Сталь и способ обработки для изготовления высокопрочных деталей машин, способных к разделению надламыванием

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению стали, используемой для изготовления деталей, состоящих из по меньшей мере двух частей, способных разделяться надламыванием, используемых в автомобилестроении. Сталь имеет следующий химический состав, мас.%: 0,45%≤С≤0,55%, 0,50%≤Si≤0,70%, 0,90%≤Mn≤1,10%, 0,10%≤Cr≤0,40%, 0,10%≤Ni≤0,30%, 0%≤Mo≤0,20%, 0,020%≤Nb≤0,030%, 0,10%≤V≤0,20%, 0,010%≤Al≤0,020%, 0,010%≤N≤0,020%, 0,06≤S≤0,07, при необходимости 0,020%≤Ti≤0,030%, остальное составляет железо и обусловленные плавкой примеси. После ковки и контролируемого охлаждения полученная деталь имеет в основном перлитную структуру с выделениями карбидов ниобия и ванадия. Сталь обладает требуемыми механическими свойствами в сочетании с хорошими характеристиками вязкости, пригодна для непрерывной отливки и ковки при снижении себестоимости производства. 3 н. и 12 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к стали и способу обработки для получения высокопрочных деталей машин, способных к разделению надламыванием. Этот материал разрабатывался, например, для получения сегментированных шатунов.

Сталь должна быть подходящей для ковки или прочей горячей обработки давлением. В результате контролируемого охлаждения от температуры ковки должна получаться в основном перлитная структура, которая обеспечивает предел текучести выше 750 Н/мм², прочность на разрыв от 1000 до 1200 Н/мм², предельное удлинение выше 10% и относительное сужение при разрыве выше 25%. Особенно важным является способность к разделению надламыванием.

Желаемых свойств можно достичь целенаправленным формированием перлитной структуры с выделениями специальных карбидов (карбиды ниобия и ванадия), а также сульфидов марганца путем соответствующим образом устанавливаемого химического состава, целенаправленного температурного режима во время горячей обработки давлением при получении заготовки, а также при чистовой ковке деталей (термомеханическая обработка) и при соответствующей тепловой обработке после окончания ковки или горячей обработки давлением.

До настоящего времени для указанных целей, согласно специализированным техническим предписаниям, применяются, например, стали с почти эвтектоидным составом (около 0,7% С, 0,5-0,9% Mn, 0,06-0,07% S и при необходимости 0,1-0,2% V (C70S6, 70MnVS4) или стали со средним содержанием углерода около 0,4% С и содержанием около 1% Mn, 0,06-0,07% S и около 0,3% V (36MnVS4).

В уровне техники известен, например, документ ЕР 0035681 В1, С22С 38/12, 01.06.1983, раскрывающий сталь для высокопрочных деталей машин, способных к разделению надламыванием, при этом детали состоят из по меньшей мере двух частей.

Известные стали имеют, в основном, перлитную структуру с карбидами ванадия, а также сульфидами марганца и соответствуют заданным значениям в отношении механических свойств. Недостатки известных вариантов материала состоят в том, что прежние варианты материалов имеют высокое потребление дорогих и дефицитных легирующих агентов. В частности, в настоящее время ванадий усиленно используется в области дисперсионно твердеющих ферритно-перлитных сталей (AFP-стали), из-за чего ванадий становится все более дефицитным товаром.

Целью настоящего изобретения является преодоление указанных недостатков и предложение новой стали, которая имеет требуемые механические свойства в том, что касается прочности (и усталостной прочности), и, кроме того, сочетает хорошие характеристики вязкости в испытании на растяжение с одновременно хорошей способностью к разламыванию. Одновременно сталь должна быть пригодна для непрерывной отливки и для ковки. Кроме того, новая сталь должна изготавливаться с большей экономией ресурсов, чем известные стали, благодаря частичному замещению содержания ванадия ниобием с соответствующей адаптацией режима обработки давлением и охлаждения.

Высокое значение предела текучести достигается, наряду с основным химическим составом, благодаря выделениям как можно более тонко распределенных специальных карбидов ниобия и ванадия. Для этого требуется растворение имеющихся карбидов перед последним этапом горячей обработки давлением, а также контролируемый температурный режим при горячей обработке давлением и последующем охлаждении. Мелкозернистых распределенных выделений можно достичь, в частности, при низкой температуре конечной обработки давлением с последующим немного ускоренным охлаждением. За счет этого, в частности, слегка повышается предел текучести и тем самым существенно улучшаются характеристики текучести.

Прочность на разрыв, задаваемую базовым составом с 0,5% С, 0,6% Si, 1,0% Mn, 0,23% Cr, 0,2% Ni и 0,14% V, можно также регулировать от базисного значения в желаемой области путем незначительно ускоренного охлаждения после горячей обработки давлением.

В частности, коэффициент вязкости ограничивают целенаправленной присадкой 0,06-0,07% серы. Также положительно в этом смысле действует содержание углерода и относительно высокое содержание азота.

Решающим для хорошей разламываемости материала является кристаллический излом без макроскопической деформации. Это достигается структурой сплава с высоким содержанием углерода, азота и серы и сравнительно низким содержанием хрома, никеля и молибдена.

Согласно предложенному решению, изобретение относится к стали для получения разделяемых надламыванием деталей для автомобильной промышленности со следующим химическим составом (в весовых процентах):

0,4%≤С≤0,6%;

0,2%≤Si≤1,0%;

0,5%≤Mn≤1,5%;

0%≤Cr≤1,0%;

0%≤Ni≤0,5%;

0%≤Mo≤0,2%;

0%≤Nb≤0,05%;

0%≤V≤0,3%;

0%≤Al≤0,05%;

0,005%≤N≤0,020%,

причем остальное составляют железо и обусловленные плавкой примеси.

Дополнительно сталь может содержать титан при условии:

0,020%≤Ti≤0,030%.

Недостатки старых вариантов:

- относительно большое удорожание сплава (LZ) из-за стоимости легирующих, в частности 0,29%V (у 36MnVS4),

- почти никаких альтернатив для патентируемых составов стали и т.д.

Преимущества предложенного варианта:

- низкая стоимость сплавов (всего 0,14% V),

- независимость потребителя от единственного патентируемого состава стали и т.д.

1. Сталь для высокопрочных деталей машин, способных к разделению надламыванием, при этом детали состоят из по меньшей мере двух частей, отличающаяся тем, что сталь имеет следующий химический состав, мас.%:
0,45%≤С≤0,55%
0,50%≤Si≤0,70%
0,90%≤Mn≤1,10%
0,10%≤Cr≤0,40%
0,10%≤Ni≤0,30%
0%≤Mo≤0,20%
0,020%≤Nb≤0,030%
0,10%≤V≤0,20%
0,010%≤Al≤0,020%
0,010%≤N≤0,020%,
причем остальное составляет железо и обусловленные плавкой примеси и присадки, в частности 0,06≤S≤0,07.

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в ней 0,10%<V<0,20%.

3. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что в ней 0,020%<Nb<0,030%.

4. Сталь по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что в ней 0,010%<N<0,020%.

5. Сталь по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что в ней
0,45%≤С≤0,55%
0,50%≤Si≤0,70%
0,90%≤Mn≤1,10%
0,10%≤Cr≤0,40%
0,10%≤Ni≤0,30%
0,10%≤V≤0,20%
0,010%≤Al≤0,020%
0,020%≤Nb≤0,030%
0,010%≤N≤0,020%,
причем сталь дополнительно содержит 0,020%≤Ti≤0,030%.

6. Сталь по любому из пп.1-3, отличающаяся тем, что в ней
0,45%≤С≤0,55%
0,50%≤Si≤0,70%
0,90%≤Mn≤1,10%
0,30%≤Cr≤0,40%
0,10%≤Ni≤0,30%
0,10%≤V≤0,20%
0,010%≤Al≤0,020%
0,020%≤Nb≤0,030%
0,015%≤N≤0,020%.

7. Деталь, способная к разделению надламыванием, выполненная из стали по любому из пп.1-6 посредством ковки и контролируемого охлаждения, при этом деталь после ковки и контролируемого охлаждения имеет в основном перлитную структуру с выделениями карбидов ниобия и ванадия.

8. Деталь по п.7, отличающаяся тем, что она является деталью для автомобилестроения.

9. Деталь по п.7, отличающаяся тем, что она имеет предел текучести после контролируемого охлаждения от температуры обработки давлением более 750 Н/мм².

10. Деталь по п.9, отличающаяся тем, что у нее прочность на разрыв после контролируемого охлаждения от температуры обработки давлением составляет более 1000 Н/мм² и менее 1200 Н/мм².

11. Деталь по п.10, отличающаяся тем, что у нее предельное удлинение после контролируемого охлаждения от температуры обработки давлением составляет более 10%.

12. Деталь по п.11, отличающаяся тем, что у нее относительное сужение при разрыве после контролируемого охлаждения от температуры обработки давлением составляет более 25%.

13. Деталь по п.12, отличающаяся тем, что она выполнена для разделения надламыванием.

14. Деталь по п.13, отличающаяся тем, что она пригодна для индукционной закалки.

15. Способ изготовления детали, способной к разделению надламыванием, по любому из пп.7-14, в котором ковочную заготовку из стали по любому из пп.1-6 подвергают ковке с последующим контролируемым охлаждением от температуры обработки давлением, при этом механические свойства как ковочной заготовки, так и детали регулируют чистовой ковкой.