Сталь

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Производственное объединение Минский тракторный завод Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Дудецкая Лариса Романовна Крупец Леонид Николаевич Орлов Юрий Григорьевич Баркун Александр Алексеевич Усс Иван Никодимович Горецкий Георгий Прокопьевич(73) Патентообладатели Производственное объединение Минский тракторный завод Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ниобий,алюминий, азот, железо и примеси, отличающаяся тем, что содержит компоненты в следующем соотношении, мас.углерод 0,17-0,22 кремний 0,17-0,37 марганец 0,30-0,50 хром 0,60-0,90 никель 2,75-3,15 молибден 0,05-0,15 ниобий 0,01-0,03 алюминий 0,02-0,04 азот 0,002-0,020 железо и примеси остальное. Изобретение относится к машиностроению, а именно к конструкционным сталям с повышенной прочностью для зубчатых колес. Изобретение может быть использовано в автомобиле- и тракторостроении при изготовлении зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин. Долговечность и надежность зубчатых пар высокоресурсных машин во многом зависит от комплекса свойств применяемых материалов, например предела текучести, вязкости, усталостной прочности, размерной стабильности в условиях эксплуатации, особенно при периодическом повышении температуры в зоне контакта, которое приводит зачастую к разупрочнению традиционно используемых конструкционных цементуемых сталей. Этим объясняется возросшая тенденция к изготовлению зубчатых колес из дисперсион 10893 1 2008.08.30 нотвердеющих сталей, сохраняющих эксплуатационную надежность при повышенных температурах. Высокий уровень надежности деталей, работающих в экстремальных условиях, достигается за счет упрочнения как сердцевины, так и цементованного слоя деталей дисперсными упрочняющими фазами при термической и химико-термической обработке. При этом на поверхности деталей создаются упрочненные слои с повышенным сопротивлением развитию усталостных трещин и релаксации искажений микроструктуры. Известны, например, высокопрочные цементуемые стали для тяжелонагруженных зубчатых пар, подшипников и т.п. 1, 2. К числу недостатков большинства из них можно отнести низкую теплопрочность (не выше 180 С), склонность к росту зерна, недостаточную прочность сердцевины деталей и т.д. Известны также высокопрочные дисперсионнотвердеющие стали 3, обладающие повышенной теплостойкостью при температурах до 500 С, которая обеспечивается за счет как карбидного, так и интерметаллидного упрочнения. Последнее достигается при легировании ванадием и алюминием в количестве до 1 и приводит к нестабильности структуры и свойств диффузионного слоя, формирующегося при цементации. В качестве прототипа при создании предлагаемого изобретения выбрана сталь 20 ХН 3 А как наиболее близкая по технической сущности и распространенная при изготовлении зубчатых колес автотракторной техники 4 и имеющая следующий компонентный состав, мас.углерод 0,170,24 кремний 0,170,37 марганец 0,300,60 хром 0,600,90 никель 2,753,15 железо и примеси остальное. К числу недостатков данной стали можно отнести следующее 1) пониженные и нестабильные механические свойства при повышенных температурах в результате самоотпуска деталей вследствие тепловых влияний 2) недостаточно высокая прочность сердцевины, приводящая к продавливанию поверхностного упрочненного слоя при повышенных нагрузках 3) невысокие значения ударной вязкости при достижении повышенных значений прочности. Задачей настоящего изобретения является увеличение прочностных свойств стали при повышенных температурах без снижения ударной вязкости, улучшение качества и повышение теплостойкости цементованного слоя. Задача решается за счет того, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний,марганец, хром, никель, железо и примеси, дополнительно содержит молибден, ниобий,алюминий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,170,24 кремний 0,170,37 марганец 0,300,50 хром 0,600,90 никель 2,753,15 молибден 0,050,15 ниобий 0,010,03 алюминий 0,020,04 азот 0,0020,02 железо и примеси остальное. При введении в сталь молибдена повышаются ее прокаливаемость и твердость сердцевины деталей, а также растут предел прочности и предел текучести без существенного изменения ударной вязкости. При концентрации молибдена ниже чем 0,05 его влияние 2 10893 1 2008.08.30 несущественно, при концентрации выше 0,15 происходит ухудшение обрабатываемости и неадекватное улучшению свойств удорожание стали. Ниобий способствует измельчению аустенитного зерна и препятствует его росту при цементации. При содержании ниобия меньше чем 0,01 его введение в сталь заявляемого состава малоэффективно, при содержании выше 0,03 происходит снижение пластичности. Легирование стали азотом в присутствии алюминия и ниобия приводит к образованию дисперсных включений нитридов этих элементов и способствует измельчению структуры, упрочнению металлической матрицы и увеличению теплостойкости диффузионного слоя. При концентрации азота менее 0,002 не достигается эффективное повышение теплостойкости диффузионного слоя, при его содержании более 0,02 цементованный слой становится хрупким в результате образования пересыщенного азотом мартенсита и легко подвергается сколам. Легирование стали ванадием приводит к ее упрочнению при нагреве за счет дисперсионного твердения при образовании карбидов и нитридов. При превышении концентрации ванадия 0,10 наблюдается снижение пластичности стали. Алюминий в количестве 0,020,04 в присутствии азота обеспечивает высокую твердость и теплостойкость диффузионного слоя, оптимальное сочетание прочности и пластичности стали. При содержании алюминия более 0,04 возможно нарушение сплошности диффузионного слоя при насыщении углеродом, при содержании его менее 0,02 эффективность влияния азота на эксплуатационные свойства сопряженных поверхностей зубчатых пар снижается. Выплавку стали для проведения исследований производили в индукционной печи с алундовым тиглем емкостью 2 кг в атмосфере аргона. В качестве шихтовых материалов использовали отходы низкоуглеродистой стали (ГОСТ 16523-70), ферросилиций Фс 75(ГОСТ 1415-93), ферромарганец ФМн 78 (ГОСТ 4755-91), ферромолибден ФМо 60 (ГОСТ 4759-91),феррованадий ФВд 35 А (ГОСТ 264-91), никель Н-1 (ГОСТ 849-91), феррохром ФХ 001 А(ГОСТ 4757-91), феррохром литой азотированный ФХ 010111 (ТУ 14-5-159-84), феррониобий ФН 1 (ГОСТ 16773-71), алюминий АВ-88 (ГОСТ 295-91). Слитки ковали в штанги диаметром 30 мм, из которых затем вырезали образцы для проведения испытаний. В качестве примера осуществлена выплавка сталей, химический состав которых представлен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав опытных сталей Уровень соКомпонентный состав, мас. Тип стали держания комп/п С понентов 1 известная средний 0,20 0,25 0,40 1,75 3,00 2 опытная нижний 0,17 0,17 0,30 0,60 2,75 0,05 0,02 0,002 0,01 3 опытная средний 0,19 0,27 0,45 0,75 2,90 0,10 0,03 0,10 0,02 4 опытная верхний 0,22 0,37 0,50 0,90 3,15 0,15 0,04 0,20 0,03 5 опытная ниже нижнего 0,15 0,15 0,24 0,40 2,60 0,03 0,01 0,005 6 опытная выше верхнего 0,24 0,42 0,60 1,20 3,20 0,30 0,06 0,24 0,05 железо и примеси - остальное. Были проведены механические испытания опытных сталей. Для испытаний использовали образцы по ГОСТ 1497-84, тип Ш,6 (испытания на растяжение) и тип 6 (испытания на ударную вязкость) после противофлокенной термической обработки, закалки с температуры 860 С и отпуска при температуре 200 С. Для исследования диффузионных слоев проводили химико-термическую обработку образцов сечением 1212, длиной 100 мм по следующему режиму цементация при температуре 950 С, подстуживание до 550 С(общее время науглероживания 13 часов), охлаждение на воздухе, затем закалка с температуры 900 С в масле с температурой 70 С, отпуск при температуре 500 С в течение 3 3 10893 1 2008.08.30 часов. Наряду с опытными сталями проводили выплавку и испытания в аналогичных условиях стали, выбранной за прототип ( 1, табл. 1). Испытания на растяжение и ударную вязкость производили на стандартном оборудовании. Качество цементованного слоя определяли по характеру распределения твердости и по величине кратковременной твердости после выдержки при температурах 150350 С в течение 1 часа. Результаты испытаний приведены в табл. 2. Таблица 2 Механические свойства сталей Механические свойстваопыта Балл зерна,1 930 735 12 46 108 7 2 1288 1218 10 49,5 78 8 3 1290 1187 12 61,5 86 9 4 1308 1228 10,5 48,5 80 9 5 1239 1168 9,5 46 84 7 6 1308 1180 6,5 44 68 9 Таблица 3 Свойства цементованного слоя известной и заявляемой сталей Твердость , Н/мм 2, после выдержки при температуре, С Расстояние от 20 150 250 350 поверхности Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь образца, мм 1 3 1 3 1 3 1 3 0 724 784 624 726 600 695 560 642 0,4 588 642 572 667 548 600 484 560 0,8 550 602 534 621 540 600 450 554 1,2 490 545 428 560 478 545 444 488 1,6 455 474 450 474 420 474 400 460 2,0 390 398 400 420 420 420 433 446 Из анализа результатов, приведенных в табл. 2 и 3, следует, что оптимальным сочетанием свойств обладают стали 2-4. Результаты сравнительных испытаний показывают, что предлагаемые стали по сравнению с прототипом обладают более высоким пределом текучести, а также при цементации образуют диффузионный слой повышенной твердости и теплостойкости, что отвечает поставленной при ее разработке задаче. Предлагаемую сталь предполагается использовать при изготовлении зубчатых пар для энергонасыщенных тракторов, например, на Минском тракторном заводе. Источники информации 1.,,-29310- . --73649, 1997. 2. Вороненко Б.И. Современные высокопрочные стали для тяжелонагруженных зубчатых передач // МиТОМ. -8. - С. 12-18, 1996. 3. Равин А.Н., Суходрев Э.Ш., Дудецкая Л.Р., Щербанюк В.Л. Формообразующий инструмент для прессования и волочения профилей. - Мн. Наука и техника, 1988. - 232 с. 4. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин, А.В. Волосникова, С.А. Вяткин и др. М. Машиностроение, 1989. - С. 248. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4