СТАЛЬ
STEEL

Изобретение относится к металлургии, а именно к высококачественным легированным конструкционным сталям, и может найти применение для изготовления силовых деталей и шестерен, валов, поверхности которых упрочняют цементацией или нитроцементацией.
Известна высококачественная легированная конструкционная сталь 18X2H4MA, упрочняемая цементацией, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, медь, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, 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; медь ≤0,30; сера ≤0,025; фосфор ≤0,025, железо остальное.
(ГОСТ 4543-71 «Прокат из легированной конструкционной стали», утвержден и введен в действие Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 18.06.71 №1148, М., ИПК Издательство стандартов, 1996)
Недостатками известной стали, снижающими эксплуатационную надежность изделий, являются недостаточная технологичность при ковке (склонность к образованию трещин), сложность обеспечения оптимальной структуры цементованного слоя (в части регламентированного содержания остаточного аустенита); недостаточная ударная вязкость, недостаточная усталостная прочность при изгибе.
Наиболее близкой по технической сущности является сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, вольфрам, ванадий, ниобий, церий, лантан, неодим и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,14-0,21; марганец 0,4-0,7; кремний 0,6-0,9; хром 2,6-3,0; никель 1,0-1,5; молибден 0,4-0,6; вольфрам 1,0-1,4; ванадий 0,35-0,55; ниобий 0,08-0,22; церий 0,01-0,05; лантан 0,01-0,03; неодим 0,01-0,03 и железо остальное. Известную сталь используют для изготовления силовых деталей - шестерен, валов, поверхности которых упрочняют химико-термической обработкой: цементацией, нитроцементацией и азотированием.
(RU 2094520, C22C 38/48, опубликовано 27.10.1997)
Недостатками известной стали являются: склонность к образованию трещин при ковке; недостаточная ударная вязкость; неоптимальная структура цементованного слоя, снижающая эксплуатационную надежность тяжелонагруженных изделий с цементованным слоем
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение ударной вязкости и прокаливаемости стали, сплошности и твердости цементованного слоя, а также хрупкой прочности стали, ее пластичности, сопротивляемости усталости при изгибе, контактной усталости после цементации поверхностного слоя.
Технический результат достигается тем, что сталь содержит углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, церий, лантан, алюминий, кальций, медь, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,14-0,16
Марганец
0,25-0,50
Кремний
0,17-0,25
Хром
1,35-1,65
Никель
4,20-4,40
Молибден
0,30-0,40
Церий
0,007-0,009
Лантан
0,001-0,005
Алюминий
0,02-0,05
Кальций
0,002-0,005
Медь
≤0,20
Сера
≤0,005
Фосфор
≤0,005
Железо
Остальное
при отношении содержания кальция к содержанию алюминия 0,13-0,15.
Технический результат также достигается тем, что отношение суммарного содержания никеля и молибдена к содержанию марганца составляет 9-12.
Содержание серы менее 0,005 мас.%, алюминия 0,02-0,05 мас.% и кальция 0,002-0,005 мас.% при отношении содержания кальция к содержанию алюминия 0,13-0,15 до минимума снижает количество неметаллических включений в стали, повышает пластичность стали и износостойкость цементированного поверхностного слоя.
Ограничение содержания серы до 0,005 мас.% и фосфора до 0,005 мас.% повышает сплошность и стабильность по твердости поверхностного слоя, полученного цементацией.
Ограничение содержания меди до 0,2 мас.% обеспечивает уменьшение склонности стали к образованию трещин при ковке.
При отношении содержания кальция к содержанию алюминия 0,13-0,15 и отношении суммарного содержания никеля и молибдена к содержанию марганца 9-12 сталь обладает оптимальной структурой, обеспечивающей повышение эксплуатационных характеристик цементованной (или нитроцементованной) детали.
Достижение поставленного технического результата иллюстрируется данными, представленными в таблицах 1-7.
Цементацию поверхности стали проводили стандартным методом при выдержке в газовых печах при температуре 930°C в течение 24 часа.
Из представленных материалов следует, что сталь по изобретению обеспечивает достижение поставленного технического результата: повышение ударной вязкости и прокаливаемости стали, сплошности и твердости цементованного слоя, а также хрупкой прочности стали, ее пластичности, сопротивляемости усталости при изгибе, контактной усталости после цементации поверхностного слоя.
По данным стендовых испытаний использование стали по изобретению для изготовления цементированных шестерен редуктора горно-шахтного комбайна обеспечит повышение на 35% его эксплуатационной надежности.
Таблица 1
Химический состав заявляемой стали опытных плавок (№1-4)
Сталь
Номер плавки
Компоненты
1
2
3
4
C
0,14
0,15
0,15
0,16
Si
0,19
0,17
0,21
0,25
Mn
0,27
0,35
0,41
0,49
Cr
1,36
1,44
1,64
1,39
Ni
4,22
4,39
4,28
4,37
Mo
0,31
0,39
0,33
0,40
Cu
0,16
0,19
0,20
0,17
Al
0,02
0,05
0,04
0,03
Ca
0,003
0,002
0,005
0,004
Ce
0,009
0,007
0,007
0,008
La
0,002
0,001
0,003
0,005
S
0,003
0,005
0,004
0,005
P
0,005
0,004
0,002
0,004
Fe
ост.
ост.
ост.
ост.
Таблица 2
Механические свойства стали опытных плавок (№1-4)
Сталь
KCU<sup>20 С</sup>, Дж/см2
KCU<sup>60 С</sup>, Дж/см2
σ<sub>0,2</sub>, МПа
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
φ, %
№1
131
84
1240
1370
15
55
№2
139
91
1210
1290
17
53
№3
144
98
1190
1330
16
57
№4
155
121
1280
1410
15
55
Таблица 3
Свойства цементованного слоя заявляемой стали опытных плавок (№1-4) и известной стали
Сталь
Сплошность цементованного слоя по 8-балльной шкале
Показатель стабильности твердости, HRC
Содержание аустенита, %
Известная сталь
4-5
59, 63, 61, 65, 60 разброс - 6 единиц
6-9
№1
1
62, 63, 65, 64, 65 разброс - 3 единицы
2-4
№2
2
63, 65, 64, 63, 65 разброс - 2 единицы
2-3
№3
1-2
65, 63, 64, 62, 64 разброс - 2 единицы
2-4
№4
1
64, 62, 63, 63, 64 разброс - 2 единицы
1-3
Таблица 4
Балл неметаллических включений и технологичность при ковке отливок заявляемой стали опытных плавок (№1-4) и стали-прототипа
Сталь
Балл неметаллических включений (ГОСТ 1778-70), метод Ш4
Количество трещин на поверхности поковки
Известная сталь
OC-3, C-4
5, глубиной 0,3
№1
OC-1, C-2
1, глубиной 0,1
№2
OC-2, C-1
-
№3
OC-1, C-1
1, глубиной 0,1
№4
OC-1, C-1
-
Таблица 5
Влияние содержания серы и фосфора на целостность и стабильность твердости цементитной решетки поверхностного слоя
Суммарное содержание серы и фосфора, %
Сплошность цементованного слоя по 8-балльной шкале
Показатель стабильности твердости, HRC
0,010
1-2
65, 64, 63, 64, 65 разброс - 2 единицы
0,050
5-6
58, 63, 59, 64, 59 разброс - 6 единиц
Таблица 6
Влияние отношения содержания Al/Ca на балл неметаллических включений и значения ударной вязкости
Номер опытной плавки
Al, мас.%
Ca, мас.%
Al:Ca, %
Балл НВ (ГОСТ 1778-70)
KCU<sup>+20 C</sup>
1
0,02
0,005
4
ОС-1, С-2
112
2
0,03
0,004
7,5
ОС-1, С-1
126
3
0,04
0,003
13,33
ОС-2, С-1
137
4
0,05
0,002
25
ОС-2, С-2
144
5
0,01
0,006
1,66
ОС-4, С-4
89
6
0,06
0,001
60
ОС-5, С-5
87
Таблица 7
Сравнительная контактная выносливость и усталостная прочность при изгибе стали опытных плавок №1-4 и стали-прототипа
Сталь
Предел контактной выносливости (ГОСТ 25.501-78), МПа
Предел выносливости при изгибе, (ГОСТ 25.504-82), МПа
Известная сталь
1200
850
№1
1900
1100
№2
2000
1200
№3
1800
1100
№4
2100
1200