Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ДЕТАЛЕЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ ОТЛИВОК

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано при изготовлении шестерен, крестовин, втулок, зубчатых колес и т.д., в том числе работающих при температуре до 500°С и испытывающих при эксплуатации динамические нагрузки и износ.

Известен способ производства деталей из отливок, изготовленных из легированной стали 20ХМЛ, см. ГОСТ 977-88 «Отливки стальные», общие технические условия, Государственный комитет СССР по стандартам, Москва, Издательство стандартов, 1989 г., стр.1, 5-6, 21-22, 24, 39, 50. Способ взят за прототип. Изготовление деталей по способу прототипа заключается в следующем: получают отливки из легированной стали 20ХМЛ всеми способами литья, например, по выплавляемым моделям совместно с образцами-свидетелями для определения химического состава и механических свойств. Литейная сталь 20ХМЛ содержит в своем составе по массе: углерод 0,15-0,25%, легирующие элементы - хром 0,4-0,7% и молибден 0,4-0,6%. Отливки подвергают термической обработке по режиму: нормализуют с температуры 880-890°С с последующим отпуском на 600-650°С. После представленной термической обработки отливки приобретают следующий комплекс механических свойств: предел текучести σ₀₂≥245 МПа, предел прочности σ_в=441 МПа, относительное удлинение σ≥18%, относительное сужение ψ>30%, ударная вязкость kcu≥294 кДж/м². После нормализации и высокого отпуска отливки подвергают механической обработке и обеспечивают требуемые размеры деталей согласно технических условий.

Недостатками прототипа являются:

- отливки из стали 20ХМЛ имеют невысокий комплекс механических свойств, поэтому они не могут быть использованы для изготовления деталей повышенной прочности и пластичности и испытывающих при работе значительные ударные нагрузки;

- детали из стали 20ХМЛ обладают низкой износостойкостью, а упрочнять их поверхность, например, азотированием, карбонитрацией, цианированием малоэффективно по причине незначительного содержания в стали нитридообразующих элементов, таких как хром и молибден, причем большая часть молибдена связана в карбидной фазе, поскольку молибден очень активный карбидообразующий элемент.

Предлагаемым изобретением решается задача удешевления производства отливок, эффективного использования шихтовых материалов, исключения из состава молибдена - дорогостоящего дефицитного химического элемента.

Технический результат, получаемый от реализации изобретения, заключается в обеспечении более высокого комплекса прочностных и пластических характеристик, значений ударной вязкости отливок, а также эффективного упрочнения поверхности деталей низкотемпературными способами химико-термической обработки.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе производства деталей, работающих при температуре до 500°C, заключающийся в изготовлении стальных отливок из низкоуглеродистой легированной стали, содержащей в своем составе хром, термической обработке отливок и последующей механической обработке новым является то, что увеличивают в отливках содержание углерода в пределах 0,2-0,28 мас.%, хрома в пределах 3,5-4,5 мас.%, производят закалку отливок с температуры 850-870°C на масло с последующим отпуском на 600-620°C, а после механической обработки отливок детали подвергают низкотемпературной химико-термической обработке при температуре 570-580°C.

Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, неизвестны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.

Предложенный способ реализуется следующим образом. Изготовляют отливки, например, шестерен, испытывающие при работе нагрев до 500°C. Отливки из стали с содержанием углерода по массе 0,2-0,28%, хрома по массе 3,5-4,5% с обозначением марки 23Х4Л. Полученные отливки подвергают термической обработке, включающей закалку с температуры 850-870°C на масло с последующим отпуском на 600-620°C.

Статистической обработкой механических свойств, определенных испытанием образцов, прошедших термообработку совместно с отливками разных плавок установлены следующие значения: предел текучести σ₀₂≥600 МПа, предел прочности σв≥980 МПа, относительное удлинение σ≥21%, относительное сужение ψ≥35% ударная вязкость kcu≥500 кДж/м².

Полученные отливки механически обрабатывают по заданным техническими условиями поверхностям. Финишной операцией является низкотемпературная химико-термическая обработка деталей, например, азотирование или карбонитрация с целью повышения теплостойкости и упрочнения поверхности для повышения износостойкости. Литейная сталь 23Х4Л имеет невысокую температуру закалки, обеспечивает после термической обработки высокий комплекс механических свойств отливок по сравнению со сталью 20ХМЛ, не содержит в своем составе дефицитного дорогостоящего молибдена, обладает хорошими литейными свойствами, дешевле стали 20ХМЛ, эффективно упрочняется в процессе низкотемпературной химико-термической обработки. Упрочненный слой, который формируется в процессе ХТО, обладает повышенной теплостойкостью и износостойкостью. Микротвердость упрочненного слоя деталей с поверхности не менее 850HV. Эффективность упрочнения объясняется повышенным содержанием в стали хрома в пределах 3,5-4,5 мас.% за счет образования нитридов при азотировании и карбонитридов при карбонитрации. Хром как легирующий элемент не является дефицитным, во много раз дешевле молибдена. Содержание углерода в стали 23Х4Л увеличено и определено в пределах 0,2-0,28 мас.% по следующим причинам:

- поднять прочностные и пластические характеристики, а также ударную вязкость отливок, применив отличную от прототипа термическую обработку;

- верхний предел углерода в стали 23Х4Л не должен превышать 0,28 мас.% с тем, чтобы чрезмерно не связать хром в карбидной фазе, иначе не достигнуть эффективного упрочнения поверхности деталей при низкотемпературной ХТО.

Таким образом, детали, изготовленные предложенным способом, с успехом могут работать при повышенной температуре до 550°C, обладают высоким комплексом механических свойств, в том числе испытывающих при эксплуатации ударные нагрузки и износ.