конструкционная сталь

Формула изобретения

КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, титан, цирконий, алюминий, бор, азот, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит берилий и гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,16 - 0,24

Кремний 0,30 - 0,50

Марганец 0,50 - 0,80

Хром 0,8 - 1,1

Титан 0,05 - 0,08

Цирконий 0,05 - 0,08

Алюминий 0,01 - 0,03

Бор 0,001 - 0,005

Азот 0,015 - 0,025

Берилий 0,01 - 0,04

Гафний 0,05 - 0,08

Железо Остальное

причем сумма титана, циркония, гафния должна быть в пределах 0,16 - 0,24

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к машиностроительным сталям для производства деталей двигателя трактора, подвергающихся цементации.

Известна сталь, содержащая, мас.%: Углерод 0,1-0,24 Кремний 0,17-0,50 Марганец 0,4-1,5 Хром 0,5-2,0 Бор 0,001-0,006 Азот 0,005-0,030 Церий 0,001-0,008 Железо Остальное

После нормализации эта сталь имеет следующий комплекс механических свойств: Предел прочности, Н/мм² 700-800 Предел текучести, Н/мм² 500-600 Относительное удлинение, % 25-29% Относительное сужение, % 60-70 КСU_-60, Дж/см² 40-50

Наиболее близкой по составу, технической сущности и достигаемому результату является сталь, взятая за прототип и содержащая, мас.%: Углерод 0,24-0,29 Кремний 0,02-0,10 Марганец 0,9-1,3 Хром 0,25-0,6 Титан 0,01-0,05 Цирконий 0,04-0,08 Алюминий 0,03-0,08 Сера 0,03-0,05 Бор 0,0005-0,004 Фосфор 0,01-0,03 Азот 0,004-0,01 Кальций 0,002-0,01 Медь 0,55-0,80 Железо Остальное

После закалки и среднего отпуска эта сталь имеет предел прочности 1160-1180 Н/мм².

Недостатком этих сталей являются низкие характеристики хладостойкости, усталостной и контактной прочности и плохая обрабатываемость резанием.

Предлагаемая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, титан, цирконий, алюминий, бор, азот, железо, дополнительно содержит бериллий и гафний при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 0,16-0,24 Кремний 0,30-0,50 Марганец 0,50-0,80 Хром 0,8-1,1 Титан 0,05-0,08 Цирконий 0,05-0,08 Алюминий 0,01-0,03 Бор 0,001-0,005 Азот 0,015-0,025 Бериллий 0,01-0,04 Гафний 0,05-0,08 Железо Остальное

При этом сумма карбонитридообразующих элементов (титана, цирконий и гафния) должна быть в пределах 0,16-0,24.

Предлагаемая сталь при высоких значениях прочности, пластичности, усталостной и контактной прочности, хладостойкости обладает высокими показателями обрабатываемости резанием.

Как известно, усталостная и контактная прочность в первую очередь зависят от предела прочности, а одновременное повышение прочности и хладостойкости является сложной задачей, так как чем прочнее сталь, тем ниже сопротивление хрупкому разрушению. Эта задача может быть решена, если получить ультрамелкое зерно. Измельчение зерна достигается микролегированием карбонитридообразующими элементами (ванадий, ниобий, титан, цирконий). Так как машиностроительные стали являются сталями массового производства, нежелательно их легировать дефицитными элементами (ванадий, ниобий, титан, цирконий). В предлагаемой стали получение ультрамелкого зерна достигается введением гафния, который в комплексе с титаном и цирконием, обеспечивает получение 12-13 балла зерна, что невозможно при микролегировании одним титаном и цирконием. Кроме того, гафний выводит весь азот из твердого раствора, что еще больше повышает хладостойкость, а входя в состав комплексных карбонитридов, в значительной мере увеличивает их стойкость и дисперсность. Наиболее оптимальное сочетание прочности, хладостойкости и характеристик сопротивления усталостному и контактному разрушению достигается при экспериментально найденной сумме титана, циркония и гафния в пределах 0,16-0,24.

Повышение обрабатываемости обычно достигается введением кальция и повышением содержания серы. В данном случае введение кальция и повышение содержания серы исключено, так как резко снижается хладостойкость. В предлагаемой стали для решения этой задачи вводится бериллий, который, не снижая характеристики хладостойкости, повышает обрабатываемость за счет эффекта Ребиндера.

Пределы по углероду ограничены 0,16-0,24 мас.%, содержание углерода ниже 0,16 мас.% не обеспечивает требуемой твердости цементованного слоя. При содержании углерода выше 0,24 мас.% не обеспечена вязкость сердцевины.

Нижний предел содержания кремния определен 0,30 мас.%, ниже которого металл не обладает достаточной раскисленностью. Верхний предел содержания кремния ограничен 0,50 мас.%, выше которого снижается сопротивление стали хрупкому разрушению.

Пределы по марганцу выбраны в интервале 0,50-0,80 мас.%. Содержание марганца ниже 0,50 мас.% не обеспечивает достаточной раскисленности металла, выше 0,80 мас.% замедляется образование карбонитридов.

Содержание хрома ограничено пределами 0,8-1,1 мас.%. При содержании хрома ниже 0,8 мас.% цементит не обладает достаточной твердостью, выше 1,1 мас.% затрудняет образование карбонитридов титана, циркония и гафния.

Содержание титана ограничено пределами 0,05-0,08 мас.%. Содержание титана ниже 0,05 мас. % не обеспечивает требуемой твердости комплексных карбонитридов, выше 0,08 мас.% ухудшает технологичность стали.

Содержание циркония ограничено пределами 0,05-0,08 мас.%. Содержание циркония ниже 0,05 мас.% не обеспечивает требуемой твердости цементованного слоя. При содержании циркония выше 0,08 мас.% вызовет образование избыточного количества карбонитридов, что приводит к снижению сопротивления стали хрупкому разрушению.

Пределы по алюминию ограничены 0,01-0,03 мас.%. При содержании алюминия ниже 0,01 мас.% металл недостаточно раскислен, выше 0,03 мас.% ухудшается технологичность стали.

Нижний предел по бору составляет 0,001 мас.%. При содержании бора ниже этого предела не обеспечивается необходимая прокаливаемость. Верхний предел выбран 0,005 мас.%, содержание бора выше этого предела вызывает выделение боридов по границам зерна, что резко снижает сопротивление стали хрупкому разрушению.

Нижний предел содержания азота выбран 0,015 мас.%. При содержании азота ниже 0,015 мас.% не обеспечивается возможность образования карбонитридов, содержание азота выше 0,025 мас.% вызывает снижение хладостойкости из-за появления в твердом растворе свободного азота.

Бериллий вводится в пределах 0,01-0,04 мас.%. при содержании бериллия ниже 0,01 мас.% сульфиды, в основном, имеют строчечную форму, что не оказывает положительного влияния на обрабатываемость резанием. Содержание бериллия выше 0,04 мас.% вызывает охрупчивание границ зерна.

Нижний предел содержания гафния выбран 0,05 мас.%. Содержание гафния ниже этого предела не обеспечивает получение ультрамелкого зерна и соответственно оптимального сочетания прочности и хладостойкости. Верхний предел содержания гафния ограничен 0,08 мас.%. При содержании гафния выше этого предела сталь не технологична.

Сумма карбонитридообразующих элементов (Ti, Zr и Нf) ограничена пределами 0,16-0,24. Если эта сумма меньше 0,16, то не обеспечивается оптимальное сочетание характеристик прочности, усталостной и контактной выносливости и хладостойкости. При суммарном содержании карбонитридообразующих элементов выше 0,24 сталь не технологична и снижается весь комплекс свойств.

Ниже даны варианты осуществления изобретения, не исключающие других в объеме формулы изобретения.

В индукционной 50-ти кг печи выплавлена сталь предложенного состава (плавки 1-4) и известного состава (плавка 5 - прототип). Стали выплавляли на шихте ОЗЖР. Предварительное раскисление осуществлялось ферросилицием и ферромарганцем. Окончательное - алюминием (10 кг/т) после снятия шлака. В последнюю очередь присаживали цирконий, титан и гафний. Металл ковали на заготовки, из которых после ложной цементации и закалки (900^оС) с низким отпуском (200^оС) изготовляли образцы.

Механические свойства при растяжении определяли по ГОСТ 1497-84 на продольных образцах, серийные испытания на ударную вязкость - по ГОСТ 9454-78.

Обрабатываемость резанием определялась в отожженном состоянии на заготовках для условий получистого точения 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 60^о. Обрабатываемость оценена по скорости резания, соответствующей 60-ти минутной стойкости резцов B₆₀ и выражена коэффициентом К_тв.спл. по отношению к эталонной стали 45, скорость резания которой V₆₀ взята за единицу.

Далее были изготовлены детали (шестерни) и после цементации и термической обработки проведены испытания на усталостную и контактную прочность.

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

Анализ результатов испытаний опытных сталей (табл. 2) показал, что предлагаемая сталь при высоких значениях прочности, пластичности, усталостной и контактной прочности, хладостойкости обладает высокими показателями обрабатываемости резанием.