Сталь

(51)22 38/46 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 РомановнаОрлов Юрий Григорьевич Руденко Сергей ПетровичКрупец Леонид НиколаевичБрижанев Владимир МихайловичТерновой Юрий ФедоровичКаганер Александр Аронович(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, ванадий,алюминий, азот, железо и примеси, отличающаяся тем, что она содержит компоненты в следующем соотношении, мас.углерод 0,12-0,20 кремний 0,80-1,20 марганец 0,20-0,50 хром 1,50-2,50 никель 2,50-4,00 молибден 1,50-2,50 ванадий 0,15-0,35 алюминий 0,08-0,12 азот 0,0020-0,0026 железо и примеси остальное. Изобретение относится к металлургии, а именно к экономнолегированным мартенситностареющим сталям с повышенной теплопрочностью. Изобретение может быть использовано в автомобиле- и тракторостроении при изготовлении зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин. Долговечность и надежность зубчатых пар высокоресурсных машин и агрегатов во многом зависит от комплекса свойств применяемых материалов, например предела текучести, вязкости, усталостной прочности, размерной стабильности в условиях эксплуатации, которые связаны с периодическим повышением температуры в зоне контакта, приводящим к разупрочнению традиционно используемых конструкционных цементуемых ста 7301 1 2005.09.30 лей типа 20 Х 2 Н 4 А. Этим объясняется возросшая тенденция к изготовлению зубчатых колес из высокопрочных дисперсионнотвердеющих сталей с повышенными теплопрочностью и другими служебными свойствами. Высокий уровень надежности деталей, работающих в экстремальных условиях, достигается за счет упрочнения металлической основы закалкой и дисперсионным твердением, а также и глубокого насыщения поверхности зубчатых колес углеродом и азотом путем химико-термической обработки. При этом на поверхности деталей создаются упрочненные слои с повышенным сопротивлением развитию усталостных трещин и релаксации искажений микроструктуры. Известны, например, высокопрочные цементуемые стали для зубчатых колес тяжелонагруженных редукторов, подшипников и т.п. 1, 2. К числу недостатков большинства из них можно отнести следующее 1. Низкие и нестабильные механические свойства при повышенных температурах, и,как следствие, повышенная остаточная деформация при повторяющихся нагружениях. 2. Применяемые для обеспечения повышенной теплостойкости сложные системы легирования, затрудняющие промышленное производство сталей и появление так называемой пятнистости при цементации, снижающей эксплуатационную стойкость деталей. 3. Невысокие значения ударной вязкости при достижении высоких значений прочности. Известны также экономнолегированные стали со стареющим мартенситом 3, предназначенные в основном для изготовления прессового инструмента горячего деформирования, обладающие повышенной теплостойкостью при температурах до 500 , которая обеспечивается за счет как карбидного, так и интерметаллидного упрочнения. Последнее достигается за счет легирования алюминием в количестве до 1 . Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемым результатам является сталь 4 следующего состава, мас.углерод 0,120,20 кремний 0,801,20 марганец 0,200,50 хром 1,503,00 никель 2,504,00. молибден 1,502,50 ванадий 0,400,80 алюминий 0,401,50 железо и примеси остальное. Данная сталь имеет следующие недостатки низкая пластичность в горячем состоянии, приводящая к усложнению технологии ковки и ухудшению качества слитков (увеличение числа переходов при изготовлении поковок, образование трещин) данный недостаток обусловлен высоким содержанием ванадия, повышающим сопротивление деформации при горячей пластической обработке низкие значения ударной вязкости в интервале температур 100300 нарушение стабильности диффузионного слоя при химико-термической обработке,например при цементации, обусловленное повышенным содержанием алюминия, образующим на поверхности деталей окисные пленки, препятствующие равномерной диффузии углерода. Задачей настоящего изобретения является увеличение ударной вязкости стали, качества и теплостойкости цементованного слоя. Задача решается за счет того, что предлагаемая сталь содержит углерод, кремний,марганец, хром, никель, молибден, ванадий, алюминий, азот, железо и примеси, при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,120,2 кремний 0,801,20 марганец 0,200,50 хром 1,502,50 никель 2,504,00 молибден 1,502,50 2 7301 1 2005.09.30 ванадий 0,150,35 алюминий 0,080,12 азот 0,00200,0026 железо и примеси остальное. Легирование стали азотом в присутствии алюминия и ванадия 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 содержании азота более чем 0,0026 он становится хрупким в результате образования пересыщенного азотом мартенсита и легко подвергается сколам. Снижение концентрации алюминия устраняет пятнистость диффузионного слоя при цементации, что повышает сопротивление контактной усталости зубчатых колес и предотвращает схватывание зубьев. При концентрации ванадия менее 0,15 снижается прочность стали после закалки и отпуска, при содержании этого элемента более 0,35 происходит падение пластичности. Алюминий в количестве 0,080,12 в присутствии азота обеспечивает высокую твердость и теплостойкость диффузионного слоя, оптимальное сочетание прочности и пластичности стали. При содержании алюминия более 0,12 возможно нарушение сплошности диффузионного слоя, при содержании его менее 0,08 эффективность влияния азота на эксплуатационные свойства сопряженных поверхностей зубчатых пар снижается. Выплавку стали 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 -1 (ГОСТ 849-91), феррохром ФХ 001 А (ГОСТ 4757-91),феррохром литой азотированный ФХ 010111 (ТУ 14-5-159-84), алюминий АВ-88 (ГОСТ 295-91). Из полученных слитков ковали штанги диаметром 40 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 Химический состав, мас.содер Тип стали жания опыта С компонентов 1 известная средний 0,16 0,80 0,35 2,20 3,25 2,00 0,60 0,45 2 опытная нижний 0,12 0,60 0,20 1,50 2,50 1,50 0,15 0,08 0,0020 3 опытная средний 0,16 0,80 0,35 2,20 3,25 2,00 0,25 0,10 0,0023 4 опытная верхний 0,20 1,20 0,50 2,50 4,00 2,50 0,35 0,12 0,0026 ниже 5 опытная 0,10 0,40 0,15 1,40 2,40 1,40 0,10 0,04 0,0016 нижнего выше 6 опытная 0,22 1,40 0,60 2,80 4,20 2,60 0,40 0,16 0,0030 верхнегожелезо и примеси - остальное. Проведены механические испытания опытных сталей. Для испытаний использовали образцы диаметром 25 и длиной 100 мм после химико-термической обработки по следующему режиму цементация при температуре 930 , подстуживание до 550(общее время науглероживания 13 ч), охлаждение на воздухе, затем закалка с температуры 900 в масле с температурой 70 и отпуск при температуре 170 в течение 3 ч. Наряду с опытными сталями проводили выплавку и испытания в аналогичных условиях стали, выбранной за прототип ( 1 табл. 1). 3 7301 1 2005.09.30 Испытания прочности и ударной вязкости производили на стандартном оборудовании. Перед испытанием ударной вязкости образцы подвергали нагреву до температуры 350 . Качество и теплостойкость цементованного слоя определяли по характеру распределения твердости по поверхности образца и по величине кратковременной твердости при температурах 150350 . До проведения измерений образцы выдерживали при заданной температуре в течение 30 мин. Результаты испытаний приведены в табл. 2 и 3. Таблица 2 Механические свойства сталей Механические свойства Предел прочности, Предел текучести 0,2, Ударная вязкость, , Дж/см 2 опыта 20350 в, МПа МПа 1 1810 1670 44,0 32,0 2 1830 1740 56,0 44,0 3 1850 1770 52,0 40,0 4 1860 1790 50,0 38,0 5 1760 1630 54,0 36,0 6 1800 1650 48,0 34,0 Таблица 3 Свойства цементованного слоя известной и заявляемой сталей Максимальное Микротвердость , Н/мм при температуре,Расстояние содержание угот поверх- лерода в диффу 20 150 250 350 ности об- зионном слое,разца, мм Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь Сталь 1 3 1 3 1 3 1 3 1 3 0 0,51 0,90 650 774 634 724 600 695 576 642 0,4 588 642 572 667 548 600 484 560 0,8 570 642 534 621 540 600 450 554 1,2 490 545 428 560 478 545 444 488 1,6 455 474 450 474 420 474 400 460 2,0 0,32 0,68 390 398 400 420 420 420 433 446 Из анализа результатов, приведенных в таблицах 2 и 3, следует, что оптимальным сочетанием свойств обладают стали 24. Результаты сравнительных испытаний показывают, что предлагаемая сталь по сравнению с прототипом обладает более высокими механическими свойствами, а также при цементации образует диффузионный слой повышенной теплостойкости, что отвечает поставленной при ее разработке задаче. Предлагаемую сталь предполагается внедрить на машиностроительных предприятиях Беларуси при изготовлении зубчатых пар для энергонасыщенных автомобилей и тракторов, например, на Минском тракторном заводе и заводе колесных тягачей. 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. - С. 232. 4. А.с. СССР 1583461, МПК С 22 С 38/46, 1990. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.