Цементована сталь

Реферат: Винахід належить до металургії і стосується конструкційних теплостійких сталей з дифузійним зміцненням поверхні виробу в процесі хіміко-термічного оброблення (цементації) на вторинну твердість, які можуть бути використані для виготовлення деталей і вузлів газотурбінних двигунів. Сталь містить, мас. %: С 0,04-0,10; Si 0,10-0,80; Мn 0,10-0,80; Сr 2,0-3,0; V 0,2-0,4; Nb 0,05-0,30; Mo 1,6-3,0; Al 0,01-0,20; Ni 0,50-1,50; N 0,01-0,07; S 0,025; P 0,025; PЗM 0,001-0,010, Fe - решта. Винахід дозволяє підвищити твердість і теплостійкість цементованого шару, а також пластичність і ударну в'язкість серцевини сталі. UA 108582 C2 (12) UA 108582 C2 UA 108582 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до металургії, авіабудування, машинобудування, а саме - до конструкційних теплостійких сталей, які можуть бути використані для виготовлення деталей і вузлів газотурбінних двигунів (ГТД), зокрема зубчатих коліс редукторів ГТД, з подальшим дифузійним зміцненням поверхні сталевого виробу в процесі хіміко-термічного оброблення (цементації) на вторинну твердість. Відома сталь 12X2НВФА (ГОСТ 11268-76), яку використовують для виготовлення деталей авіаційних двигунів, що містить такі компоненти, мас. %: С 0,09-0,16; Si 0,17-0,37; Mn 0,30-0,70; Ni 0,80-1,20; S  0,025; P  0,025; Cr 1,90-2,40; W 1,00-1,40; V 0,18-0,28; Cu  0,25; Fe - решта. Недоліками цієї сталі, у порівнянні з рішенням, що заявляється, є низькі значення ударної в'язкості та пластичності серцевини, твердості та теплостійкості цементованого шару. Спільними ознаками з рішенням, що заявляється, є легування сталі вуглецем, кремнієм, марганцем, нікелем, сіркою, фосфором, хромом і ванадієм. Найбільш близькою до сталі, яка заявляється, за технічною суттю та хімічним складом є сталь 14ХГСН2МА (Лазечный И.Н. Формирование при ХТО структуры и свойств цементуемых сталей различной теплостойкости / И.Н. Лазечный, И.П. Банас // Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. - 2005. - № 1. - С. 37-44), яка містить такі компоненти, мас. %: С 0,11-0,16; Si 0,45-0,70; Mn 0,70-1,00; Cr 1,20-1,60; Ni 1,60-2,00; S  0,025; P0,025; V0,06; Mo 0,25-0,40; Fe - решта. Недоліками цієї сталі, у порівнянні з рішенням, що заявляється, є дещо нижчі значення ударної в'язкості та пластичності серцевини, недостатня твердість та теплостійкість цементованого шару. Спільними ознаками з рішенням, що заявляється, є легування сталі вуглецем, кремнієм, марганцем, хромом, нікелем, сіркою, фосфором, ванадієм, молібденом. В основу винаходу поставлено задачу розробити сталь, яка шляхом додаткового введення ніобію, алюмінію, азоту та одного або декількох РЗМ з групи церій (Се), лантан (La), празеодим (Рr), неодим (Nd), зміни співвідношення компонентів, забезпечення оптимального фазового складу, дозволяє підвищити твердість і теплостійкість цементованого шару, а також пластичність і ударну в'язкість серцевини сталі. Винахід може бути використаний для виробництва деталей, зокрема зубчатих коліс редукторів ГТД, які працюють в умовах тертя та дії знакозмінних навантажень. Суттєвими ознаками рішення є використання вуглецю (С); кремнію (Si); марганцю (Мn); хрому (Сr); ванадію (V); ніобію (Nb); молібдену (Мо); алюмінію (Аl); нікелю (Ni); азоту (N); сірки (S); фосфору (Р); одного або декількох РЗМ з групи церій (Се), лантан (La), празеодим (Рr), неодим (Nd); заліза (Fe) при такому співвідношенні компонентів, мас. %: С 0,04-0,10 Si 0,10-0,80 Mn 0,10-0,80 Cr 2,00-3,00 V 0,20-0,40 Nb 0,05-0,30 Mo 1,60-3,00 Al 0,01-0,20 Ni 0,50-1,50 N 0,01-0,07 S 0,025 P 0,025 PЗM 0,001-0,010 Fe решта. Відмінними від прототипу ознаками є додаткове введення у склад сталі ніобію, алюмінію, азоту, одного або декількох РЗМ з групи церій, лантан, празеодим, неодим та зміна співвідношення компонентів. Поставлена задача вирішується тим, що в запропонованій сталі на основі заліза, яка заявляється, крім основи наявні вуглець, кремній, марганець, хром, ванадій, молібден, нікель, сірка, фосфор, а також ніобій, алюміній, азот та один або декілька РЗМ з групи церій, лантан, празеодим, неодим при такому співвідношенні елементів, у мас. %: С 0,04-0,10; Si 0,10-0,80; Mn 0,10-0,80; Cr 2,00-3,00; V 0,20-0,40; Nb 0,05-0,30; Mo 1,60-3,00; Al 0,01-0,20; Ni 0,50-1,50; N 0,010,07; S 0,025; P 0,025; PЗM 0,001-0,010, Fe - решта. Введення ніобію в сталь запропонованого складу зумовлено значним підвищенням зносостійкості цементованого шару в результаті утворення дрібнозернистої карбідної фази. 1 UA 108582 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Введення алюмінію в сталь запропонованого складу, поряд з глобуляризацією неметалевих включень, зумовлює очищення границь зерен від шкідливих домішок у сталі, що впливає на дислокаційну структуру, забезпечує її однорідність і мінімальний рівень локальних мікровикривлень та сприяє більш рівномірному розподілу легувальних елементів. Виділення дрібнодисперсної фази AlN, яка рівномірно розподіляється в сталі, сприяє підвищенню теплостійкості цементованого шару. Введення азоту в сталь запропонованого складу зумовлено тим, що він утворює нітриди (дрібнодисперсну фазу AlN), які рівномірно розподіляються в сталі, поліпшують її структуру та механічні властивості і сприяють підвищенню теплостійкості цементованого шару. Введення одного або декількох РЗМ з групи церій (Се), лантан (La), празеодим (Рr), неодим (Nd) забезпечує зменшення дифузійної рухомості атомів вуглецю, що сприяє подрібненню карбідів і нітридів та їх рівномірному розподілу в структурі сталі, за рахунок чого підвищується термостійкість карбідів, а відповідно - теплостійкість цементованого шару, зменшується його крихкість. Вміст вуглецю має бути в діапазоні 0,04-0,10 мас. %. Нижня межа зумовлена тим, що при виході за неї відбувається зниження характеристик міцності та твердості серцевини сталі та одночасне ускладнення процесу виплавки сталі. При виході за верхню межу відбувається суттєве зниження характеристик пластичності та ударної в'язкості серцевини сталі за рахунок зміни в ній співвідношення структурних складових. Вміст кремнію має бути в діапазоні 0,10-0,80 мас. %, це зумовлено: нижня межа забезпеченням вмісту кремнію, який необхідний для початку процесу розкислення; верхня значним впливом кремнію на теплостійкість; перевищення вказаної концентрації (0,80 мас. %) призводить до погіршення теплостійкості. Вміст марганцю має бути в діапазоні 0,10-0,80 мас. %, це зумовлено: нижня межа забезпеченням необхідної ударної в'язкості та пластичності; верхня межа - підвищенням швидкості проміжного перетворення в сталі та погіршенням якості залишкового аустеніту, що призводить до зниження механічних властивостей сталі. Вміст хрому має бути в діапазоні 2,00-3,00 мас. %, це зумовлено: нижня межа забезпеченням необхідних характеристик міцності сталі, зокрема, твердості та ударної в'язкості в умовах знакозмінних навантажень; верхня межа - зниженням теплостійкості цементованого шару при підвищенні вмісту хрому понад вказану межу, що обумовлено нестійкістю карбідів до коалесценції. Вміст ванадію має бути в діапазоні 0,20-0,40 мас. %, це зумовлено: нижня межа забезпеченням необхідних характеристик міцності сталі; верхня межа - позитивним впливом на вторинну твердість сталі і теплостійкість; при перевищенні верхньої межі ванадій знижує прогартовуваність дифузійного шару, що унеможливлює хіміко-термічне оброблення (ХТО) сталі на вторинну твердість, знижує ударну в'язкість після ХТО та призводить до погіршення процесу шліфування поверхні деталі. Вміст ніобію має бути в діапазоні 0,05-0,30 мас. %, це зумовлено значним підвищенням зносостійкості цементованого шару, при цьому його пластичність не знижується. Нижня межа утворенням дрібнозернистої карбідної фази ніобію, яка необхідна для забезпечення вторинного твердіння сталі у процесі ХТО, верхня межа - утворенням грубих карбідів ніобію, які призводять до зниження ударної в'язкості серцевини і цементованого шару. Вміст молібдену має бути в діапазоні 1,60-3,00 мас. %, що забезпечує формування оптимальної структури та властивостей цементованої сталі за умов заданого вмісту вуглецю; при виході за нижню межу не забезпечується необхідна прогартовуваність сталі, її твердість та теплостійкість; а за верхню - спостерігається погіршення механічних властивостей цементованого шару та підвищення твердості серцевини понад 43 HRC, що ускладнює механічне оброблення сталі. Вміст алюмінію має бути в діапазоні 0,01-0,20 мас. %, це зумовлено виділенням дрібнодисперсної фази AlN, яка рівномірно розподіляється в сталі та сприяє підвищенню теплостійкості шару. Підвищення вмісту алюмінію понад 0,20 % призводить до різкого збільшення кількості неметалевих включень, які погіршують експлуатаційну стійкість сталі. Вміст нікелю має бути в діапазоні 0,50-1,50 мас. %, що дозволяє покращити прогартовуваність сталі та знизити швидкість охолодження після гартування. Нижня межа обумовлена забезпеченням необхідних характеристик ударної в'язкості та пластичності; підвищення вмісту нікелю понад верхню межу - обумовлює утворення надлишкової кількості залишкового аустеніту в структурі сталі, а також різке зниження дифузійної рухомості вуглецю, що ускладнює процес цементації. 2 UA 108582 C2 5 10 15 20 25 30 Вміст азоту має бути в діапазоні 0,01-0,07 мас. %, це зумовлено: нижня межа - утворенням нітридів, які поліпшують структуру та механічні властивості сталі; підвищення вмісту азоту понад верхню межу обумовлює погіршення механічних властивостей сталі. Вміст сірки має бути 0,025 мас. %, це зумовлене її негативним впливом на властивості сталі. Вміст фосфору має бути 0,025 мас. %, це зумовлене здатністю його атомів до сегрегації на границях зерен, що призводить до крихкості сталі. Введення рідкісноземельних металів (РЗМ) має бути в діапазоні 0,001-0,010 мас. %. Підвищення вмісту РЗМ понад 0,001 % призводить до зменшення дифузійної рухливості атомів вуглецю та викликає подрібнення карбідів та їх рівномірний розподіл у структурі сталі, за рахунок чого підвищується термостійкість карбідів, а відповідно - теплостійкість цементованого шару; підвищення вмісту РЗМ понад верхню межу зумовлює зниження значення коефіцієнта дифузії вуглецю в сталь при температурі ХТО, тобто уповільнює процес росту параметрів цементованого шару (його товщини та розподілу вуглецю в шарі). Отже, поліпшення структури та властивостей запропонованої сталі досягається легуванням вуглецем, кремнієм, марганцем, хромом, ванадієм, ніобієм, молібденом, алюмінієм, нікелем, азотом, сіркою, фосфором, та РЗМ. У порівнянні з прототипом, зміна меж вмісту легувальних елементів та додаткове введення таких компонентів, як ніобій, алюміній, азот та РЗМ, дозволяє одержати цементовану сталь з підвищеною ударною в'язкістю і пластичністю серцевини та твердістю і теплостійкістю цементованого шару. Для дослідження механічних властивостей було використано вісім лабораторних виливків сталі (№ 1 та 2 мали хімічний склад, що виходив за межі запропонованого рішення, а № 3-8 відповідали запропонованому рішенню). Проведено їх порівняння з хімічним складом та механічними властивостями прототипу (№ 9). Для цього в 60-ти кілограмовій індукційній печі з основною футерівкою було виготовлено лабораторні виливки. Сталь розливали у вогнетривкі циліндричні форми діаметром 80 мм та здійснювали вальцювання на пневматичних молотах на квадрат 15×15 мм. Після цього плавки піддавали нормалізації при температурі 850 °C впродовж 1 год. з наступним охолодженням на повітрі. ХТО (цементацію) на вторинну твердість здійснювали в шахтній печі СШЦМ-6,6/10,5 у твердому карбюризаторі (ГОСТ 2407-83) при температурі 1030 °C впродовж 3,5 год. Після цементації проводили дво-триразовий відпуск при температурах 500…540 °C впродовж 1 год. У табл. 1 наведений хімічний склад сталей. Таблиця 1 Хімічний склад сталей № з/п Si Mn 1 2 0,11 0,025 0,85 0,09 0,90 0,08 3 4 5 6 7 8 0,04 0,04 0,07 0,04 0,06 0,05 0,12 0,14 0,13 0,15 0,20 0,17 0,14 0,10 0,26 0,35 0,21 0,24 9 35 С 0,11 0,16 0,45 0,70 0,70 1,00 Вміст хімічних елементів, мас. % V Nb Мо Аl Ni N S Р за межами запропонованого рішення 3,16 0,45 0,41 3,21 0,27 1,61 0,080 0,020 0,019 1,85 0,15 0,02 1,50 0,005 0,41 0,005 0,017 0,022 відповідає запропонованому рішенню 2,85 0,29 0,13 1,68 0,08 1,10 0,016 0,023 0,016 2,02 0,31 0,22 2,46 0,03 1,09 0,024 0,020 0,025 2,89 0,39 0,30 1,61 0,08 1,01 0,031 0,018 0,022 2,20 0,40 0,15 1,84 0,06 0,96 0,026 0,020 0,025 2,01 0,21 0,06 1,71 0,09 1,30 0,033 0,017 0,021 2,98 0,33 0,20 2,29 0,10 1,06 0,022 0,024 0,020 за прототипом 1,20 0,25 1,60 0,06 0,025 0,025 1,60 0,40 2,00 Cr У табл. 2 наведені механічні властивості сталей після ХТО. 3 РЗМ 0,015 0,001 0,004 0,003 0,009 0,006 0,003 0,005 UA 108582 C2 Таблиця 2 Механічні властивості сталей після ХТО Механічні властивості № з/п в, МПа 1 2 1015…1055 740…780 3 4 5 6 7 8 795…835 980…1020 940…980 850…890 980…1020 990…1030 9 5 HRC Цементованого шару HRC 41…45 25…29 58 57 29…33 33…37 33…37 36…40 36…40 31…35 58 60 57 58 60 62 38…41 58 Серцевини 980…1050 0,2, МПа KCU, МДж/м , % , % за межами запропонованого рішення 900…940 6,0…8,0 28,4…30,4 0,55…0,65 655…695 13,0…15,0 50,3…52,4 1,01…1,10 відповідає запропонованому рішенню 715…755 10,7…12,7 37,4…39,4 1,05…1,15 900…940 9,0…11,0 47,0…49,0 0,86…0,96 910…950 9,1…11,1 36,1…38,1 0,70…0,80 790…830 10,8…11,8 42,1…44,1 0,92…1,02 840…880 12,2…14,2 35,8…37,8 1,07…1,17 940…980 12,0…14,0 30,6…32,6 0,97…1,07 за прототипом 785…825 11,0…13,0 54,0…56,0 0,95…1,05 2 Запропонована сталь у порівнянні з прототипом має підвищенні значення твердості та теплостійкості цементованого шару, а також ударної в'язкості та пластичності серцевини. Наведені результати досліджень вказують на можливість використання запропонованої сталі для виготовлення зубчатих коліс ГТД, що працюють при температурах до 450 °C та потребують високої твердості і, відповідно, високої контактної витривалості поверхневих шарів. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 10 15 Цементована сталь, що містить залізо (Fe), вуглець (С), кремній (Si), марганець (Мn), хром (Сr), ванадій (V), молібден (Mo), нікель (Ni), сірку (S), фосфор (Р), піддана хіміко-термічному обробленню (цементації) на вторинну твердість, яка відрізняється тим, що додатково містить ніобій (Nb), алюміній (Аl), азот (N) та однин або декілька РЗМ, вибраних з групи церій (Се), лантан (La), празеодим (Рr), неодим (Nd), при такому співвідношенні компонентів, мас. %: С 0,04-0,10 Si 0,10-0,80 Mn 0,10-0,80 Cr 2,00-3,00 V 0,20-0,40 Nb 0,05-0,30 Mo 1,60-3,00 Al 0,01-0,20 Ni 0,50-1,50 N 0,01-0,07 S 0,025 P 0,025 PЗM 0,001-0,010 Fe решта. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4