close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY10893

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2008.08.30
(12)
(51) МПК (2006)
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
C 22C 38/40
СТАЛЬ
(21) Номер заявки: a 20061304
(22) 2006.12.20
(71) Заявители: Производственное объединение "Минский тракторный
завод"; Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси " (BY)
(72) Авторы: Дудецкая Лариса Романовна; Крупец Леонид Николаевич;
Орлов Юрий Григорьевич; Баркун
Александр Алексеевич; Усс Иван
Никодимович; Горецкий Георгий
Прокопьевич (BY)
BY 10893 C1 2008.08.30
BY (11) 10893
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатели: Производственное
объединение "Минский тракторный
завод"; Государственное научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук
Беларуси " (BY)
(56) RU 2030480 C1, 1995.
SU 1567653 A1, 1990.
SU 1477771 A1, 1989.
SU 500286, 1976.
RU 1777383 C, 1995.
US 4773947, 1988.
SU 1759944 A1, 1992.
(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-
BY 10893 C1 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
20ХН3А как наиболее близкая по технической сущности и распространенная при изготовлении зубчатых колес автотракторной техники [4] и имеющая 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 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
0,17…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.
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
BY 10893 C1 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
0,02…0,04 % 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 Фс75(ГОСТ
1415-93), ферромарганец ФМн78 (ГОСТ 4755-91), ферромолибден ФМо 60 (ГОСТ 4759-91),
феррованадий ФВд 35А (ГОСТ 264-91), никель Н-1 (ГОСТ 849-91), феррохром ФХ 001А
(ГОСТ 4757-91), феррохром литой азотированный ФХ010111 (ТУ 14-5-159-84), феррониобий ФН1 (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
Si
Мn
Сr
Ni Mo Al
N
Nb
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 12×12, 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
BY 10893 C1 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 150…350 °С
в течение 1 часа. Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Таблица 2
Механические свойства сталей
Механические свойства
№ опыта
Балл зерна
KCU, Дж/см2
σв, МПа
σ0,2, МПа
δ, %
ψ, %
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 HV, Н/мм2, 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. Townsend D.P., Zaretsky E.V., Anderson N.E. Comparison of Modified Vasco X-2 with
AISI 9310-Preliminary Report". - NASA TM X-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
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
99 Кб
Теги
by10893, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа