Азотируемая сталь

 

Использование: для изготовления тяжелонагруженных деталей машин, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок. Цель изобретения - повышение прочностных свойств сердцевины изделия, прокаливаемости стали и износостойкости азотируемого слоя, который имел бы оптимальное распределение структуры и свойств по своей толщине, высокую контактную выносливость за счет повышения качества азотируемого слоя и сердцевины с одновременным сокращением времени азотирования. Азотируемая сталь дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,18 - 0,22; кремний 0,17 - 0,37; марганец 0,30 - 0,6; хром 2,50 - 3,30; никель 2,70 - 3,30; молибден 0,50 - 0,70; ванадий 0,10 - 0,18; ниобий 0,05 - 0,10; железо - остальное. 5 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к азотируемым сталям, применяемым для изготовления тяжелонагруженных деталей машин, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок.

Широкое распространение в этой области нашли сталь 38Х2МЮА, конструкционные стали, не содержащие алюминия, марок 18Х2Н4ВА, 30ХН2МФА и другие. Сталь 38Х2МЮА применяется для деталей, эксплуатационная надежность которых определяется поверхностной твердостью и износостойкостью. Сталь 38Х2МЮА имеет следующий химический состав, мас. Углерод 0,35-0,42 Хром 1,35-1,65 Алюминий 0,70-1,10 Молибден 0,15-0,25 Железо Остальное.

Эта сталь обладает высокими механическими свойствами, насквозь прокаливается при толщине до 30 мм, приобретает после улучшения твердость НВ 300-400, азотированный слой имеет высокую износостойкость.

Однако наличие в стали значительного количества алюминия вызывает ряд осложнений в технологии выплавки, горячей обработки как механической, так и термической. При обычных условиях азотирования стали нитрид алюминия с гексагональной решеткой не образуется и твердость диффузионного слоя (зоны внутреннего азотирования) обусловлена только образованием комплексного нитрида хрома, молибдена и алюминия резко повышает твердость поверхностной зоны, но максимальная твердость при этом наблюдается не на поверхности, а на некоторой глубине, в зоне, лежащей ниже ε и γ 'фазы. γ '-фаза распространяется вглубь по границам зерен и плоскостям скольжения, в связи с чем диффузионный слой имеет высокую хрупкость. Сталь склонна к обезуглероживанию. Обезуглероженный слой недопустим в азотированной детали, так как является причиной шелушения слоя. При перегреве в процессе нагрева под закалку при шлифовании наблюдается точечное выкрашивание азотируемого слоя, сыпь на глубину до 0,5 мм. Сталь 38Х2МЮА находит ограниченное применение, поэтому были разработаны новые конструкционные стали, не содержащие алюминия.

Сталь 18Х2Н4ВА имеет следующий химический состав, мас. Углерод 0,14-0,20 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,25-0,55 Хром 1,35-1,65 Никель 4,00-4,40 Молибден 0,30-0,40 Железо Остальное.

Сталь технологична, имеет высокие механические свойства, по сравнению со сталью 38Х2МЮА, но размер аустенитного зерна у стали находится в пределах 7-8 номера, что отрицательно сказывается на диффузионных процессах при азотировании и влечет за собой образование таких дефектов, как нитридная сетка.

За прототип выбрана сталь 30ХН2МФА, имеющая следующий химический состав, мас. Углерод 0,27-0,34 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,30-0,60 Хром 0,60-0,90 Никель 2,00-2,40 Молибден 0,20-0,30 Ванадий 0,10-0,18 Железо Остальное.

Сталь позволяет при высоких температурах насыщения 550^оС получить довольно высокую твердость азотированного слоя, за счет легирования элементами, образующими стойкие нитриды, а ванадий, введенный в сталь, существенно измельчает аустенитное зерно и способствует формированию азотированного слоя пониженной хрупкости.

Общеизвестно, что в азотируемом слое возникают остаточные напряжения сжатия, величина которых на поверхности составляет 60-80 кгс/мм². Это повышает предел выносливости, но переносит очаг усталостного разрушения под азотируемый слой, поэтому важное значение имеют механические свойства после термообработки для повышения вязкости сердцевины изделия.

Механические свойства стали 30ХН2МФА после термообработки на сравнительно невысоком уровне. Недостаточна прокаливаемость стали 15 мм.

Цель изобретения создание стали, которая могла бы применяться для изготовления азотируемых тяжелонагруженных деталей машин с высокой контактной выносливостью, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок.

Цель изобретения повышение прочностных свойств сердцевины изделия, прокаливаемости стали и износостойкости азотируемого слоя, который имел бы оптимальное распределение структуры и свойств по своей толщине, высокую контактную выносливость, за счет повышения качества азотируемого слоя и сердцевины с одновременным сокращением времени азотирования.

Эта цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, железо и дополнительно ниобий, содержит эти компоненты при следующих соотношениях, мас. Углерод 0,18-0,22 Кремний 0,17-0,37 Марганец 0,30-0,60 Хром 2,50-3,30 Никель 2,70-3,30 Молибден 0,50-0,70 Ванадий 0,10-0,18 Ниобий 0,05-0,10 Железо Остальное Для оптимизации пластических характеристик стали содержание углерода было снижено до вышеуказанных пределов. С целью увеличения прокаливаемости до 30 мм, твердости слоя и теплостойкости стали содержание хрома было увеличено. Никель, содержащийся в стали свыше 3% снижает концентрацию в γ'-фазе, повышая пластичность азотируемого слоя и значительно снижая вероятность образования нитридной сетки, а также способствует увеличению прочностных характеристик, особенно пластичности и ударной вязкости, за счет того, что препятствует выделению на границах зерен нитридов в азотируемом слое и карбидов в сердцевине. Введение в сплав никеля в вышеуказанных пределах также способствует увеличению прокаливаемости до 30 мм. Для повышения твердости матрицы и для подавления отпускной хрупкости, а следовательно, и разупрочнения при повышенных температурах азотирования было увеличено содержание молибдена. Увеличение содержания никеля в стали обычно приводит к увеличению размера зерна. Для предотвращения этого негативного явления в сталь дополнительно введен ниобий, так как повышение содержания ванадия в стали выше указанных пределов может привести к уменьшению такой важной характеристики, как ударная вязкость. Для значительного улучшения механических свойств стали и большего удаления серы и фосфора из металла было принято решение о изготовлении заготовок методом электрошлакового переплава (ЭШП).

Для получения данных о контактной выносливости были взяты три состава стали: 38Х2МЮА, 30ХН2МФА и предлагаемая сталь. Испытания были проведены после переплава металла на ЭШП, ковки, термообработки и азотирования. Результаты испытаний приведены в табл.1.

Из вышеприведенных данных видно, что долговечность образцов из предлагаемой стали в два раза выше, чем из классических сталей, применяемых для изготовления тяжелонагруженных деталей машин, работающих в условиях циклических изгибных или контактных нагрузок, а также износа.

В табл.2 приведены данные о допустимых контактных напряжениях в зубчатом зацеплении.

П р и м е р. Выплавку стали проводили в промышленных электродуговых печах типа ДСП-6. В качестве шихты использовали углеродистую заготовку. После расплавления брали пробу и вводили никель и молибден из расчета на нижний предел заданного химического состава. Феррохром и ферромарганец вводили за 15 мин до выпуска, ферросилиций за 5 мин. Выпуск плавки производили в 10-тонный ковш. Окончательное раскисление осуществляли в ковше силикокальцием в количестве 0,2% и алюминием в количестве 0,05% Ниобия вводили в ковш из расчета на средний предел заданного химического состава. Разливку производили в полуторатонную изложницу. Слиток проковали на электрод и переплавили на ЭШП. Из полученного слитка развесом 1400 кг отковали заготовки (уков 4) под шестерни, которые подвергли термообработке, а затем сами шестерни азотированию. Как видно из табл.3, химический состав плавок, 3,4,5 после переплава на ЭШП удовлетворяет химическому составу предлагаемой стали.

Из табл. 4 следует, что механические свойства предлагаемой стали после предварительной термообработки превышают те же характеристики у известной стали. Введение нормализации перед закалкой позволило стабилизировать структуру мартенсита и, как следствие этого, механические свойства.

За счет рационального легирования продолжительность выдержки при азотировании при более высокой температуре удалось значительно снизить. Глубина азотируемого слоя была увеличена (табл.5).

Контактная выносливость получаемых деталей из предлагаемой стали (в частности шестерен) приведена выше (табл.1 и 2).

При содержании легирующих компонентов ниже нижних пределов легирующее действие на сталь недостаточно. При повышении верхних пределов содержания компонентов эффективность обработки снижается.

Из вышеприведенных данных следует, что предлагаемая сталь по всем параметрам превосходит известную сталь, что позволяет изготавливать высоконапряженные азотируемые зубчатые колеса с контактной выносливостью цементуемых зубчатых колес, исключив при этом сложный дорогостоящий процесс зубошлифования, тем самым в значительной мере повысить ресурс работы тяжелонагруженных узлов, в частности зубчатых передач.

Формула изобретения

АЗОТИРУЕМАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод - 0,18 - 0,22 Кремний - 0,17 - 0,37 Марганец - 0,3 - 0,6 Хром - 2,5 - 3,3 Никель - 2,7 - 3,3 Молибден - 0,5 - 0,7 Ванадий - 0,1 - 0,18
Ниобий - 0,05 - 0,1
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3