Сталь

(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(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ниобий, железо и примеси, отличающаяся тем, что дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, 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 молибден 0,05-0,15 ниобий 0,02-0,04 титан 0,004-0,016 железо и примеси остальное,и 0,5001,375 ,100 где , ,и- содержание соответственно никеля, молибдена, ниобия и титана в мас. . Изобретение относится к металлургии, а именно к конструкционным сталям с повышенным пределом выносливости для зубчатых колес, и может быть использовано в автомобиле- и тракторостроении при изготовлении зубчатых колес трансмиссий энергонасыщенных машин. Долговечность и надежность зубчатых колес для высокоресурсных машин зависит от комплекса свойств применяемых материалов, например прочности, вязкости, усталостной прочности, размерной стабильности в условиях эксплуатации, особенно при периодическом повышении температуры в зоне контакта, приводящем к разупрочнению зубчатых 15402 1 2012.02.28 колес 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 пар 1, 2. К числу недостатков большинства из них авторы относят склонность к росту зерна при нагреве, недостаточную прочность сердцевины деталей и т.д. Известна высокопрочная цементуемая сталь 20 ХН 3 А, применяемая для изготовления шестерен, валов и других деталей соответственного назначения 3, которая имеет следующий компонентный состав, мас.углерод 0,17-0,24 кремний 0,17-0,37 марганец 0,30-0,60 хром 0,60-0,90 никель 2,75-3,15 железо и примеси остальное. К числу недостатков данной стали, приводящих к уменьшению предела выносливости в условиях эксплуатации деталей, относятся пониженные и нестабильные механические свойства при повышенных температурах в результате самоотпуска деталей при тепловых воздействиях недостаточно высокая прочность сердцевины зубчатых колес, приводящая к продавливанию цементованного слоя при повышенных нагрузках невысокие значения ударной вязкости при достижении повышенных значений прочности при термической обработке. Указанные недостатки являются причиной завышения массы деталей при их конструировании за счет применения высокого коэффициента запаса. 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 0,17-0,24 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 0,002-0,02 железо и примеси остальное. Недостатками стали-прототипа являются 1) повышенное содержание остаточного аустенита в цементованном слое, связанное со стабилизирующим влиянием на его содержание присутствующего в стали азота. Это приводит к снижению предела выносливости стали вследствие уменьшения прочности и ухудшения качества цементованного слоя (уменьшение его толщины, обладающей заданной твердостью) 2) повышенное содержание неметаллических включений, преимущественно сульфидов, обусловленное металлургическими особенностями плавки и разливки металла (повышенное содержание серы и алюминия, материал футеровки печи, скорость разливки 2 15402 1 2012.02.28 стали), приводящее к снижению предела выносливости стали в результате преждевременного зарождения усталостных трещин и поломок деталей в процессе эксплуатации 3) пониженная прочность сердцевины деталей в результате стабилизации аустенита при закалке, приводящая к снижению фактических значений предела выносливости стали. Задачей настоящего изобретения является увеличение предела выносливости стали за счет повышения ее прочности и обеспечения гарантированного качества цементованного слоя. Задача решается за счет того, что предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний,марганец, хром, никель, молибден, ниобий, железо и примеси, дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, 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 молибден 0,05-0,15 ниобий 0,02-0,04 титан 0,004-0,016 железо и примеси остальное,и 0,5001,375,100 где , ,и- содержание соответственно никеля, молибдена, ниобия и титана в мас. . Сущность заявляемого технического решения заключается в следующем исключение процесса образования соединений азота с легирующими элементами стали - нитридов и карбонитридов - хрупких неметаллических включений, которые при деформационной обработке в результате так называемого деформационного старения уменьшают ударную вязкость и повышают порог хладноломкости стали предотвращение образования неметаллических включений на основе алюминия, происходящего при выплавке стали в печи с кислой футеровкой, а также при высокой скорости заливки металла в форму обеспечение формирования стабильно мелкого зерна, что приводит к повышению механических свойств и улучшению обрабатываемости деталей из стали, легированной молибденом. Титан по своему влиянию на структуру и свойства стали дополняет ниобий, позволяя не увеличивать его содержание выше 0,04 мас. . Преимуществом титана является достижение необходимого положительного влияния на размеры зерна, формирующегося в стали при термической и химико-термической обработке, при малых концентрациях. При содержании титана менее 0,004 мас.эффект измельчения структуры стали не проявляется. При его содержании более 0,016 мас.в присутствии ниобия падает пластичность стали. За счет образования дисперсных выделений титана и ниобия, уменьшения размеров зерна и содержания в цементованном слое и сердцевине деталей остаточного аустенита при принятых содержаниях данных элементов повышаются прочность стали и твердость цементованного слоя. Принятое соотношение суммарного содержания элементов, упрочняющих металлическую основу стали (никель и молибден), к суммарному содержанию сильных карбидообразующих элементов (ниобий и титан) обеспечивает оптимальные значения прочности сердцевины стали и твердости цементованного слоя, т.е. способствует повышению предела выносливости. 3 15402 1 2012.02.28 При величине указанного соотношения менее 0,5 влияние титана и ниобия на количество образующихся в цементованном слое карбидов возрастает, что приводит к уменьшению пластичности стали. Напротив, при величине указанного соотношения,превышающей 1,375, возрастает устойчивость к распаду остаточного аустенита в цементованном слое, что вызывает падение 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), ферросилиций Фс 44 (ГОСТ 1415), ферромарганец ФМн 78(ГОСТ 4755), феррохром ФХ 001 А (ГОСТ 4757), никель Н-1 (ГОСТ 849), ферромолибден ФМо 60 (ГОСТ 4759), феррониобий ФНБ-1 (ГОСТ 16773), ферротитан Ти 0 (ГОСТ 4761). Полученные при разливке металла слитки ковали в прутки диаметром 30 мм, из которых затем вырезали образны для проведения испытаний. Для определения механических свойств образцы подвергали закалке в масле с температуры 860 С и отпуску при температуре 180 С в течение 2 часов. Для исследования диффузионных слоев проводили химико-термическую обработку образцов сечением 1212 мм, длиной 100 мм в цементационной печи фирмыпо следующему режиму цементация при температуре 930 С (общее время науглероживания 13 часов), подстуживание до 830 С, выдержка при данной температуре в течение 30 минут, закалка в масле с температурой 70 С, отпуск при температуре 170 С в течение 2 часов. 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 сталейопытаи примеси 100 1 0,20 0,25 0,40 0,75 2,75 0,05 0,02 - 0,004 ост. 1,17 2 0,20 0,25 0,40 0,75 2,90 0,10 0,03 - 0,010 ост. 0,75 3 0,20 0,25 0,40 0,75 3,15 0,15 0,04 - 0,016 ост. 0,59 4 0,20 0,25 0,40 0,75 3,25 0,20 0,05 - 0,020 ост. 0,49 5 0,20 0,25 0,40 0,75 2,65 0,02 0,01 - 0,002 ост. 2,22 6 0,20 0,25 0,40 0,75 3,15 0,15 0,02 - 0,004 ост. 1,375 7 0,20 0,25 0,40 0,75 2,75 0,05 0,04 - 0,016 ост. 0,5 8 (прототип) 0,20 0,25 0,40 0,75 2,60 0,10 0,02 0,03 0,01 ост. Испытания стали при растяжении производили в соответствии с требованиями ГОСТ 1497 на трех образцах типа 7 диаметром 6 мм и расчетной длиной 30 мм. Исходные заготовки для получения образцов, имеющие диаметр 15 мм, были подвергнуты закалке с температуры 850 и отпуску при температуре 200 . Определение ударной вязкости производили по ГОСТ 9454 при комнатной температуре с использованием образцов типа 1, имеющих длину 55 мм и поперечное сечение 1010 мм. Концентратор имел -образную форму с радиусом 10,07 мм. Качество цементованного слоя определяли по характеру распределения микротвердости по его толщине. Предел выносливости сталей определяли расчетным методом по методике 5 на основании данных об их механических свойствах и свойствах упрочненного слоя при цементации. Результаты испытаний приведены в табл. 2-4. 4 Механические свойства опытных сталей Механические свойства Предел Предел теОтносительное Относительное прочности кучести 0,2,удлинение ,сужение ,МПа в, МПа 1400 1200 14 65 1420 1220 13 65 1445 1240 13 65 1340 1180 12 55 1300 1168 10 50 1440 1230 13 65 1370 1192 13 65 1370 1180 13 65 Таблица 3 Свойства цементованных слоев опытных сталей Свойства цементованных слоев Дисперсность Эффективная Размер зерна, Содержание Твердость мартенсита,толщина цеменбалл,остаточного Под эффективной толщиной цементованного слоя понимают расстояние от поверхности вглубь детали или образца, на котором твердость составляет не менее 700 ( число твердости по Виккерсу). Таблица 4 Пределы выносливости опытных сталей и стали-прототипа по данным испытаний натурных образцов зубчатых колесопыта 1 2 3 4 5 6 7 8 (прототип) Предел выносливо 990 1020 1042 900 884 990 1044 975 стиИз анализа результатов, приведенных в табл. 2-4, следует, что оптимальным сочетанием свойств обладают стали 1-3 и 6-7. Результаты сравнительных испытаний показывают,что предлагаемые стали по сравнению с прототипом обладают более высокими прочностными свойствами и повышенными свойствами цементованного слоя, что отвечает поставленной при ее разработке задаче повышения предела выносливости. 15402 1 2012.02.28 Источники информации 1.,,,-29310- ,-73649, 1997. 2. Вороненко Б.И. Современные высокопрочные стали для тяжелонагруженных зубчатых передач // МиТОМ. - 1996. -8. - С. 12-18. 3. Марочник сталей и сплавов / В.Г.Сорокин, А.В.Волосникова, С.А.Вяткин и др. - М. Машиностроение, 1989. - С. 248. 4. Патент 10893 1, МПК 22 38/46, 2008. 5. 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. 6