Сталь для поршневих кілець

Сталь для поршневих кілець, що містить вуглець, марганець, кремній і залізо, яка відрізняється тим, що вона містить компоненти при такому співвідношенні, % по масі вуглець 0,61-0,74 марганець 0,40-1,30 кремній 0,20-0,40 залізо решта, при цьому вуглецевий еквівалент сталі для поршневих кілець складає 0,78-0,83% Винахід відноситься до металургії чорних металів Він визначає склад сталі для виробництва спеціального виду продукції - поршневих кілець двигунів внутрішнього згорання (ДВЗ), які експлуатуються у специфічних умовах У зв'язку з розвитком автомобільного машинобудування, що супроводжується збільшенням потужності ДВЗ, виникла потреба в економічних матеріалах, для виготовлення поршневих кілець ДВЗ, що володіють необхідними технологічними й експлуатаційними властивостями В даний час, у якості основного матеріалу для виготовлення поршневих кілець різноманітного призначення (компресійних, маслозмінних і ш) викристовують чавуни різноманітного складу, що забезпечують найбільш оптимальне сполучення фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей Проте, виготовлення поршневих кілець із чавуну, з одного боку, значно ускладнює процес їхнього виробництва, а з іншої сторони це виробництво екологічно шкідливо, тому що включає обов'язковий ливарний переділ Крім того, чавуни, що використовуються у виробництві поршневих кілець, як правило, містять значну КІЛЬКІСТЬ дорогих і дефіцитних легуючих елементів, що здорожує виробництво, знижує його техніко-економічні показники і конкурентоспроможність цього виду продукції У цьому зв'язку, в останні роки у свгговій практиці одержує розвиток процес виробництва поршневих кілець із сталевої стрічки, що виключає екологічно шкідливий ливарний переділ із процесу виробництва сполучення фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей обов'язково містять значну КІЛЬКІСТЬ таких компонентів як хром, молібден ванадій, вольфрам та інше [1 Заявка 60-13054 Япония МКИ4С22С38/18, F02F5/00, F16D9/06 Заявлено 23 0185 Опубликовано 30 05 85, Заявка 6058780 Япония МКИ4 С22С38/56, 30/00, А61О15/20, С09ЛЗ/10, С23С8/26, 8/50 Заявлено 16 12 81 Опубликовано 211285, 3 Заявка 60-114553 Япония МКИ4 С22С38/24, F16J9/26 Заявлено 2106 85 Опубликовано 24 10 85, 4 Заяка 60-116748 Япония МКИ4 С22С38/26, F16J9/26 Заявлено 24 06 85 Опубликовано 24 10 85, 5 Заявка 61-19703 Япония МКИ4 С22С38/26, F16J9/26 Заявлено 08 0180 Опубликовано] ВІДОМІ КОМПОЗИЦІЇ легованих сталей для поршневих кілець, що містять вуглець, марганець, кремній і залізо, які для забезпечення оптимального ю Недоліком відомих композицій матеріалів для виробництва поршневих кілець є те, що вони містять значну КІЛЬКІСТЬ дорогих і дефіцитних легуючих елементів Зазначена обставина значно здорожує виробництво поршневих кілець, знижує його техніко-економічні показники і конкурентноспроможність цього виду продукції У якості прототипу прийнята низьколегована сталь для поршневих кілець, що містить вуглець, марганець, кремній, залізо й ІНШІ елементи, при такому їхньому співвідношенні, у % [Заявка 6 3 303036 Япония МКИ4 С22С38/24, 38/00 Заявлено 09 12 88] Вуглець 0,60-0,80 Марганець 0,40-0,70 Кремній 1,30-1-80 Хром 0,40-1,0 Ванадій 0,20-0,60 Молібден 0,10-0,25 Залізо інше О 42120 Невелика КІЛЬКІСТЬ легуючих елементів у сталі цієї композиції знижує собівартість виробництва поршневих кілець і декілька покращує його техніко-економічні показники Це підвищує конкурентоспроможність поршневих кілець, виготовлених із цієї сталі в порівнянні зі сталями [1-5] Водночас, використання дорогих легуючих елементів, таких, як хром, молібден, ванадій у її композиції не забезпечує оптимального співвідношення "ціна-якість" при виробництві поршневих кілець Зазначена обставина знижує техніко-еконоМІЧНІ показники виробництва і конкурентоспроможність поршневих кілець Крім того, відсутність регламенту вуглецевого еквівалента не гарантує стабільності технологічного процесу виготовлення поршневих кілець, що забезпечує оптимальне сполучення їх фізико-механічних, технологчних і експлуатаційних властивостей Задача, вирішувана винаходом, складається в розробленні композиції вуглецевої сталі для виробництва поршневих кілець, що забезпечує, з одного боку, найбільш оптимальне сполучення и фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей, а, з іншого боку - оптимальне співвідношення "ціна-якість" при їхньому виробництві Склад цієї сталі повинний забезпечувати комплекс вимог, запропонованих до поршневих кілець, а и виплавка не зустрічала утруднень в умовах масового металургійного виробництва, що дасть можливість істотно знизити витрати наи одержання в умовах типових металургійних підприємств, що роблять продукцію масового марочного сортаменту Технічний результат, що досягається при використанні винаходу, складається в забезпеченні комплексу фізико-механічних, технологічних експлуатаційних властивостей поршневих кілець, що виготовляються з вуглецевої сталі, виробленої в умовах масового виробництва на типових металургійних підприємствах Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що сталь для поршневих кілець, що містить вуглець, марганець, кремній і залізо, містить компоненти при такому співвідношенні, у % по масі Вуглець 0,61-0,74 Марганець 0,40-1,30 Кремній 0,20-0,40 Залізо інше, при цьому вуглецевий еквівалент сталі для поршневих кілець складає 0,78-0,83% Порівняння з прототипом, показує, що сталь для поршневих кілець, що заявляється, яка містить вуглець, марганець, кремній і залізо, відрізняється тим, що вона містить компоненти при такому співвідношенні елементів,у % по маси Вуглець 0,61-0,74 Марганець 0,40-1,30 Кремній 0,20-0,40 Залізо інше, при цьому вуглецевий еквівалент сталі для поршневих кілець складає 0,78-0,83% Отже, склад сталі, що заявляється, відповідає критерію "новизна" Порівняння з іншими технічними рішеннями в даній області дозволило виявити таке 1 Відомий склад сталі (Шмыков А А Справочнік термиста М Машгиз - 1952, с 86), що містить вуглець, марганець, кремній і залізо, при такому співвідношенні елементів, у % по масі Вуглець 0,50-0,75 Марганець 0,60-0,90 Кремній 1,50-2,80 Залізо інше, Ця композиція сталі має високий рівень МІЦНОСТІ І пружних властивостей, запропонованих до матеріалу для поршневих кілець Проте, застосування цієї сталі ускладнює процес виготовлення поршневих кілець через низьку схильність виробів із неї до хромування, що обумовлено високим рівнем КІЛЬКОСТІ в ній кремнію Крім того, відсутність регламенту вуглецевого еквівалента сталі цієї композиції, що складає Секв = 0,65-1,017%, який багато в чому визначає комплекс фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей виробів, виготовлених із неї, не дозволяє рекомендувати її до використання при виробництві поршневих кілець 2 Відомий склад конструкційної сталі (Краткий справочник металлурга М "Промсырьеимпорт", с 116-117), що містить вуглець, марганець, кремній і залізо, при такому співвідношенні елементів, у % по маси Вуглець 0,65-0,75 Марганець 0,50-0,80 Кремній 0,17-0,37 Залізо інше, Ця композиція сталі при визначеному сполученні змісту елементів, має високий рівень МІЦНОСТІ і пружних властивостей, запропонованих до матеріалу для поршневих кілець Проте, зміст вуглецю і марганцю в цій сталі на верхніх межах діапазонів їхньої зміни призводить до того, що виготовлені з неї поршневі кільця інтенсифікують знос гільз циліндрів ДВЗ, мінімальні значення змісту цих елементів в сталі в рамках зазначених діапазонів погіршує компресивні властивості поршневих кілець, унаслідок зниження їхніх пружних властивостей Це обумовлено широким діапазоном зміни значення вуглецевого еквівалента в сталі цієї композиції (Секв - 0,74-0,90%) Відсутність суворого регламенту значення вуглецевого еквівалента в сталі не забезпечує стабільності технологічного процесу виробництва поршневих кілець, що не дозволяє рекомендувати и до використання в цьому виробництві Крім того, більш широкий діапазон коливання кремнію в ній, з одного боку, може ускладнити процес виготовлення поршневих кілець через низьку схильність виробів із неї до хромування (верхня межа діапазону), а з іншої сторони може знизити корозійну СТІЙКІСТЬ і ресорні (пружні) властивості поршневих кілець, виготовлених із неї (нижня межа діапазону), що погіршує їхні компресійні властивості Вуглецевий еквівалент є одним із найважливіших технологічних показників якості сталі, що визначає комплекс її механічних і технологічних властивостей МІЦНІСТНІ і пластичні властивості, зварюваність і схильність до термічної обробки виробів із неї Як показали результати досліджень, виконаних в Інституті чорної металургії НАН України (Приходько Э В Эффективность комплексного легирования сталей в сплавов К Наукова думка - 1995 -292 с), цей показник визначає цілий комплекс фізико-механічних, технологічних і експлуа 42120 таційних властивостей багатокомпонентних сталей і виробів із неї Дослідження властивостей поршневих кілець, виготовлених із сталей різноманітного складу, показали, що вуглецевий еквівалент як єдиний показник багатокомпонентної композиції сталі, визначає також МІЦНІСТЬ І пружні властивості поршневих кілець, їхню схильність до хромування, особливості термічної і термомеханічної обробки, які, у свою чергу, визначають експлуатаційні властивості поршневих кілець, технологічність їхнього виготовлення У цьому зв'язку регламентація значення вуглецевого еквівалента набуває особливої ролі при розробці композиції вуглецевої сталі для виробництва поршневих кілець Виконаний аналіз показав, що ВІДОМІ технічні рішення, у яких подані різноманітні композиції сталі, не дозволяють вирішити поставлену в технічному рішенні, що заявляється, задачу - забезпечити оптимальне сполучення фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець виготовлених із цих сталей, а, з іншого боку, оптимізувати співвідношення "ціна-якість" при їхньому виробництві Отже, що заявляється технічне рішення має винахідницький рівень При розробці композиції сталі, що забезпечує рішення поставленої в даній роботі задачі, необхідно було враховувати можливість її виплавки в будь-яких сталеплавильних агрегатах із застосуванням доступних і дешевих легуючих елементів і розкислювачів Застосування дорогих матеріалів забезпечує необхідний комплекс властивостей поршневих кілець виготовлених із цих сталей, проте ускладнює й здорожує їхнє виробництво, а,отже, і виробництво поршневих кілець виготовлених із цих сталей Розроблена композиція сталі повинна бути технологічною на всіх етапах металургійного виробництва, у неї не повинно бути схильності до тріщиностворення в процесі її обробки тиском, термомеханічної і термічної обробки Крім того, у розробленої композиції сталі повинні бути сталі супутники для організації гнучкого технологічного процесу її виробництва, що істотно спрощує й здешевлює виробництво цієї сталі З урахуванням цих обставин, запропонована сталь для виробництва поршневих кілець може бути виплавлена в будь-яких сталеплавильних агрегатах Металошихта для виплавки сталі для поршневих кілець у конвертерах (умови меткомбінату "Криворізьсталь") складається з 20-25% металобрухту і 75-80% рідкого чавуна При виплавці сталі в електропічах (умови Молдавського і Білоруського металургійних заводів) склад металошихти - 70-90% металобрухту і 10-30% твердого чавуна Якщо сталлю-супутником є якісна сталь, то при її виплавці в якості металошихти можливо використання 30-100% металізованих окатишів і 0-70% чистого по домішках кольорових металів і азоту металобрухту У конвертор або в електропіч завантажують металошихту Після закінчення завантаження в конвертор подають через фурму кисень, а в електропечі опускають електроди і подають електричний струм (можливо застосування горілок і кисневих фурм) По ходу процесу в агрегати подають флюси (вапно, вапняк, плавиковий шпат і ін) Процес виплавки сталі ведуть або до заданого вуглецю, або до низького змісту вуглецю з наступним навуглеценням металу в ковші При випуску сталі в ківш додають феросплави Видалення фосфору здійснюється, як правило, у сталеплавильних агрегатах, видалення сірки - на установці ПІЧ-КІВШ На цій же стадії здійснюється остаточне доведення металу по складу і температурі Отриману сталь розливають або в злитки, або на машинах безперервного лиття заготівок (МБЛЗ) На механічні і технологічні властивості сталі (агрегатну МІЦНІСТЬ, твердість, пружність і ш) насамперед, впливають співвідношення вуглецю, марганцю, кремнію і заліза, а також ДОМІШНІ елементи, що завжди мають місце при виплавці сталі У цьому зв'язку при розробці складу сталі для поршневих кілець регламентувався зміст саме цих елементів Вміст домішок у розробленій композиції сталі, а також співвідношення основних компонентів вуглецю, марганцю, кремнію і заліза в діапазонах їхньої зміни, що заявляються, регламентується значенням вуглецевого еквівалента, що заявляється Діапазони вмісту елементів у сталі і значення вуглецевого еквівалента встановлені експериментальним шляхом Якщо вміст вуглецю в сталі буде більше діапазону, що заявляється (більше 0,74%), то при високих значеннях змісту марганцю і кремнію в рамках діапазонів, що заявляються, це приведе до збільшення МІЦНОСТІ і пружності і зниженню пластичних властивостей металу У цьому випадку значення вуглецевого еквівалента буде більше діапазону його зміни, що заявляється (більше 0,83%) Сталь такого складу схильна до підвищеного тріщиностворення при навивці спіралі зі стрічки, виготовленої з неї, що входить у технологічну схему виробництва сталевих поршневих кілець Це погіршує якість поршневих кілець, виготовлених із неї, і знижує вихід придатного Крім того, використання поршневих кілець, виготовлених із сталі такого складу, інтенсифікує знос гільз циліндрів ДВЗ До цього призводить зміст марганцю в сталі більше діапазону, що заявляється (більше 1,30%), при високих значеннях змісту вуглецю і кремнію в рамках діапазонів, що заявляється У цьому випадку значення вуглецевого еквіваленту буде також більше діапазону його зміни, що заявляється (більше 0,83%) Вміст кремнію в сталі більше діапазону, що заявляється (більше 0,40%) приводить до погіршення хромування поршневих кілець, що є невід'ємною операцією технологічного процесу їхнього виготовлення Це погіршує якість поршневих кілець, виготовлених із неї, і знижує вихід придатного Якщо вміст вуглецю в сталі буде менше діапазону, що заявляється (менше 0,61%), то при низьких значеннях змісту марганцю і кремнію в рамках діапазонів, що заявляються, це приведе до збільшення пластичних і зниження МІЦНОСТІ і пружних властивостей металу У цьому випадку значення вуглецевого еквівалента буде менше діапазону його зміни, що заявляється (менше 0,78%) Використання сталі такого складу не забезпечує МІЦНІСТЬ і пружні властивості кілець, що, у кінцевому рахунку, призводить до втрати компресійних якостей кілець Це погіршує якість поршневих кілець, виготовлених із неї, і знижує вихід придатного До цього ж приводить вміст марганцю в сталі менше діапазону, що заявляється (менше 0,40%), 42120 при низьких значеннях вмісту вуглецю і кремнію в рамках діапазонів, що заявляються У цьому випадку значення вуглецевого еквівалента буде також менше діапазону його зміни, що заявляється (менше 0,78%) Вміст кремнію в сталі менше діапазону, що заявляється (менше 0,20%), приводить до зниження корозійної СТІЙКОСТІ сталі, погіршує її ресорні (пружні) властивості Це також веде до погіршення якості поршневих кілець, виготовлених із неї, і знижує вихід придатного Діапазони вмісту елементів і значення вуглецевого еквівалента, що заявляються, в запропонованій композиції вуглецевої сталі для виробництва поршневих кілець, забезпечує, з одного боку, найбільше оптимальне сполучення з фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей, а з іншого боку - оптимальне співвідношення "ціна-якість" при їхньому виробництві Склад сталі композиції, що заявляється, задовольняє вимогам, запропонованим до поршневих кілець, а її виплавка не зустрічає утруднень в умовах масового металургійного виробництва, що дозволяє істотно знизити витрати на и одержання в умовах металургійних підприємств, що виробляють продукцію масового марочного сортаменту Таким чином, діапазон вмісту елементів і значення вуглецевого еквівалента, що заявляються, в сталі для поршневих кілець запропонованої композиції, забезпечують комплекс фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець, що виготовляються із неї А власне сталь може бути виплавлена в умовах масового виробництва на типових металургійних підприємствах Зазначена обставина свідчить про те, що використання сталі запропонованої композиції у виробництві поршневих кілець забезпечує рішення поставленої задачі Експерименти по визначенню оптимального складу сталі виконувалися в Інституті чорної металурги НАН України і Дніпропетровській філії Одеського заводу поршневих кілець 3 конструкційних сталей виробництва меткомбінату "Криворіжсталь", Макіївського меткомбінату, Молдавського й Єнакиївського метзаводів, прокатаних у катанку діаметром 6,5 мм, методом холодного волочіння в роликових волокнах, одержували сталеву стрічку, із якої виготовляли поршневі кільця Виробництво поршневих кілець здійснювалося по стандартній єдиній технологічній схемі Після ЦЬОГО досліджували властивості отриманих поршневих кілець із сталей різноманітних композицій ВІДПОВІДНО ДО вимог технічних умов на вихідну заготовку для виробництва поршневих кілець (ТУ У 00235878 003-98 Стрічка сталева спеціального профілю Технічні умови 1998 г), досліджували параметри, що визначають якість поршневих кілець тимчасовий опір розірванню, твердість, число перегинів на валик діаметром 16 мм, число витків при навивці на стрижень діаметром 80 мм ВІДПОВІДНО ДО ЦИХ ВИМОГ, тимчасовий опір розірванню повинен складати 1300-1450 Н/мм , при розкиді в межах бунта не більше 100 мм2, твердість (Т) - 37-42 HRC, число перегинів на валик діаметром 16 мм (п) - не менше 3, число витків при навивці на стрижень діаметром 80 мм (N) не менше 5 Зазначене співвідношення МІЦНОСТІ І пластичних властивостей, запропонованих до ста лі для поршневих кілець, забезпечує, з одного боку, стабільність технології їхнього виробництва, а, з іншого боку, необхідні експлуатаційні властивості поршневих кілець У таблиці 1 приведені окремі результати досліджень, що визначають оптимальні межі діапазонів вмісту вуглецю (С,%), марганцю (Мп, %), кремнію (Si, %), і заліза (Fe, %), а також значення вуглецевого еквівалента (Секв , %), що заявляються, сталі для поршневих кілець Значення вуглецевого еквівалента визначали по емпіричній залежності (Гольдштейн М И , Грачов С В , Векслер Ю Г Специальные стали М МиСИС - 1999), установленої на підставі численних експериментальних досліджень, виду Секв % = С + Mn/6 + Si/24 + Ni/40 + Cr/5 + + Мо/4 + V/14 + Си/13 + Р/2, % У композиції сталі № 1 низький вміст вуглецю, марганцю і кремнію, а також обумовлене цим низьке значення вуглецевого еквівалента забезпечує високі пластичні властивості поршневих кілець, що знайшло відображення у великих значеннях п і N, проте, при цьому не забезпечуються МІЦНІСТЬ І пружні властивості кілець Це призводить до втрати компресійних якостей кілець До цього ж призводить низький вміст марганцю і кремнію при ВМІСТІ вуглецю в рамках діапазону, що заявляється, у композиції сталі № 2 Значення вуглецевого еквівалента в цій сталі також нижче діапазону, що заявляється Поршневі цільця, виготовлені зі сталі № 7 мали високі МІЦНІСТЬ і пружність, але низькі пластичні властивості Проте, навивка спіралі зі стрічки, виготовленої з цієї сталі, що входить у технологічну схему виробництва сталевих поршневих кілець, супроводжується тріщиностворенням, тому сталь цього складу не може бути використана в їхньому виробництві Крім того, використання поршневих кілець, виготовлених із цієї сталі, інтенсифікує знос гільз циліндрів ДВЗ Склади сталей № 3-6, у яких вміст вуглецю, марганцю, кремнію і заліза, а також значення вуглецевого еквівалента знаходяться в межах діапазонів вмісту елементів, що заявляються, забезпечують необхідні властивості поршневих кілець і не вносять труднощів у технологічний процес їхнього виготовлення на всіх його стадіях У композиції сталі № 8 вміст вуглецю, марганцю, кремнію і заліза знаходиться в межах діапазонів, що заявляються, проте високе значення вуглецевого еквівалента, обумовлене впливом ДОМІШНІХ елементів у сталі, збільшує и МІЦНІСТЬ І пружні властивості і знижує пластичні Це призводить до підвищеного тріщиностворення, при виробництві кілець, а також збільшує знос гільз циліндрів ДВЗ У сталі № 9 до цього ж призводить підвищений вміст марганцю Крім того, високий вміст кремнію в сталі цієї композиції призводить до погіршення хромування поршневих кілець, що є невід'ємною операцією технологічного процесу їхнього виготовлення У таблиці 2 узагальнені результати приведеного аналізу впливу співвідношення вмісту елементів у сталі для виробництва поршневих кілець на технологічність їхнього виготовлення й експлуатаційні властивості 42120 Таблиця 1 Механічні і технологічні властивості Композиція сталі 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3 % 0 0 0 0 0 0 0 0 0 60 60 61 69 74 61 75 75 69 Мп, % Si, % Fe, % с 0,39 0,96 0,90 0,54 0,48 1,27 0,48 1,32 0,54 0,20 0,23 0,32 0,40 0,20 0,20 0,20 0,21 0,43 ост ост ост ост ост ост ост ост ост 0 0 0 0 0 0 0 0 0 KB 1 /0 681 770 780 798 828 830 841 982 802 Механічні і технологічні властивості а у = 1190 а у = 1290 а у =1300 а у = 1380 а у = 1430 а у = 1410 а у = 1490 а у = 1630 а у = 1380 2 Н/мм 2 Н/мм 2 Н/мм 2 Н/мм 2 Н/мм 2 Н/мм 2 Н/мм 2 Н/мм 2 Н/мм T=29HRC, T=35HRC, Т=37 HRC, Т=39 HRC, Т=42 HRC, Т=41 HRC, T=44HRC, T=54HRC, T=39HRC, n n n n n n n n n = 11, N > 5 = 9, N> 5 = 9, N> 5 = 7, N> 5 = 5, N> 5 = 5, N> 5 = 4, N> 5 = 1, N> 5 = 7, N> 5 Таблиця 2 Композиція сталі Явища, що спостерігаються при виробництві кілець Низькі МІЦНІСТЬ І пружні характеристики поршневих кілець, що знижують їхні експлуатаційні властивості (компресійні якості) Низькі МІЦНІСТЬ І пружні характеристики поршневих кілець, що знижують їхні експлуатаційні властивості (компресійні якості) Забезпечуються необхідні механічні, технологічні й експлуатаційні властивості поршневих кілець Забезпечуються необхідні механічні, технологічні й експлуатаційні властивості поршневих кілець Забезпечуються необхідні механічні, технологічні й експлуатаційні властивості поршневих кілець Забезпечуються необхідні механічні, технологічні й експлуатаційні властивості поршневих кілець Тираж 50 екз Відкрите акціонерне товариство «Патент» Україна, 88000, м Ужгород, вул Гагаріна, 101 (03122) 3-72-89 (03122) 2-57-03