Цементована сталь

Сталь, яка містить вуглець, кремній, марганець, хром, ванадій, азот, залізо, яка відрізняє ться тим, що додатково містить скандій при наступному співвідношенні компонентів, мас. ч., %: вуглець 0,15-0,30 кремній 0,55-0,90 марганець 1,60-2,50 хром 0,10-1,20 ванадій 0,08-0,15 азот 0,012-0,020 скандій 0,005-0,010 залізо решта. (19) (21) u200712531 (22) 12.11.2007 (24) 11.03.2008 (72) ШИПИЦИН СЕРГІЙ ЯКОВИЧ, UA, КОРОЛЕНКО ДМИТРО МИКОЛАЙОВИЧ, UA, БАБИЧЕНКО МИ ХАЙЛО ВЛАДИСЛАВОВИЧ, UA, БАБАСКІН ЮРІЙ ЗАХАРОВИЧ, UA, КОРОЛЕНКО ВАЛЕНТИНА ПЕТРІВНА, U A, ЗОЛОТАР НІНА ЯКІВНА, U A, С МОЛЯКОВА ЛАРИСА ГРИГОРІВНА, UA (73) ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ Н АН УКРАЇНИ, U A (56) 3 30751 в цементованому шарі і зниження його зносостійкості; - застосування легування сталей значними кількостями нікелю, молібдену і міді, що дійсно підвищує механічні властивості матриці і експлуатаційні властивості цементованого шару, але суттєво підвищує собівартість виробництва сталей. Найбільш близькою до запропонованоїпрототип - є сталь за авторським свідоцтвом 711150 МПК С22С38/32, опубл. 25.01.1980. Недоліком цієї сталі є відносно низький рівень фізико-механічних властивостей матриці, та нестабільний рівень твердості та зносостійкості цементованого шару. В основу корисної моделі закладено задачу створення сталі для цементування, яка б при низькій собівартості мала фізико-механічні та експлуатаційні властивості на рівні чи вище ніж леговані нікелем, молібденом, міддю. Поставлена технічна задача вирішується за рахунок того, що в сталь, яка містить вуглець, кремній, марганець, хром, ванадій, азот, згідно корисної моделі, додатково вводять скандій при наступному співвідношенні компонентів, мас. частка, %: вуглець 0,15-0,30 кремній 0,55-0,90 марганець 1,60-2,50 хром 0,10-1,20 ванадій 0,08-0,15 азот 0,012-0,020 скандій 0,005-0,010 залізо решта. Підвищення рівня фізико-механічних властивостей матриці, твердості і зносостійкості цементованого шару досягається за рахунок підвищення в сталі вмісту кремнію і марганцю, усунення складу бору і церію, збалансування вмісту ванадію і азоту і додаткового введення скандію. Підвищення вмісту кремнію і марганцю забезпечує необхідний рівень твердорозчинного зміцнення феритної і ферито-перлітної матриці, а також зниження температури початку мартенситного перетворення Мп, що приводить до диспергування мартенситу в цементованому шарі, а відповідно до підвищення як його міцності, так і пластичності. При вмісті кремнію і марганцю нижче 0,55 і 1,6 мас. частки, %, відповідно, наведений ефект не досягається, а більше як 0,9 і 2.5 мас. частки, %, відповідно, суттєво знижується в'язкість і пластичність феритної і ферито-перлітної матриці. Усунення із складу сталі церію пов'язано з нестабільністю їх засвоєння в рідкому металі, особливо в умовах металопорційної плавки в ливарному виробництві. Ця нестабільність призводить чи до відсутності ефекту модифікування, чи до суттєвого забруднення сталі неметалевими включеннями і різкого зниження всього комплексу фізико-механічних властивостей матриці і цементованого шару. Збалансування вмісту ванадію і азоту в сталі забезпечує стабільний ефект дисперсійного 4 зміцнення феритної і ферито-перлітної матриці без зниження її пластичності, диспергування мартенситу в цементованому шарі і підвищення його твердості, міцності і зносостійкості. При вмісті ванадію і азоту менше ніж 0,08 і 0,012мас.частки,%, відповідно, вказаний ефект відсутній, а при вмісті більш ніж 0,15 і 0,02мас.частка,% відповідно, ефект дисперсійного зміцнення знижується, метал матриці окрихчується, зменшується дисперсність мартенситу цементованого шару, а відповідно його твердість і зносостійкість. Це пов'язано з тим, що зростає температура рівноважного виділеннярозчинення нітридів ванадію і при температурах цементування чи наступному гартуванні в металі зберігаються значна кількість великих, розміром до десятка мікрон часток нітридів ванадію. За рахунок цього зменшується кількість твердорозчинних ванадію і азоту, які забезпечать дисперсійне виділення зміцнюючих часток в феритній і ферито-перлітній матриці, а великі нітридні частки, які є концентраторами напруги, зменшують пластичність і в'язкість матриці. Великі частки нітридів ванадію підвищують температуру Мп, що призводить до укрупнення мартенситу в цементованому шарі. Скандій у порівнянні з бором та церієм є більш ефективним модифікуючим елементом при більш стабільному ступені засвоєння його розплавом. При його вмісті менш ніж 0,005мас.частки,% ефект модифікування відсутній, а при вмісті більш ніж 0,010мас.частки,% - можливо забруднення металу неметалевими включеннями, що веде до зменшення рівня фізико механічних властивостей металу матриці і цементованого шару. Позитивний ефект впливу Ме ханічні властивості, поверхнева твердість і зносостійкість зразків п s s y d KCU, № п/п Сталь % Дж/см 2 матр МПа 1 прототип 650 390 15 25 45 200 2 660 410 17 28 49 220 3 720 395 9 17 21 230 4 5 6 запропонована 910 660 18 31 61 2 937 671 15 26 57 3 930 690 16 27 58 3 скандію пов'язаний з диспергуванням дендритної, первинної і вторинних мікроструктур, зменшенням мікрохімічної і структурної неоднорідності, в т.ч. зернограничної, диспергуванням зерна феритної і феритноперлітної матриці і мартенситу в цементованому шарі. Хімічний склад досліджених марок сталей (2-6) і відомої (1) наведений у таблиці. Сталі 2 і 3 5 30751 містять легуючі елементи за межами заявлених формулою корисної моделі, сталі 4 і 5 містять елементи згідно складу формули корисної моделі, сталь 6 із середнім значенням вмісту елементів, який визначений формулою корисної моделі. Приведені сталі виплавляли в лабораторній індукційній печі. З одержаних виливків (ливарні трефи) виготовляли зразки для дослідження фізико-механічних властивостей, твердості та зносостійкості цементованого шару. Твердофазне цементування проводили при температурі 960°С протягом 8 годин з охолодженням зразків в карбюризаторі. Наступна термообробка зразків складалася з гартування від 860°С в воді і відпуску при 180°С. Зносостійкість визначали при сухому терті ковзанням за втратою маси зразка на 1 кілометр шляху тертя на базі 2,900 км. Як контр тіло використовували сталь У8 з твердістю 62 НРС. Як видно з таблиці, сталь з хімічним складом в межах формули корисної моделі суттєво переважає відому сталь, та сталь з хімічним складом не в межах формули корисної моделі як за міцністю, пластичністю і в'язкістю, так і за твердістю цементованого шару і його зносостійкістю. 6