сера 0,01-0,05; железо и неизбежные примеси - остальное, при этом суммарное содержание марганца и хрома составляет не менее 1,4 мас.%. По третьему варианту предложена сталь следующего состава, мас.%: углерод 0,12-0,26; марганец 0,4-1,0, кремний не более 0,4, хром 0,4-1,0; никель 1,5-2,0; молибден не более 0,3; сера 0,01-0,05; железо и неизбежные примеси - остальное, при этом суммарное содержание марганца и хрома должно быть не менее 1,1 мас.%. 4 с.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к химическому составу сталей, предназначенных для изготовления изделий, упрочняемых цементацией, в частности автомобильных шестерен.
Из требований, предъявляемых к таким сталям, главными являются: повышенная прокаливаемость, необходимая для достижения требуемой твердости изделий после цементации; удовлетворительная обрабатываемость резанием, необходимая для уменьшения затрат на механическую обработку; экономность легирования, необходимая для уменьшения стоимости закупаемого металла.
Основное назначение легирования - повышение прокаливаемости. При этом широкое распространение получило комплексное легирование стали хромом, марганцем, никелем. Такая комплексность позволяет достигать экономичности в легировании, рационально варьируя содержание хрома, марганца, никеля при изменении конъюнктуры цен на присадки, применяемые для соответствующих легирующих добавок.
Известна сталь для цементации, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, железо при следующем соотношении компонентов, 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 неизбежные примеси - остальное
(ГОСТ 4543, сталь марки 20ХГНЦ)
Эта сталь, экономно легированная хромом, марганцем и никелем, широко применяется для изготовления автомобильных шестерен. Однако из-за недостаточной прокаливаемости при закалке в цементационных агрегатах, когда в качестве охлаждающей среды применяются минеральные масла, данная сталь не обеспечивает достижение требуемой твердости (не менее HRC 30-32) сердцевины сравнительно массоемких деталей.
Известна также сталь для цементации, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,15-0,22
кремний 0,17-0,37
марганец 0,4-0,7
хром 0,40-0,70
никель 1,6-2,0
молибден 0,2-0,3
железо и неизбежные примеси - остальное
(ГОСТ 4543, сталь марки 20ХН2М)
Эта сталь, характеризующаяся повышенным содержанием никеля, применяется для изготовления автомобильных шестерен, к которым предъявляются дополнительные требования по надежности в работе: увеличение содержания никеля способствует снижению "порога хладноломкости" - показателя, определяющего долговечность металла в условиях перегрузок. Увеличение содержания никеля благоприятствует также повышению прокаливаемости. Тем не менее сталь данного состава обладает недостаточной прокаливаемостью.
Проводили количественную оценку степени влияния различных элементов, способных увеличивать прокаливаемость цементируемой стали, с учетом также влияния комплексности легирования.
Прокаливаемость оценивали методом торцевой закалки (ГОСТ 5657), в котором определяется твердость (HRC) на различных расстояние (мм) от водоохлаждаемого (закаливаемого) торца (L): чтобы обеспечить требуемую твердость изделия, необходимо использовать сталь, которая при испытании на прокаливаемость методом торцевой закалки обеспечит данную твердость на определенном расстоянии от торца. Реальным условиям закалки сердцевины цементируемых автомобильных шестерен соответствуют скорости охлаждения в торцевой пробе при L=5-10 мм; конкретные нормы твердости (HRC) и расстояний (L) назначаются на основе данных по твердости сердцевины, достигаемой в реальных условиях закалки при цементации. Если заданная твердость детали не достигается, требуется корректировать химический состав, обеспечивая увеличение прокаливаемости стали. Для этого необходимо иметь надежную корреляционную зависимость между твердостью (HRC), которая фиксируется на различных расстояниях (L) от торцев, и химическим составом стали.
На основе анализа, проведенного на большом массиве промышленных партий цементируемой Cr-Mn-Ni-Mo-стали, получена модель, которую использовали для анализа влиянии легирования:
HRC=(0,08L2-1,87L+5,28)+(0,16L2-4,98L+56){C}+(0,06L2-1,89L+24){Mn}+(-0,06L2+0,5L+18){Cr}+(-0,02L2+0,26L+6,8){Ni}+(-0,14L2+2,87L+2,9){Si}+(0,25L2-5,03L+27){Mo}
Для прогнозирования результатов торцевой закалки вместо "L" должны подставляться значения расстояний (мм), в которых прогнозируется твердость, а в фигурные скобки - содержание соответствующих элементов (мас.%).
Представляется нецелесообразным для повышения прокаливаемости увеличивать исходное содержание углерода в стали, так как это сопровождается возрастанием коробления в процессе цементации. Легирование кремнием нецелесообразно, так как при повышенном содержании кремния снижается скорость науглероживания в цементации. Увеличение содержания дорогостоящего молибдена нецелесообразно, так как при этом существенно возрастает стоимость стали. Используя уравнение твердости, проанализировано влияние увеличения марганца, хрома и никеля на изменение прокаливаемости. В качестве исходных выбраны составы, соответствующие известным сталям марок 20ХГНМ и 20ХН2М при минимальном содержании в них хрома, марганца, никеля, углерода (0,18%), кремния (0,20%) и молибдена (0,15%).
Анализ производился для твердости на расстоянии 9 мм от водоохлаждаемого торца, как это принято, в частности на Горьковском автозаводе при оценке прокаливаемости стали для цементируемых шестерен. В качестве критерия удовлетворительной твердости принимали значение HRC 30.
Результаты анализа приведены в табл.1.
Как видно из таблицы, достижение требуемой твердости будет обеспечиваться при определенном суммарном содержании (мас.%) марганца и хрома, зависящем от содержания никеля: не менее 1,6 при пониженном содержании никеля (варианты III, V, VII); не менее 1,4 при с большем содержанием никеля (вариант V); не менее 1,1 при повышенном содержании никеля (вариант VI).
Наиболее близким аналогом является цементируемая сталь, известная из патента РФ №2169206 МПК С 22 С 38/44, 38/58, опубликованного 20.06.2001. (Бюл №17). Эта сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод 0,12-0,26
марганец 1,2-2,2
хром 0,3-0,7
никель 0,4-2,0
молибден 0,15-0,3
железо и неизбежные примеси - остальное
Указанное изобретение (прототип) направлено на снижение критических скоростей закалки и соответственно повышение прокаливаемости. Однако его формула существенно ограничивает проявление совместного присутствия в стали хрома, марганца и никеля как фактора, способствующего экономности легирования при решении проблемы повышения прокаливаемости.
Кроме того, в данной стали регламентируется лишь максимальное содержание (0,035 мас.%) серы. Современные сталеплавильные технологии предусматривают практически полное удаление серы, рассматривая ее в аспекте вредной составляющей химического состава. Однако для сталей, подвергаемых резанию в условиях массового производства, это неприемлемо, так как сталь, содержащая менее 0,010 мас.% серы, неудовлетворительно обрабатывается резанием независимо от применяемых технологических режимов. Повышение содержания серы до 0,04-0,05 мас.% рассматривается в настоящее время как эффективный способ улучшения обрабатываемости легированных сталей, не сопровождаемый удорожанием металла.
Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является оптимизация химического состава с обеспечением технического результата в виде повышения прокаливаемости стали при максимальном сохранении обрабатываемости резанием и экономности легирования.
Технический результат достигается тем, что в известной цементируемой стали, содержащей углерод, марганец, хром, никель, молибден, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению назначают содержание компонентов в соотношении, мас.%:
углерод 0,12-0,26
марганец 0,7-1,5
кремний не более 0,4
хром 0,4-1,2
никель 0,4-0,7
молибден не более 0,3
сера 0,01-0,05
железо и неизбежные примеси - остальное,
при этом суммарное содержание марганца и хрома должно быть не менее 1,6 мас.%.
Как вариант, технический результат достигается также тем, что в известной цементируемой стали, содержащей углерод, марганец, хром, никель, молибден, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению назначают содержание компонентов в соотношении, мас.%:
углерод 0,12-0,26
марганец 0,4-1,2
кремний не более 0,4
хром 0,4-1,0
никель 0,8-1,4
молибден не более 0,3
сера 0,01-0,05
железо и неизбежные примеси - остальное,
при этом суммарное содержание марганца и хрома должно быть не менее 1,4 мас.%.
Как вариант, технический результат достигается также тем, что в известной цементируемой стали, содержащей углерод, марганец, хром, никель, молибден, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению назначают содержание компонентов в соотношении, мас.%:
углерод 0,129-0,26
марганец 0,4-1,0
кремний не более 0,4
хром 0,4-1,0
никель 1,5-2,0
молибден не более 0,3
сера 0,01-0,05
железо и неизбежные примеси - остальное,
при этом суммарное содержание марганца и хрома должно быть не менее 1,1 мас.%.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что повышение прокаливаемости при максимальном сохранении обрабатываемости резанием и экономности легирования достигается рациональным нормированием минимального суммарного содержания марганца и хрома и минимального содержания серы. Устанавливаемый минимальный предел содержания марганца и хрома и их суммарного содержания будет достаточным для достижения требуемой твердости стали в реальных условиях упрочнения при цементации. Нормирование максимального предела содержания марганца, хрома и никеля исключает излишнее удорожание стали. Устанавливаемое минимальное содержания серы будет достаточным для удовлетворительной обрабатываемости резанием. Ограничение максимального содержания серы необходимо с целью предотвращения излишнего загрязнения стали включениями сульфидов для сохранения прочностных свойств металла.
Повышенное содержание предполагает как сохранение серы, переходящей в расплав из шихтовых материалов, так и специальное микролегирование. Учитывая также сложившуюся практику сталеплавильного производства, при повышенном содержании серы сталь может дополнительно микролегироваться кальцием для сфероидизации образующихся сульфидов и оксидов. При этом кальций вводится в жидкий расплав из расчета до 0,1 мас.%, и в готовом металле содержание кальция может не регламентироваться.
Примеры конкретного выполнения способа
Две промышленные партии стали марки 20ХГНМ с нормированным суммарным содержанием хрома и марганца выплавлялись и проходили прокатку в условиях действующего производства металлургического предприятия с получением готовой продукции в виде горячекатаных прутков ⊘56 мм. Данный прокат предназначался и был использован на Горьковском автомобильном заводе для изготовления шестерен коробки перемены передач.
Проводили анализ химического состава и испытание на прокаливаемость проката в состоянии поставки. Критерием обеспечения требуемой прокаливаем мости считали получение после торцевой закалки твердости не менее HRC 32 на расстоянии 9 мм от водоохлаждаемого торца.
Результаты анализов и испытаний, представленные в табл.2, показывают, что сталь, состав которой удовлетворяет формуле изобретения, обладает требуемой прокаливаемостью.
| Таблица 1 | ||||||||
| Вариант состава стали | Содержание химических элементов в стали, мас.% | HRC | ||||||
| в отдельности | в сумме | |||||||
| хром | марганец | никель | марганец и хром | |||||
| I (исходный) | 0,4 | 0,7 | 0,4 | 1,1 | 21 | |||
| II (исходный) | 0,4 | 0,4 | 1,6 | 0.8 | 27 | |||
| III | 0,4 | 1,3 | 0,4 | 1,7 | 30 | |||
| IV | 0,6 | 0,8 | 0,9 | 1,4 | 30 | |||
| V | 0,9 | 0,7 | 0,4 | 1,6 | 30 | |||
| VI | 0,4 | 0,7 | 1,5 | 1,1 | 30 | |||
| VI | 0,7 | 1,0 | 0,4 | 1,7 | 31 | |||
| Таблица 2 | ||||||||
| Плавка | Содержание основных элементов, мас. % | Твердость HRC | ||||||
| С | Cr | Мn | Ni | Si | Мо | ∑ (Сr, Мn) | ||
| I | 0,22 | 0,61 | 1,02 | 0,47 | 0,31 | 0,21 | 1,63 | 32 |
| II | 0,19 | 0,54 | 1,34 | 0,45 | 0,26 | 0,18 | 1.88 | 35 |
1. Сталь для цементации, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, серу и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод 0,12-0,26
Марганец 0,7-1,5
Кремний Не более 0,4
Хром 0,4-1,2
Никель 0,4-0,7
Молибден Не более 0,3
Сера 0,01-0,05
Железо и неизбежные примеси Остальное
при этом суммарное содержание марганца и хрома составляет не менее 1,6 маc.%.
2. Сталь для цементации, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, серу и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод 0,12-0,26
Марганец 0,4-1,2
Кремний Не более 0,4
Хром 0,4-1,0
Никель 0,8-1,4
Молибден Не более 0,3
Сера 0,01-0,05
Железо и неизбежные примеси Остальное
при этом суммарное содержание марганца и хрома составляет не менее 1,4 маc.%.
3. Сталь для цементации, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, серу и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в соотношении, маc.%:
Углерод 0,12-0,26
Марганец 0,4-1,0
Кремний Не более 0,4
Хром 0,4-1,0
Никель 1,5-2,0
Молибден Не более 0,3
Сера 0,01-0,05
Железо и неизбежные примеси Остальное
при этом суммарное содержание марганца и хрома должно быть не менее 1,1 маc.%.
4. Изделие, выполненное из стали для цементации, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по любому из пп.1-3.
