Результат интеллектуальной деятельности: КОНСТРУКЦИОННАЯ СТАЛЬ ПОНИЖЕННОЙ ПРОКАЛИВАЕМОСТИ

Изобретение относится к разработке составов конструкционных сталей с пониженной прокаливаемостью, которые применяются при использовании метода объемно-поверхностной закалки. Метод объемно-поверхностной закалки стали (метод ОПЗ) разработан и получил промышленное применение в России для упрочнения ответственных, тяжелонагруженных деталей машин.

Метод ОПЗ имеет существенные технико-экономические преимущества пред известными, применяемыми в промышленности методами термического упрочнения:
1. Метод ОПЗ позволяет получить поверхностную, контурную закалку и одновременно упрочненную сердцевину на деталях сложной формы: шестернях, крестовинах и других с достижением рекордно высоких прочностных и служебных свойств по сравнению с другими методами упрочнения - цементацией, нитроцементацией, термическим улучшением и т.д.

2. Метод ОПЗ позволяет успешно заменить указанные длительные и трудоемкие процессы термической обработки, при этом вместо легированных сталей применять специальные углеродистые стали пониженной прокаливаемости (стали "ПП"), что позволяет при производстве конструкционных сталей снижать расход легирующих элементов (ферросплавов) в 3-7 раз и уменьшать их стоимость на 30-50%. Кроме того, по сравнению с цементацией и термическим улучшением достигается экономия за счет уменьшения расхода энергоносителей и замены закалки деталей в масле закалкой быстро движущейся водой.

3. Для ряда металлоемких деталей метод ОПЗ создает возможность снижать их массу (вес), например для рессор, на 25-30%.

4. При использовании метода ОПЗ достигается полная экологическая чистота процесса, так как используется только электронагрев и техническая вода без каких-либо добавок.

Метод ОПЗ основан на использовании специально созданных для этого процесса сталей, прокаливаемость которых согласована с размерами рабочего сечения деталей так, чтобы поверхностный слой детали при охлаждении быстро движущейся водой закаливался на структуру мартенсита (HRC≈60), а сердцевина - на структуру тростита и сорбита (HRC = 30 - 45).

Для деталей с небольшими размерами рабочего сечения - с диаметром или толщиной до 20 мм (шестерни среднего модуля, крестовины, рессоры и другие) стали для метода ОПЗ должны иметь прокаливаемость более низкую, чем прокаливаемость стандартных углеродистых конструкционных сталей (которые, как известно, имеют наиболее низкую прокаливаемость из всех конструкционных сталей). Поэтому такие стали для процесса ОПЗ получили название "стали пониженной прокаливаемости" (стали "ПП").

Прокаливаемость таких сталей, характеризуемая величиной "идеального критического диаметра", величина которого находится в пределах от 8 до 16 мм.

Такие стали применяются для выполнения процесса ОПЗ на шестернях среднего модуля (от 4 до 12 мм), крестовинах, рессорах, пружинах и других деталях с небольшим размером их рабочего сечения. Примером таких сталей является сталь 58 (55ПП), которая по ГОСТ 1050-74 содержит компоненты в следующем соотношении в мас.%:
углерод - 0,55 - 0,63
кремний - 0,10 - 0,30
марганец - не более 0,20
хром - не более 0,15
сера - не более 0,040
фосфор - не более 0,035
медь - не более 0,25
никель - не более 0,25
мышьяк - не более 0,08
железо - остальное
(Марочник сталей и сплавов. П/р В.Г. Сорокина, М., Машиностроение, 1989, стр. 78-79).

После закалки методом ОПЗ достигается твердость поверхностного слоя HRC 58-59, а сердцевины HRC 26-28 при величине критического диаметра 6,5 - 19,0 мм. Однако для достижения более высоких прочностных и служебных свойств деталей, упрочняемых процессом ОПЗ, крайне важным является достижение в термически обработанных деталях так называемого сверхмелкого зерна закаленной стали величиной 11- 12 баллов по стандартной шкале (при этом средняя площадь зерна 60-30 мкм²; в то время как при традиционных методах термообработки достигается зерно величиной 7-8 баллов, то есть площадью 1000-500 мкм²). Таким образом в первом случае зерно мельче в среднем в 15-20 раз.

Наиболее близким аналогом изобретения является конструкционная сталь пониженной прокаливаемости по авторскому свидетельству СССР N 128482 от 31.10.59, содержащая компоненты в следующем соотношении в мас.%:
углерод - 0,4 - 1,2
марганец - не более 0,20
кремний - не более 0,3
хром - не более 0,3
никель - не более 0,25
титан - не более 0,5
железо - остальное
Опыт показывает, что у такой стали свойства пониженной прокаливаемости и склонность к росту зерна имеют разброс от плавки к плавке, что требует для каждой плавки корректировки режима нагрева при закалке и термической обработки.

Эти недостатки устраняются настоящим изобретением.

Техническим результатом изобретения является достижение гарантированной стабильности свойств пониженной прокаливаемости и получение "сверхмелкого" зерна закаленной стали величиной на уровне 11-12 баллов при закалке с температур в диапазоне от Ac₃ до Ac₃ + 100^oC.

Технический результат достигается тем, что предложенная конструкционная сталь пониженной прокаливаемости содержит компоненты в следующем соотношении в мас.%:
углерод - 0,40 - 0,85
марганец - не более 0,20
кремний - не более 0,20
хром - не более 0,10 - никель - не более 0,10
медь - не более 0,10
алюминий - 0,03 - 0,10
титан - 0,06 - 0,12
ванадий - не более 0,40
железо - остальное
Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1
Произведена выплавка стали заявленного состава в трех диапазонах, условно обозначенных как 62ПП1, 62ПП2 и 62ПП3, с получением сталей, предназначенных для рессорных листов толщиной 11 и 14 мм. Соотношение компонентов в стали 62ПП1, 62ПП2 и 62ПП3 приведено в таблице 1.

При закалке полученных образцов глубина закалки составила величину от 0,12 до 0,2 от толщины листа.

Плавка 62ПП1, проведенная без кремния, потенциально дает возможность получения более мелкого и устойчивого зерна при закалке и больший запас вязкости закаленной стали, чем стали с кремнием.

Пример 2
Плавка 62ПНП (предельно низкой прокаливаемости) имеет максимально низкое содержание марганца и кремния, а также элементов- примесей - хрома, никеля и меди. Эта сталь предназначается для испытания рессорных листов толщиной 8-10 мм, на которых обеспечивается глубина закалки в пределах 0,15-0,20 от толщины листа. Полученная сталь может быть также опробована на других деталях с тонким рабочим сечением, например на шестернях модуля от 4 мм. См. таблицу 1.

Пример 3
Плавка 62ПП4 дала сталь, имеющую больший уровень прокаливаемости, чем все предыдущие варианты. Она предназначается для рессорных листов толщиной 16 и 18 мм. Этот вариант дает глубину закалки от 0,12 до 0,17 от толщины листа. Состав приведен в таблице 1.

Пример 4
Вариант стали 80ПП1 с содержанием углерода 0,8% предназначается для испытания тонких рессорных листов толщиной от 10 мм и больше, с целью достижения более высокой усталостной прочности, что было показано при испытаниях на КАМАЗе пробных плавок такого типа и с таким же содержанием углерода. Состав стали 80ПП1 приведен в таблице 1.

Общее замечание, относящееся ко всем приведенным в примерах вариантам стали повышенной прокаливаемости, состоит в том, что эти варианты стали "ПП" могут быть успешно применены не только для рессорных листов, но также для широкого круга ответственных тяжелонагруженных деталей машин: цилиндрических и конических шестерен и зубчатых колес, крестовин, поршневых пальцев, шаровых пальцев, подшипников качения и других.

В зависимости от размеров рабочих сечений деталей могут быть выбраны необходимый уровень прокаливаемости и вариант стали. Соответствующие расчеты прокаливаемости стали по ее химическому составу и величины глубины закалки, получаемые в закаленных деталях, детально разработаны и применяются на практике.