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 азотированием.
Известна высококачественная легированная конструкционная сталь 38ХН3МФА, упрочняемая азотированием, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, медь, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,33-0,40; кремний 0,17-0,37; марганец 0,25-0,50; хром 1,20-1,50; никель 3,00-3,50; молибден 0,35-0,45; ванадий 0,10-0,18; 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 - азотируемых тяжелонагруженных шестерен и валов, являются повышенная склонность к образованию трещин при ковке, недостаточная износостойкость азотированного слоя, повышенная хрупкость азотированного слоя, снижающая ресурс изделий.
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 азотированием.
(RU 2094520, С22С 38/48, опубликовано 27.10.1997)
Недостатками известной стали являются высокая склонность к образованию трещин при ковке, высокая хрупкость азотированного слоя и малая его глубина, снижающая эксплуатационную надежность высоконагруженных деталей.
Задачей и техническим результатом изобретения является снижение склонности стали к образованию трещин при ковке, повышение ее прокаливаемости, увеличение твердости азотированного слоя, увеличение его толщины при снижении хрупкости.
Технический результат достигается тем, что сталь содержит углерод, марганец, кремний, хром, никель, молибден, ванадий, церий, лантан, алюминий, кальций, медь, серу, фосфор и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
0,33-0,40
Марганец
0,25-0,50
Кремний
0,17-0,25
Хром
1,20-1,50
Никель
3,20-3,50
Молибден
0,35-0,45
Ванадий
0,10-0,15
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 8-10.
Содержание серы менее 0,005 мас.%, фосфора до 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, стабильность свойств, износостойкость и толщину азотированного поверхностного слоя.
Кроме того, введение алюминия и кальция в заявленных пределах повышает технологическую прочность поковок, повышает концентрацию азота в азотированном слое, что способствует увеличению его глубины и твердости, усиливает эффект легирования редкоземельными элементами: церием, лантаном и неодимом.
Ограничение содержания меди до 0,2 мас.% обеспечивает уменьшение склонности стали к образованию трещин при ковке, а также глубины азотированного слоя.
Поддержание отношения содержания кальция к содержанию алюминия 0,13-0,15 и отношения суммарного содержания никеля и молибдена к содержанию марганца 8-10 обеспечивает более упорядоченную и стабильную структуру азотированного слоя, снижает его хрупкость.
Достижение поставленного технического результата иллюстрируется данными, представленными в таблицах 1-3.
Азотирование поверхности стали проводили стандартным методом в многокомпонентной газовой среде при температуре 570°C в течение 32 часов.
Из представленных материалов следует, что сталь по изобретению обеспечивает достижение поставленного технического результата: снижение склонности стали к образованию трещин при ковке, повышение ее прокаливаемости, увеличение твердости азотированного слоя, увеличение его толщины при снижении хрупкости.
Таблица 1
Химический состав заявляемой стали опытных плавок (№1-4)
Сталь
Номер плавки
Компоненты
1
2
3
4
C
0,35
0,37
0,39
0,40
Si
0,18
0,20
0,22
0,25
Mn
0,27
0,29
0,38
0,47
Cr
1,19
1,28
1,33
1,48
Ni
3,21
3,39
3,43
3,50
Mo
0,36
0,39
0,42
0,45
V
0,10
0,13
0,14
0,15
Cu
0,10
0,17
0,19
0,16
Al
0,02
0,04
0,03
0,05
Ca
0,002
0,005
0,004
0,003
Ce
0,008
0,010
0,013
0,015
La
0,003
0,004
0,003
0,005
S
0,004
0,005
0,004
0,005
P
0,005
0,004
0,003
0,005
Fe
ост.
Ост.
Ост.
Ост.
Таблица 2
Балл неметаллических включений и технологичность при ковке отливок
Балл неметаллических включений (ГОСТ 1778-70), метод Ш4
Количество трещин на поверхности поковки *<sup>)</sup>
Сталь
Известная сталь
С-4, ОС-4
4, глубиной 0,4
№1
С-1, ОС-2
-
Плавки
№2
С-2, ОС-2
1, глубиной 0,1
№3
С-1, ОС-1
-
№4
С-1, ОС-2
1, глубиной 0,1
*<sup>)</sup> - Кубики стали размером 200×200×200 мм
Таблица 3
Твердость, хрупкость и глубина азотированного слоя
Твердость азотированного слоя, HV
Степень хрупкости азотированного слоя (по характеру отпечатка HV)
Глубина азотированного слоя, мм
Сталь
Известная сталь
900-1000
Слегка хрупкий
0,10-0,20
№1
1100-1200
Нехрупкий
0,25-0,35
Плавки
№2
1100-1200
Нехрупкий
0,25-0,35
№3
1200-1250
Нехрупкий
0,35-0,40
№4
1200-1250
Нехрупкий
0,25-0,35