автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка и внедрение высокопрочной теплостойкой стали для азотируемых и цементуемых высоконагруженных деталей машин"



На правах рукописи

ПРЯНИЧНИКОВ ВЛАДИСЛАВ АЛЕКСАНДРОВИЧ

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ВЫСОКОПРОЧНОЙ ТЕПЛОСТОЙКОЙ СТАЛИ ДЛЯ АЗОТИРУЕМЫХ И ЦЕМЕНТУЕМЫХ ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫХ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

Специальность 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

0 А (ТЧ ®

Нижний Новгород - 2009

003477749

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева»; Московском государственном техническом университете им. Н.Э.Баумана;

Научный руководитель; доктор технических наук, профессор

Сивков Владимир Лаврентьевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Васильев Виктор Александрович Нижегородский государственный технический университет им. Р.Е.Алексеева

действительный член РАЕН, доктор технических наук, профессор Клейнер Леонид Михайлович Пермский государственный технический университет

Ведущее предприятие: ОАО ННИИММ «Прометей», г. Н.Новгород

Защита диссертации состоится « 16» октября 2009г в « 15 » часов на заседании диссертационного совета Д 212.165.07 в Нижегородском техническом университете по адресу: 603600, ГСП - 41, г. Нижний Новгород, ул. Минина, д. 24, корпус 1, ауд. 1258.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного технического университета им. Р.Е.Алексеева.

Ваш отзыв на автореферат, заверенный печатью организации, просим выслать по указанному адресу на имя секретаря диссертационного совета (факс:8 - 831 - 436 - 94 - 75)

Автореферат разослан« 15 » сентября 2009г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Ресурс работы различных видов машин и механизмов в значительной степени определяется усталостной прочностью, а также способностью сопряженных пар трения сопротивляться изнашиванию.

В настоящее время распространенным способом упрочнения высоконагруженных деталей машин (зубчатые колеса и др.) является цементация (нитроцеменгация). Однако использование этих видов химико-термической обработки приводит к сильной деформации деталей и, как следствие, к необходимости проведения трудоемкой операции шлифования.

За последние годы, благодаря фундаментальным исследованиям, выполненным Ю.МЛахтиным, Б.НЛрзамасовым, Г.Ф.Косолаповым, С.А.Герасимовым и др., появилась возможность использования азотирования для высоконагруженных деталей машин взамен цементации.

Кроме этого, причиной повышенного внимания к проблеме азотирования является уникальный комплекс свойств стальных изделий (износостойкость, сопротивляемость схватыванию, коррозионная стойкость, сопротивление усталости, теплостойкость), а также малые деформации, что исключает трудоемкий процесс шлифования.

Тем не менее, применяемые стали для высоконагруженных деталей машин не полностью удовлетворяют современным требованиям по качеству азотированного слоя (высокая хрупкость и др.), а также сердцевины.

В условиях мелкосерийного производства на машиностроительных предприятиях при изготовлении изделий используется большое разнообразие марок сталей для азотируемых и цементуемых деталей с малыми объемами потребления, что вызывает значительные технические и экономические проблемы. Эти недостатки можно устранить, если сократить количество применяемых сталей.

В связи с этим разработка и внедрение в производство высокопрочной стали многоцелевого назначения с повышенной теплостойкостью и прокаливаемостью для изготовления высоконагруженных азотируемых и цементуемых деталей является в настоящее время актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках конверсионной программы ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» по освоению изготовления импортозамещающих узкозахватных очистных комбайнов нового поколения «Кузбасс - 500».

Цель работы - разработка и внедрение высокопрочной теплостойкой стали многоцелевого назначения для изготовления азотируемых и цементуемых высоконагруженных деталей машин.

Для достижения указанной цели решали следующие задачи: - обоснование химического состава стали;

- исследование структуры, физико-механических свойств и критериев разрушения синергетики стали в зависимости от температурно-временных параметров термической и химико-термической обработки;

- оценка контактной выносливости и выносливости при изгибе;

- разработка и внедрение технологии горячей пластической деформации, термической и химико-термической обработки (газового азотирования и цементации).

Научная новизна

1. Установлено влияние никеля на:

- внутризеренную структуру;

- структуру и химический состав зернограничных областей азотированного слоя;

- контактную долговечность.

2. Определены значения критических точек и физических свойств (модуля упругости; удельной теплоемкости; коэффициентов теплопроводности, ■ температуропроводности; температурного коэффициента линейного расширения) разработанной стали.

3. Исследована кинетика распада переохлажденного аустенита стали при непрерывном охлаждении и в изотермических условиях.

4. Установлено влияние циклической объемной закалки с предварительным высоким отпуском на величину зерна аустенита.

5. Определены значения критериев разрушения синергетики новой стали в различных структурно - энергетических состояниях.

Практическая значимость

1. Разработаны и внедрены в промышленность технические условия ТУ0958 - 011 -08627614 - 95 «Поковки, прокат крупного сечения, блюмы (болванки обжатые), заготовки квадратные из высокопрочной стали марки 20ХЗНЗМФБ для тяжелонагруженных улучшаемых, азотируемых, цементуемых деталей».

2. Разработаны и внедрены технологии горячей пластической деформации, термической и химико-термической обработки (газового азотирования и цементации).

3. Внедрение на ОАО «НМЗ» стали многоцелевого назначения 20ХЗНЗМФБ при изготовлении очистных угольных комбайнов позволило за счет сокращения применяемых марок стали, унификации режимов термической и химико-термической обработки деталей, оптимизации маршрутных технологий и уменьшения трудоемкости за счет перевода деталей, в том числе зубчатых колес, с цементации на азотирование получить экономический эффект -1,2 млн. рублей на одно изделие.

На защиту выносятся:

1. Результаты исследования влияния никеля в низкоуглеродистых легированных сталях на:

структуру и химический состав зернограничных областей азотированного слоя;

контактную долговечность азотированного слоя.

2. Химический состав новой высокопрочной теплостойкой стали.

3. Результаты исследования зависимости физико-механических свойств и критериев разрушения синергетики разработанной стали от различных режимов термообработки, а также экспериментальной оценки её предела контактной выносливости после азотирования с широко применяемыми азотируемыми и цементуемыми сталями.

4. Технологии горячей пластической деформации, упрочняющей объемной термической обработки, газового азотирования и цементации.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на Международной конференции по химико-термической обработке «3-й Лахтинскке чтения» (2004г., г. Варшава), на научных семинарах кафедры МТ - 8 МГТУ им. Н.Э.Баумана (1996, 2001, 2008 г.г., г. Москва), на межрегиональных научно-практических конференциях г. Н.Новгород (2003, 2005, 2009г.г.), г. Новочеркасск (2004г.), г. Златоуст (2005г.).

Производство слитков различного развеса и блюмов (размером 220x220) освоено на ОАО «Златоустовский металлургический завод»; слетков - на ОАО «Ижсталь».

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в 5 печатных работах, в том числе: в двух статьях в журналах, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки РФ, в двух патентах РФ.

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 152 страницах машинописного текста, включает 44 рисунка и 22 таблицы.

Работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 108 наименований и приложения на 14 страницах.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность проблемы, определена цель работы, приведены программа исследований, научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе на основании литературных данных, а также нормативных документов, действующих в различных отраслях машиностроения, приведен аналитический обзор широко используемых в машиностроении высокопрочных азотируемых и цементуемых конструкционных сталей.

Показаны недостатки существующих азотируемых сталей (недостаточная прочность, низкая отпускоустойчивость, малая глубина и высокая хрупкость азотированного слоя, низкая контактная выносливость), не позволяющие использовать их взамен цементуемых сталей для изготовления высоконагруженных деталей машин; цементуемых сталей (низкая отпускоустойчивость, недостаточное содержание нитридообразующих элементов), что не позволяет использовать их в качестве азотируемых сталей.

Показаны актуальность и перспективность разработки новой стали.

Во второй главе приводятся химический состав экспериментальных и промышленных сталей; методики исследований, оборудование и приборы, использованные при проведении экспериментов и исследований. Исследовались экспериментальные низкоуглеродистые легированные стали 15ХЗМФБ - Ш; 15ХЗН1МФБ - Ш и 15ХЗН2МФБ - Ш с содержанием углерода - 0,15% и никеля 0,16; 0,72%; 1,98% соответственно; 20ХЗНЗМФБ - Ш с содержанием углерода 0,20%, никеля 3,02%; промышленная сталь 20ХЗНЗМФБ плавок №№ 1, 2, 3 с содержанием углерода 0,19%; 0,20%; 0,22% соответственно и с суммарным содержанием никеля и хрома 5,80% и 5,81% (плавки №№ 1, 2), 6,04% (плавка № 3).

В работе использовались методики исследований: химический и спектральный анализ состава сталей и сплавов по ГОСТ 12344-нГОСТ 12348, ГОСТ 12350-гГОСТ 12355, ГОСТ 12359, ГОСТ 12361, ГОСТ 18895; электронная микроскопия с использованием микроскопов ШМбв, ТЕБЬА В8-540, ЛЮЬ-200СХ; рентгеноструктурный анализ на установке ДРОН-ЗМ; Оже - спектроскопия на спектрометре 1АМР - ЮБ; исследование микроструктуры и изломов с использованием микроскопов ММР - 7, №оГо1 - 21, растрового электронного микроскопа ТЕБЬА ВБ - 340; определение критических точек стали дилатометрическим методом на дилатометре Шевенара; контроль макроструктуры по ГОСТ 10243; определение величины зерна по ГОСТ 5639; контроль качества поверхностно- упрочненного слоя по РТМ 3 - 1089; определение прокаливаемости методом торцевой закалки по ГОСТ 5657, а также на пробах переменного сечения; измерение твердости по ГОСТ 9013 (по Роквеллу), по ГОСТ 2999 (по Виккерсу); измерение микротвердости по ГОСТ 9450; испытание на растяжение по ГОСТ 1497 (при комнатной температуре), по ГОСТ 9651 (при повышенных температурах); испытание на ударный изгиб по ГОСТ 9454; определение модуля упругости динамическим методом по ГОСТ 25156; определение удельной теплоемкости по методу Сайкса -Грузина; коэффициентов теплопроводности по методу Кольрауша, температуропроводности по методу Ангстрема; температурного коэффициента линейного расширения на дилатометре Шевенара; испытание на контактную усталость по рекомендациям Р 50-54-30 (взамен ГОСТ 25.501); испытание на изгибную усталость с использованием специального стенда, обеспечивающего резонансную частоту 40 -125Гц.

В третьей главе приведены результаты исследований влияния химического состава стали на механические свойства после высокого отпуска, структуру и контактную долговечность азотированного слоя экспериментальных сталей.

Для достижения гарантированной категории прочности (оо,2 5 ЮООМПа) и теплостойкости содержание углерода в сталях с исследуемым типом легирования было повышено до 0,20%. Повышение в стали содержания углерода до 0,20% (сталь 20ХЗНЗМФБ - Ш) обеспечивает высокий комплекс свойств. Значение предела текучести сто.г > ЮООМПа обеспечивается после закалки 980°С, 1ч, охлаждение - масло и отпуска при 580°С, 1ч. Этот режим отпуска обеспечивает

получение твердости ~ 38НЯС. После дополнительной термообработки по режиму «ложного азотирования» 500°С, 20ч + 540°С, 40ч необходимое значение предела текучести сохраняется. Ударная вязкость стали 20ХЗНЗМФБ - Ш после «ложного азотирования» осталась на высоком уровне (КСи = 0,70МДж/м2).

Приведены результаты исследования и установлено положительное влияние никеля на структуру азотированного слоя. Исследовались азотированные стали 15ХЗМФБ - Ш, 15ХЗН1МФБ - Ш, 15ХЗН2МФБ - Ш, 20ХЗНЗМФБ - Ш с содержанием никеля 0,16%; 0,72%; 1,98%; 3,02% соответственно. Режим азотирования: 500°С, 20ч + 540°С, 40ч, среда - аммиак марки «А» ГОСТ 6221. Перед азотированием образцы исследуемых сталей подвергались закалке при температуре 980°С, 1ч с охлаждением в масле и отпуску при температуре 580°С, 1ч.

Структура азотированного слоя исследовалась методом электронной микроскопии тонкой фольги. Фольга вырезалась на глубине, соответствующей максимальному значению твердости азотированного слоя.

Установлено, что во всех исследованных сталях при азотировании образуется нитридная фаза с ГЦК структурой. Период решетки выделяющейся нитридной фазы, определенный по положению её рефлексов на электронограммах, составляет 0,414нм, что близко к значению периода решетки Сг1Ч. Поскольку исследуемые стали содержат в небольших количествах и другие нитридообразующие элементы (Мо, V), можно предположить, что образующаяся нитридная фаза имеет сложный состав. Частицы имеют вытянутую форму и в основном хаотически распределены. Наряду с хаотически распределенными частицами имеются изогнутые цепочки нитридов, выделившиеся по различным дефектам: границам зерен, мартенситным кристаллам, по дислокациям.

Структура азотированного слоя зависит от содержания никеля.

С увеличением количества никеля в стали наблюдается более равномерное и более однородное распределение частиц нитридной фазы по размерам. Размер нитридов уменьшается с увеличением содержания никеля в стали, а плотность их распределения увеличивается. В стали с малым его содержанием размер нитридов составляет 20 - 40нм, а в стали с содержанием никеля -3% размер частиц составляет 7 - Юнм. При этом большие из приведенных размеров относятся к частицам, выделившимся на дефектах.

Плотность распределения частиц в стали с содержанием никеля ~1% составляет р -0,5 ■ 10 2 м "3, с содержанием -2% - р ~ 1,3-1022 м"3, в стали с содержанием никеля -3% - р ~ 2,510 м"3 (рис. 1).

Таким образом, легирование никелем приводит к измельчению нитридов и повышению плотности их распределения в азотированном слое. Это объясняется тем, что никель снижает диффузионную подвижность атомов хрома при азотировании и в связи с этим приводит к образованию большого количества зародышей нитридной фазы.

-О- 11

/

У \

О 1.0 2.0 N1.*

Рис.1 Изменение размера (1 и плотности распределения нитридов г| в зависимости от содержания никеля в экспериментальных сталях. Режим азотирования: 500° С,20 ч + 540° С, 40ч.

Оже - спектроскопическим методом установлено, что содержание никеля на границах зерен превышает его среднее содержание в стали в несколько раз во всех исследованных никельсодержащих сталях, а в стали с содержанием никеля ~ 3% его концентрация на границе составляет - 15%, т.е. при азотировании происходит перераспределение никеля между границами и объемом зерна, количество же азота в зернограничной области снижается (рис.2).

Рис.2 Влияние содержания никеля в экспериментальных сталях на концентрацию никеля и азота в зернограничной области азотированного слоя. Режим азотирования: 500°С, 20ч + 540°С, 40ч.

Повышение содержания никеля в зернограничной области обусловлено, в основном, вытеснением его азотом из твердого раствора. Это является решающим фактором, предотвращающим выделение в виде протяженных цепочек цементита и нитридов легирующих элементов вдоль границ в азотированном слое

никель со дер ж а щ и х сталей, что приводит к снижению хрупкости азотированного слоя.

Электронномикроскопические исследования методом реплик азотированного слоя показывают наличие в зерно граничных областях стали без никеля большого количества трещин, в стали с содержанием никеля - 3% они отсутствуют (рис.3).

Рис.3 Структура зернограничной области экспериментальных азотированных сталей без никеля (а) к содержащей -3 % никеля (б).Режим азотирования'. 500° С, 20 ч + 540°С, 40 ч. 30000x2

При увеличении содержании никеля в стали до ~ 3 % его концентрация в зерпограничных областях повышается приблизительно до ~ 15 %, что приводит к снижению хрупкости азотированного слоя и , как следствие, к повышению контактной долговечности (N50) приблизительно в - 8 раз (с N50 = 8млн. циклов до N50 ~ 64 млн. циклов) по сравнению с безникелевой сталью (рис.4).

Рис,4 Влияние содержания никеля на контактную долговечность экспериментальных сталей после азотирования. Режим азотирования: 500°С , 20ч + 540°С , 40ч.

Исследовалось влияние никеля на процессы карбидообразования при длительном высоком отпуске. Исследования проводились на сталях 15ХЗМФЕ - Ш, 20X3НЗМФБ - Ш с использованием просвечивающего электронного микроскопа.

Установлено, что в безникелевой стали образуются в основном крупные карбиды равноосной формы размером несколько сотен нанометров (рис.5).

х30000 х2

Рис.5 Структура стали 15ХЗМФБ - Ш, выявленная методом экстрагированных реплик. Режим обработки: закалка 980°С, 1ч, охлаждение - масло + отпуск 550°С, 50ч.

В никельсодсржащей стали в основном наблюдаются более дисперсные карбидные частицы размером Ю - 40нм (рис. 6),

х30000 х2

Рис.6 Структура стали 20ХЗНЗМФБ - Щ, выявленная методом экстрагированных реплик. Режим обработки: закалка 980°С, 1ч, охлаждение — масло + отпуск 550°С, 50ч.

В четвертой главе приведены результаты исследования физико — механических свойств разработанной стали 20ХЗНЗМФБ на образцах промышленных плавок 1, 2, 3.

В работе определены количественные значения критических точек и физических свойств стали (модуля упругости; удельной теплоемкости; коэффициентов теплопроводности, температуропроводности; температурного коэффициента линейного расширения).

Получены значения критических точек: Ас, - 730 - 750°С; Мн = 360 - 370°С; Асз = 780 - 800°С; Мк = 250 - 270°С.

Приведены результаты исследований кинетики распада переохлажденного аустенита стали при непрерывном охлаждении и в изотермических условиях. Температура аустенитизации образцов при этом составляла 950°С, выдержка Юмин. Охлаждение с температуры аустенитизации проводили со скоростями 160, 50, 15, 5 и 3 град/мин. Для всех плавок характерно отсутствие распада в перлитной области даже при скоростях 3-5 град/мин. При скоростях охлаждения 150 - 160 град/мин (охлаждение на воздухе) наблюдается выраженный игольчатый характер микроструктуры и получены высокие значения твердости Нол 488 - 492 (48 НЯС), что позволяет сделать вывод о мартенситном характере превращения. При уменьшении скорости охлаждения температура начала распада аустенита изменяется в зависимости от состава плавок. Более высокие температуры превращения в бейнитной области у плавок № 1, 2 с содержанием углерода 0,19%, 0,20% и с суммарным содержанием хрома и никеля 5,80%, 5,81% соответственно. Температура начала бейнитного превращения Бн не превышает 420°С, а конца бейнитного превращения Бк - 330°С. В плавке № 3 с более высоким содержанием углерода и уровнем легирования (С = 0,22%; Сг + № = 6,04%) температура Бн не поднимается выше 380°С, Бк - 310°С.

Металлографический анализ показывает, что снижение скорости охлаждения со 150 - 160град/мин до 50 град/мин оставляет структуру неизменной. При скоростях охлаждения 15 - 5 град/мин в отдельных микрообъемах структура начинает терять игольчатый характер, наблюдается повышенная травимость границ, субграниц зерен, значение микротвердости уменьшается до Но,1456, что может свидетельствовать о появлении в структуре верхнего бейнита.

После охлаждения образцов со скоростью 3 град/мин игольчатость структуры исчезает, хорошо просматриваются крупные карбидные частицы, микротвердость снижается до Но,1 376 - 383, что соответствует образованию верхнего бейнита.

При электронной микроскопии анализ светлопольных, темнопольных изображений и дифрактограмм показывает, что сталь 20ХЗНЗМФБ после различных скоростей охлаждения с температуры аустенитизации 950°С, варьировавшихся от 160 до 15 град/мин, имеет структуру мартенсита с небольшим содержанием нижнего бейнита, а при 5 град/мин наблюдается также малое количество верхнего бейнита. При переходе от скорости охлаждения 160 град/мин к скорости 5 град/мин заметно укрупнение карбидных частиц.

В структуре стали методом рентгеноструктурного анализа установлено наличие остаточного аустенита, расположенного преимущественно по границам а-фазы, в виде прерывистых выделений малой толщины. Содержание остаточного аустенита оценивается 5 - 7%.

Изотермические диаграммы распада переохлажденного аустенита свидетельствуют о том, что металл всех плавок в области перлитного превращения обладает высокой устойчивостью аустенита, выдержка в течение 3 часов при температуре 600°С к его распаду не приводит. Температура аустенитизации при этом составляла 950°С, охлаждение до температуры

изотермической выдержки проводили в печи со скоростью -15 град/мин, после изотермической выдержки - со скоростью - 5 град/мин.

Анализ микроструктур показывает, что при изотермической выдержке в области температур бейнитного превращения (340°С, 2ч и 400°С, Зч), продукты распада имеют ярко выраженное игольчатое строение. Это свидетельствует о преимущественном образовании мартенсита и нижнего бейнита в стали 20ХЗНЗМФБ

Увеличение температуры изотермической выдержки до 425°С приводит к уменьшению степени игольчатости в структуре металла всех исследуемых плавок, что свидетельствует о смене механизма превращения.

Исследованиями распада переохлажденного аустенита установлена его высокая устойчивость в перлитной и бейнитной областях, что обусловлено содержанием в стали хрома -3,0%, никеля - 3,0%.

Прокаливаемость стали при закалке с охлаждением в воде, определенная методом торцевой закалки, а также на пробах переменного сечения с охлаждением в масле и на воздухе, составляет 100мм. Твердость после охлаждения в воде и масле - 44 - 46ЖС, на воздухе - 42 - 45НБ.С.

Приведены результаты исследований зависимости механических свойств стали 20ХЗНЗМФБ от режимов термообработки (от температуры закалки, отпуска, продолжительности отпуска); от температуры испытаний.

Сталь 20ХЗНЗМФБ отличается стабильностью прочностных и пластических свойств при закалке от температур 820 - 980°С с охлаждением в масле как после низкого (180°С), так и после высокого отпуска (580°С). Сталь обладает высокой отпускоустойчивостью.

При этом гарантируется следующий комплекс механических свойств:

Режим 1: Нормализация 945±15оС, отпуск 695±15оС, 5ч, охлаждение -воздух. Закалка 885±1 °С, 1ч, охлаждение - масло, отпуск 580±10оС, 2ч, охлаждение

- воздух.

<7о 2 > ЮООМПа; ств > 1050МПа; 8 > 10,0%; V > 45,0%;

КОТ20"0 > 0,55МДж/м2; КС1Г50РС > 0,50 МДж/м2.

Режим 2: Нормализация 945115оС, отпуск 695±15оС, 5ч, охлаждение -воздух. Закалка 845±1 °С, 1ч, охлаждение - масло, отпуск 180±10оС, 2ч, охлаждение

- воздух.

сод > 1200МПа; ов > 1350МПа; 5 > 8,0%; у > 40,0%;

кш+2срс > 050МДК/М2; КОГ50^ > 0,45МДж/м2.

Результаты исследований влияния температуры испытаний на механические свойства стали 20ХЗНЗМФБ, предварительно упрочненной на твердость 37 - 39Ш1С, свидетельствуют о сохранении высоких значений кратковременной горячей прочности до 500°С

С целью выявления возможного проявления обратимой отпускной хрупкости в стали 20ХЗНЗМФБ проводились испытания на ударный изгиб образцов после упрочняющей термообработки ( закалка 850°С, 1ч, охлаждение -масло, отпуск 50СРС, 550°С, 590°С, 2ч, охлаждение - воздух) и последующего отпуска при 540°С, имитирующего режим азотирования, с выдержками: 2, 20, 30, 40ч. Анализ результатов показывает, что длительная выдержка при 540°С после

отпуска 590°С к изменению твердости не приводит, она сохраняется на уровне 36 - 37Ш1С. Ударная вязкость, оставаясь на высоком уровне, снижается с 1,10 до 0,80 МДж/м2 при выдержке 20ч; до 0,68 - 0,70 МДж/м2 при выдержке 30 - 40ч. После отпуска 550°С и 500°С выдержка в течение 40ч при 540°С приводит к уменьшению твердости на 5 - 6 НЯС и увеличению ударной вязкости на ~ 0,20МДж/м2. Результаты исследований свидетельствуют об отсутствии у стали 20ХЗНЗМФБ склонности к обратимой отпускной хрупкости.

Установлено влияние циклической объемной закалки с предварительным высоким отпуском на величину зерна аустенита. После термической обработки кованных заготовок с исходным зерном № 4...3 по режиму: отпуск 650°С, 2ч, охлаждение - воздух + закалка 975°С, 1 час, охлаждение - масло + отпуск 650°С, 2ч, охлаждение - воздух + закалка 900°С, 1ч, охлаждение - масло + отпуск 650°С, 2ч, охлаждение - воздух + закалка 900°С , 1ч, охлаждение - масло; отпуск 580°С, 2ч, охлаждение - воздух обеспечивается получение однородной структуры с размером зерна № 10 - 9, высоких уровней механических свойств основного металла азотированных деталей, а также повышение качества структуры азотированного слоя.

Определены критические точки цементованного слоя: Аа ~ 710РС; Асз ~ 750°С. Проведены исследования влияния температуры закалки на структуру и твердость цементованного слоя стали 20ХЗНЗМФБ. Содержание углерода в слое глубиной 1,8мм после газовой цементации при 910°С в течение 15 часов составляет: на поверхности 0,80 - 0,85%; на глубине - 1мм от поверхности ~ 0,60%; на глубине

- 1,8мм - 0,36%. Содержание остаточного аустенита в слое после закалки

- 3 - 7%.

По результатам исследований приняты к внедрению следующие режимы цементации и последующей упрочняющей термической обработки:

цементация 9Ю±10оС; выдержка - в зависимости от требуемой глубины

слоя, охлаждение - воздух;

отпуск 680±10оС, охлаждение - воздух;

закалка 845±10оС, охлаждение - масло;

отпуск 180±10оС, охлаждение - воздух.

Твердость цементованного слоя при этом составляет не менее 581ШС, карбидная сетка в слое отсутствует.

Сравнительная оценка предела контактной выносливости азотированной стали 20ХЗНЗМФБ с другими сталями показала, что при глубине слоя 0,6 - 0,7мм и твердости ~ НУ 8700МПа ее предел контактной выносливости составляет 2400МПа, превышает предел контактной выносливости широко применяемой азотированной стали 38Х2МЮА - Ш в ~ 1,5 раза и находится на одном уровне с пределом контактной выносливости цементованой стали 18Х2Н4В - Ш (2200МПа).

В результате усталостных испытаний на изгиб установлено, что азотированная сталь 20ХЗНЗМФБ имеет предел выносливости при изгибе 850МПа, соизмеримый с пределом выносливости цементованой стали 18Х2Н4В - Ш (900МПа).

Приведены результаты сравнения стали 20ХЗНЗМФБ по механическим свойствам и критериям разрушения синергетики в различных структурно-энергетических состояниях с широко применяемыми в машиностроении конструкционными сталями. Результаты исследований показывают, что сталь 20ХЗНЗМФБ в азотированном и цементованном состояниях обеспечивает высокий комплекс механических свойств и значений критериев разрушения синергетики (показателя внутреннего напряженного состояния, предельной удельной энергии деформации, параметров зарождения и распространения трещин, критического параметра разрушения). По их уровню новая сталь не уступает широко используемым цементуемым и азотируемым сталям, что подтверждает возможность её использования как стали многоцелевого назначения.

В пятой главе приведены результаты промышленного внедрения стали 20ХЗНЗМФБ.

Представлены технологии:

горячей пластической деформации;

термической, в том числе предварительной термической обработки стали, обеспечивающей получение в кованных заготовках сложной формы однородного по размеру мелкого зерна № 10 - 9 и высокий уровень прочностных свойств (о0,2 >1000МПа) после отпуска при температуре 540°С в течение 40ч;

газовой цементации;

газового азотирования, обеспечивающего при глубине азотированного слоя 0,6 - 0,7мм и твердости ~ НУ 8700МПа значения предела контактной выносливости 2400МПа, предела выносливости при изгибе 850МПа, что соизмеримо со значениями этих характеристик (2200 МП а, 900 МПа соответственно) цементуемой стали 18Х2Н4В - Ш.

Разработаны ТУ 0958 - 011 - 08627614 - 95 «Поковки, прокат круглого сечения, блюмы (болванки обжатые), заготовки квадратные из высокопрочной стали марки 20ХЗНЗМФБ для тяжелонагруженных улучшаемых, азотируемых и цементуемых деталей»

Производство слитков различного развеса, блюмов (размером 220 х 220) освоено на ОАО «Златоустовский металлургический завод»; слитков - на ОАО «Ижсталь».

Экономическая эффективность от внедрения на ОАО «НМЗ» новой стали многоцелевого назначения при изготовлении очистных угольных комбайнов за счет сокращения применяемых марок стали, унификации режимов термической и химико-термической обработки деталей, оптимизации маршрутных технологий и уменьшения трудоемкости за счет перевода части деталей (35% от общего числа цементуемых деталей) с цементации на азотирование составляет 1,2 млн. руб. на одно изделие.

Общие выводы

1. Установлено, что никель оказывает положительное влияние на структуру азотированного слоя в низкоуглеродистых легированных сталях. В сталях с содержанием никеля ~ 3,0% его концентрация в зернограничной области достигает 10 - 15 %, а концентрация азота снижается в ~ 2 раза, что уменьшает

охрупчивание азотированного слоя и, как следствие этого, приводит к повышению контактной долговечности (N50) в ~ 8 раз (с N50 я 8 млн.циклов до N50 ~ 64 млн. циклов).

2. Доказано, что в сталях с содержанием никеля -3% дисперсность нитридных частиц в 2 - 3 раза выше по сравнению с безникелевыми сталями.

3. Разработана в соавторстве высокопрочная теплостойкая сталь мартенситного класса 20ХЗНЗМФБ, характеризующаяся:

- значением критических точек: Аа = 730 - 750°С; Мн = 360 - 370°С;

Асз = 780 - 800°С; Мк = 250 - 270°С;

- высокой устойчивостью аустенита в перлитной и бейнитной областях;

- критической скоростью охлаждения при закалке, равной 160 град /мин;

- прокаливаемостью до 100 мм при твердости 44 — 46 ИКС (охлаждение в воде, масле); 42 - 45 НЯС (охлаждение на воздухе);

- стабильностью высоких прочностных и пластических свойств при закалке от температур 820 - 980°С;

- высокой отпускоустойчивостью до 580°С с обеспечением предела текучести сод > 1000 МПа;

4. Установлены закономерности изменения механических свойств, структуры стали, критериев разрушения синергетики в зависимости от режимов термической и химико-термической обработки, определены количественные значения физических характеристик стали.

5. Разработаны ТУ 0958-011-08627614-95 «Поковки, прокат круглого сечения, блюмы (болванки обжатые), заготовки квадратные из высокопрочной стали марки 20ХЗНЗМФБ для тяжелонагруженных улучшаемых, азотируемых и цементуемых деталей».

6. Разработаны и внедрены технологии:

- горячей пластической деформации (ковка, штамповка);

-термической, в том числе предварительной термической обработки,

обеспечивающей получение в кованных заготовках сложной формы однородного по размеру мелкого зерна аустенита № 10-9 ГОСТ 5639 и высокий уровень механических свойств (о 0,2 >1000МПа) после отпуска при температуре 540°С в течение 40ч;

-газовой цементации, обеспечивающей после упрочняющей термической обработки значение предела текучести сердцевины оод >1200МПа, твердости слоя не менее 58Ш1С, содержание остаточного аустенита в слое 3 - 7 %;

-газового азотирования, обеспечивающего высокую работоспособность деталей в условиях контактной усталости. Азотирование деталей из стали 20ХЗНЗМФБ по двухступенчатому режиму 500°С, 20ч+ 540°С, 40ч при глубине диффузионного слоя 0,6 - 0,7мм и твердости слоя ~ НУ 8700МПа обеспечивает получение предела контактной выносливости, равного 2400МПа, и предела выносливости при изгибе - 850МПа, что соизмеримо со значениями этих характеристик цементуемой стали 18Х2Н4В - Ш.

7. Экономический эффект на ОАО «НМЗ» от внедрения новой стали при изготовлении угольных комбайнов за счет перевода деталей с цементации на азотирование составил - 1,2 млн. руб. на одно изделие.

Основные публикации по теме диссертации.

Научные статьи, опубликованные в изданиях, рекомендованных ВАК

Министерства образования и науки РФ:

1. Герасимов С.А. Новые идеи о механизме образования структуры азотированных сталей./ С.А.Герасимов, А.В.Жихарев, Е.В.Березин, Г.И.Зубарев, В.А.Пряничников // Металловедение и термическая обработка металлов. -2004. -№1. -с. 13-17.

2. Пряничников В.А. Высокопрочная теплостойкая сталь многоцелевого назначения для изготовления высоконагруженных деталей машин / В.А.Пряничников, С.А.Герасимов, В.Л.Сивков И Заготовительные производства в машиностроении. - 2008. - № 12. - с. 45 - 48.

Научные статьи, опубликованные в региональных периодических

3. Пряничников В.А. Сравнение структурно-энергетического состояния многофункциональной стали 20ХЗНЗМФБ по механическим свойствам и критериям разрушения синергетики с применяемыми конструкционными сталями./ В.А.Пряничников, В.А.Скуднов // Межрегиональная научно-практическая конференция «Заготовительные производства и материаловедение», посвященная 100-летию проф. А.А.Рыжикова: тез.докл - Н.Новгород, 2009. -

Изобретения:

4. Способ обработки зубчатых колес из низкоуглеродистых вторичнотвердеющих сталей мартенситного класса. Патент РФ № 2048547 / С.А.Герасимов, В.И.Кучерявый, Э.А.Елисеев, С.Д.Карпухин, В.К.Некрасов, В.А.Пряничников, А.Г.Алпатов, Ю.М.Аваков. Б.И. 1995, № 32.

5. Азотируемая сталь. Патент РФ № 2052531 / В.К.Некрасов, B.C. Красильников, С.А.Герасимов, В.А.Скуднов, Т.Е.Скакальская, А.В.Некрасов, А.Н.Северюхин, В.И.Кучерявый, С.Д.Карпухин, Э.А.Елисеев, Е.И.Бондаренко, Е.Н.Нартова, В.А.Пряничников. Б.И. 1996, № п.

Подписано в печать 09.09.09. Формат 60 х 84 '/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 542.

Нижегородский государственный технический университет им. Р. Е. Алексеева. Типография НГТУ. 603950, Нижний Новгород, ул. Минина, 24.

изданиях:

с. 41 - 52.

А

Введение.

Глава 1 Требования, предъявляемые в современном машиностроении к азотируемым и цементуемым сталям, предназначенным для изготовления высоконагруженных деталей машин.

1.1 Виды разрушения высоконагруженных зубчатых колес.

1.2 Цементуемые стали, их недостатки и современные требования к

1.3 Азотируемые стали, их недостатки и современные требования к

1.4 Обоснование основных требований к создаваемой стали многоцелевого назначения.

1.4.1 Выбор структурного класса сталей и анализ влияния на структуру легирующих элементов.

1.4.2 Карбидные превращения в стали при отпуске.

1.4.3 Влияние длительности отпуска на процесс формирования карбидной фазы и на характер разрушения стали.

1.4.4 Обратимая отпускная хрупкость сталей, роль примесей и легирующих элементов.

1.4.5 Влияние условий охлаждения Cr — Ni — Mo - V низкоуглеродистых сталей на склонность к образованию немартенситных продуктов превращения и сопротивление разрушению.

1.4.6 Факторы, влияющие на структуру азотированного слоя.

1.4.6.1 Влияние легирующих элементов.

1.4.6.2 Влияние предварительной термической обработки.

1.4.6.3 Способы получения глубоких азотированных слоев.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Материалы и методы исследований.

2.1 Исследуемые экспериментальные и промышленные стали.

2.2 Методы исследований.

2.2.1 Химический и спектральный анализ состава сталей.

2.2.2 Электронномикроскопические исследования тонкой фольги и реплик на просвет.

2.2.3 Рентгеноструктурные исследования.

2.2.4 Оже-спектроскопическое исследование химического состава 42 поверхностного слоя.

2.2.5 Методы определения критических точек, прокаливаемости стали, 43 исследования структуры и изломов.

2.2.6 Методы исследования механических свойств.

2.2.7 Методы определения физических свойств.

2.2.8 Испытания на контактную усталость.

2.2.9 Испытания на усталость при изгибе.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Обоснование химического состава новой высокопрочной теплостойкой стали с пределом текучести не ниже ЮООМПа.

3.1 Влияние никеля на структуру азотированного слоя экспериментальных низкоуглеродистых легированных сталей.

3.2 Влияние никеля на химический состав зернограничных областей азотированных сталей.

3 .3 Влияние никеля на процессы карбидообразования при длительном высоком отпуске.

3.4 Влияние содержания никеля на контактную долговечность низкоуглеродистых легированных сталей после азотирования.

3.5 Влияние термической обработки на механические свойства экспериментальной стали 20ХЗНЗМФБ - Ш

Выводы по главе 3.

Глава 4 Исследование физико-механических свойств промышленной стали 20ХЗНЗМФБ.

4.1 Определение критических точек стали

4.2 Исследование физических свойств стали:.

4.3 Исследование кинетики распада переохлажденного аустенита стали при непрерывном охлаждении и в изотермических условиях.

4.4 Исследование влияния скорости охлаждения с температуры аустенитизации на структуру стали.

4.5 Определение прокаливаемости стали.:.

4.6 Исследование зависимости механических свойств стали от режимов термообработки.

-44.6.1 Влияние температуры закалки на механические свойства.

4.6.2 Влияние температуры отпуска на механические свойства.

4.6.3 Влияние длительности отпуска при 540°С на твердость и ударную вязкость и структуру изломов предварительно упрочненной стали

4.7 Влияние температуры испытаний на механические свойства.

4.8 Влияние циклической объемной закалки с предварительным отпуском на величину зерна аустенита.

4.9 Исследование цементованного слоя.

4.10 Сравнительная оценка предела контактной выносливости и выносливости при изгибе азотированной стали 20ХЗНЗМФБ после азотирования с широко применяемыми азотируемыми и цементуемыми сталями.

4.11 Сравнительная оценка структурно-энергетического состояния стали 20ХЗНЗМФБ по механическим свойствам и критериям разрушения синергетики с применяемыми азотируемыми и цементуемыми сталями.

Выводы по главе 4.

Глава 5 Промышленное внедрение стали 20ХЗНЗМФБ и технико экономические результаты.

5.1 Технология горячей пластической деформации.

5.2 Технология объемной упрочняющей термической обработки.

5.3 Технология газового азотирования.

5.4 Технология газовой цементации.

5.5 Технико - экономические результаты от внедрения стали 20ХЗНЗМФБ.

Выводы по главе 5.:.

Одной из главных проблем современного машиностроения является повышение надежности и долговечности деталей машин. Как показывает статистический анализ, большинство машин (85 - 90 %) выходят из строя не из-за поломки, а в результате износа поверхностей отдельных деталей. Наиболее распространенными видами изнашивания является абразивное и под действием контактной усталости. В автомобильной промышленности 60-70% автомобильных двигателей поступает в ремонт из-за износа подшипников, валов, зубчатых передач, гильз цилиндров и других пар трения. Затраты на ремонт и техническое обслуживание машины в несколько раз превышают ее стоимость: для автомобилей в - 6 раз, для самолетов до 5 раз, для станков до 8 раз. На ремонт автомобилей, тракторов и других машин затрачивается почти в 4 раза больше производственных мощностей, чем на их изготовление [1].

Ресурс работы многих узлов современных машин в значительной степени определяется контактной усталостью, являющейся основным видом износа подшипников качения, зубчатых колес, и др. узлов, работающих при больших контактных нагрузках. Контактная выносливость является критерием работоспособности высоконагруженных деталей машин и определяет долговечность, и надежность их работы. Высоконагруженные зубчатые колеса изготавливают из легированных цементуемых сталей с твердостью упрочненного поверхностного слоя 57 - 63HRC.

Использование цементации с последующей упрочняющей термообработкой вследствие многократных высокотемпературных нагревов и охлаждений приводит к деформации деталей. Для устранения геометрических погрешностей требуется проведение дополнительного шлифования деталей. Для большинства зубчатых колес трудоемкость операции зубошлифования составляет 30 - 50* % от общей трудоемкости их изготовления. Кроме того, вследствие интенсивного тепловыделения при шлифовании могут возникнуть прижоги — дефектные участки с неоднородной структурой и твердостью. Для некоторых групп зубчатых колес процент брака при этом очень велик (например, колеса с внутренним зацеплением).

Цементованные зубчатые колеса не могут эксплуатироваться - при повышенных температурах, т.е. при температурах, превышающих температуру низкого отпуска.

Азотирование является низкотемпературным процессом, лишено недостатков, свойственных цементации, т.к. не создает сильной' деформации. Низкие температуры- процесса насыщения, используемые при азотировании, в такой степени уменьшают величину остаточной деформации этого типа деталей, что становится возможным отказ от операции зубошлифования. В результате трудоемкость механообработки снижается приблизительно на 40%. Кроме того, известно, что азотированные стали обладают в 1,5-М- раза более высокой износостойкостью и теплостойкостью, чем цементуемые. Однако, азотированные стали, не уступая по твердости цементованным сталям, имеют из-за высокой хрупкости азотированного слоя и малой толщины упрочненного слоя существенный недостаток — более низкую контактную выносливость. Эти выводы были сделаны на основе обобщения результатов экспериментальных исследований контактной выносливости азотированных, цементованных сталей, проведенных В.Н.Кудрявцевым, Р.Р.Гальпером и другими авторами [2 - 4], получивших отражение в ГОСТ 21354-87, в котором допускаемые контактные напряжения для азотированных зубчатых колес в 1,5 раза ниже, чем допускаемые напряжения для цементованных зубчатых колес, и составляют 1050МПа. В связи с этим азотирование нашло широкое применение только для мало- и средненагруженных зубчатых колес (стк^ОООМПа).

Ограничения по использованию азотирования были связаны с применением несовершенной технологии азотирования (печное азотирование) и без учета структурных особенностей азотированного слоя. В последние годы интерес к азотированию значительно возрос. Появилось большое количество публикаций по теории и практики этого процесса. Большой вклад в развитие в нашей стране этого эффективного метода упрочнения внесли Ю.М.Лахтин. Б.Н.Арзамасов, Г.Ф.Косолапов, С.А.Герасимов и др. Фундаментальные исследования, выполненные ими, позволяют вернуться к вопросу о применении азотирования для высоконагруженных деталей взамен цементации.

В машиностроении проблема замены цементованных зубчатых колес азотированными чрезвычайно актуальна. При изготовлении высоконагруженных азотируемых деталей требуется обеспечение высоких механических свойств сердцевины. При выборе марок сталей необходимо также учитывать большую длительности процесса азотирования в условиях повышенных температур (500 - 600°С), у многих сталей при этих температурах происходит снижение механических свойств сердцевины, а также усиление склонности к отпускной хрупкости. Решение указанной проблемы в целом связано с правильным выбором сталей с учетом её механических свойств в зависимости от размеров поперечного сечения заготовок, разработкой оптимальных режимов термической обработки и методов азотирования.

На машиностроительных предприятиях в условиях мелкосерийного производства при изготовлении изделий используется большое разнообразие марок сталей для улучшаемых, цементуемых и азотируемых деталей с малыми объемами потребления, что вызывает значительные технические и экономические проблемы. Из-за малой потребности в стали не обеспечивается заказная норма труб, проката, поковок, слитков. Каждая марка стали требует свой режим упрочняющей термообработки, что затрудняет комплектацию садок, увеличивает их количество,, и как следствие, трудоемкость и энергозатраты. Эти недостатки можно устранить, если сократить количество применяемых сталей.

В! связи с этим создание и внедрение в производство высокопрочной стали многоцелевого назначения с повышенной теплостойкостью и прокаливаемостью для изготовления высоконагруженных деталей, в том числе цементуемых и азотируемых, является в настоящее время актуальной задачей.

Работа выполнена в рамках конверсионной программы ОАО «Нижегородский машиностроительный завод» по освоению изготовления импортозамещающих узкозахватных очистных комбайнов нового поколения «Кузбасс - 500».

Цель работы — разработка и внедрение высокопрочной теплостойкой стали многоцелевого назначения для изготовления азотируемых и цементуемых высоконагруженных деталей машин.

Программа работы:

- обоснование химического состава стали;

- исследование структуры, физико-механических свойств и критериев разрушения синергетики стали в зависимости от температурно-временных параметров термической и химико-термической обработки;

- оценка контактной выносливости и выносливости при изгибе;

- разработка и внедрение технологии горячей пластической деформации, термической и химико-термической обработки (газового азотирования и цементауции).

Научная новизна работы:

1. Установлено влияние никеля на:

- внутризеренную структуру;

- структуру и химический состав зернограничных областей азотированного слоя;

- контактную долговечность.

2. Определены значения критических точек, физических свойств (модуля упругости; удельной теплоемкости; коэффициентов теплопроводности, температуропроводности; температурного коэффициента линейного расширения) разработанной стали.

3. Исследована кинетика распада переохлажденного аустенита стали при непрерывном охлаждении и в изотермических условиях.

4. Установлено влияние циклической объемной закалки с предварительным высоким отпуском на величину зерна аустенита.

5. Определены значения критериев разрушения синергетики новой стали в различных структурно - энергетических состояниях.

Практическая значимость:

1. Разработаны и внедрены в промышленность технические условия ТУ 0958 - 011 -08627614 - 95 «Поковки, прокат крупного сечения; блюмы (болванки обжатые), заготовки квадратные из высокопрочной стали марки 20ХЗНЗМФБ для тяжелонагруженных улучшаемых, азотируемых, цементуемых деталей».

2. Разработаны и внедрены технологии горячей пластической деформации, термической и химико-термической обработки (газового азотирования, цементации).

3.Внедрение на ОАО «НМЗ» стали многоцелевого назначения 20ХЗНЗМФБ при изготовлении очистных угольных комбайнов позволило за счет сокращения применяемых марок стали, унификации режимов термической и химико-термической обработки деталей, оптимизации маршрутных технологий и уменьшения трудоемкости за счет перевода части деталей, в том числе зубчатых колес, с цементации на азотирование получить экономический эффект ~1,2 млн. рублей на одно изделие.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Результаты исследования влияния никеля в низкоуглеродистых легированных сталях на: структуру и химический состав зернограничных областей азотированного слоя; контактную долговечность азотированного слоя.

2. Химический состав новой высокопрочной теплостойкой стали.

3. Результаты исследования зависимости физико-механических свойств и критериев разрушения синергетики разработанной стали от различных режимов термообработки, а также экспериментальной оценки её предела контактной выносливости после азотирования с широко применяемыми азотируемыми и цементуемыми сталями.

4. Технологии горячей пластической деформации, упрочняющей объемной термической обработки, газового азотирования и цементации.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что никель оказывает положительное влияние на структуру азотированного слоя в низкоуглеродистых легированных сталях. В сталях с содержанием никеля ~ 3,0% его концентрация в зернограничной области достигает 10-15 %, а концентрация азота снижается в ~ 2 раза, что уменьшает охрупчивание азотированного слоя и, как следствие этого, приводит к повышению контактной долговечности (N50) в ~ 8 раз (с N5o ~ 8 млн.циклов до N50 ~ 64 млн. циклов).

2. Доказано, что в сталях с содержанием никеля -3% дисперсность нитридных частиц в 2—3 раза выше по сравнению с безникелевыми сталями.

3. Разработана в соавторстве высокопрочная теплостойкая сталь мартенситного класса 20ХЗНЗМФБ, характеризующаяся:

- значением критических точек: ACi = 730-750°С; Мн = 360-370°С

Асз = 780-800°С; Мк = 250~70°С;

- высокой устойчивостью аустенита в перлитной и бейнитной областях;

- критической скоростью охлаждения при закалке, равной 160 град /мин;

- прокаливаемостью до 100 мм при твердости 44—46 HRC (охлаждение в воде, масле); 42-45 HRC (охлаждение на воздухе);

- стабильностью высоких прочностных и пластических свойств при закалке от температур 830-980°С;

- высокой отпускоустойчивостью до 580°С с обеспечением предела текучести а0,2 > 1000 МПа;

4. Установлены закономерности изменения механических свойств, структуры стали, критериев разрушения синергетики в зависимости от режимов термической и химико-термической обработки, определены количественные значения физических характеристик стали.

5. Разработаны ТУ 0958-011-08627614-95 «Поковки, прокат круглого сечения, блюмы (болванки обжатые), заготовки квадратные из высокопрочной стали марки 20X3 НЗ МФБ для тяжелонагруженных улучшаемых, азотируемых и цементуемых деталей».

6. Разработаны и внедрены технологии:

- горячей пластической деформации (ковка, штамповка);

-термической, в том числе предварительной термической обработки, обеспечивающей получение в кованных заготовках сложной формы однородного по размеру мелкого зерна аустенита № 10-9' ГОСТ 5639 и высокий уровень механических свойств (о 0,2 >Ю00МПа) после отпуска при температуре 540°С в течение 40ч; -газовой цементации, обеспечивающей после упрочняющей термической обработки значение предела текучести сердцевины су0,2 >1200МПа, твердости слоя не менее 58HRC, содержание остаточного аустенита в слое 3-7 %;

- газового азотирования, обеспечивающего высокую работоспособность деталей в условиях контактной усталости. Азотирование деталей из стали 20ХЗНЗМФБ по двухступенчатому режиму 500°С, 20ч+ 540°С, 40ч при глубине диффузионного слоя 0,6.0,7мм и твердости слоя ~ HV 8700МПа обеспечивает получение предела контактной выносливости, равного 2400МПа, и предела выносливости при изгибе — 850МПа, что соизмеримо со значениями этих характеристик цементуемой стали 18Х2Н4В - Ш.

7. Экономическая эффективность от внедрения на ОАО «НМЗ» новой стали многоцелевого назначения при изготовлении очистных угольных комбайнов за счет сокращения применяемых марок стали, унификации режимов термической и химико-термической обработки деталей, оптимизации маршрутных технологий и уменьшения трудоемкости за счет перевода деталей с цементации на азотирование составляет ~ 1,2 млн. руб. на одно изделие.

- 132

1. Проников А.С. Надежность машин. М. Машиностроение, 1978. - 590 с.

2. Кудрявцев В.Н. Повышение несущей способности механического привода. Под. ред. В.Н. Кудрявцева Л. Машиностроение, 1973. - 224 с.

3. Кудрявцев В.Н., Державец Ю.Н., Глухарев Е.Г. Конструкция и расчет зубчатых редукторов. Л. Машиностроение, 1971. - 328 с.

4. Гальпер P.P. Контактная прочность зубчатых передач с поверхностным упрочнением. Л. Машгиз, 1964. - 23 с.

5. Пинегин С.В., Гудзенко В.М. О механизме разрушения материала под действием контактной циклической нагрузки. — В кн.: Прочности материалов при циклических нагрузках. М. Наука, 1967. — с. 133-139.

6. Мороз Л.С., Шураков С.С. Проблемы прочности цементованной стали. — Л. Минтрансмаш, 1948.

7. Курдюмов Г.В., Утевский Л.М., Энтин Р.И. Превращение в железе и стали. -М.Наука,1977. с. 182-222.

8. Клейнер Л.М., Коган Л.И., Косматенко И.Е. и др. Малоуглеродистые конструкционные стали со структурой мартенсита. Бюлл. ЦНИИинформации черной металлургии, 1974, № 4 (20) — с.3-8.

9. Клейнер Л.М., Коган Л.И., Энтин Р.И. ФММ, 1972, т. 33, в. 4. - с. 824-830.

10. Коган Л.И., Клейнер Л.М., Энтин Р.И. ФММ, 1976, т. 41, в. 1. - с.118-124.

11. Энтин Р.И., Клейнер Л.М., Коган Л.И., Пиликина Л.Д. Металлы. Изв. АН СССР, 1977.-с. 114-120.

12. Курдюмов Г.В. Явление закалки и отпуска сталей. Металлургиздат, 1960.

13. Вылежнев В.П., Сарак В.И., Энтин Р.И. ФММ, 1971, т. 31, в. 1. - с. 152.

14. Перкас М.Д., Кардонский В.М. Высокопрочные мартенситностареющие стали. -М. Металлургия, 1970.

15. Энтин Р.И. Превращения аустенита в стали. М. Металлургиздат, 1960.

16. Шварцман Л.А., Томилин И.И., Могутнов Б.М. Термодинамика железоуглеродистых сплавов. -М. Металлургия, 1972.

17. Энтин Р.И., Клейнер Л.М., Коган Л.И., Пиликина Л.Д. Низкоуглеродистые мартенситные стали. Изв. АН СССР. Металлы, 1979, № 3. - с.114.

18. Метельников Н.П., Гладштейн Л.И., Энтин Р.И. и др. Низкоуглеродистая мартенситная хромоникельмолибденовая сталь. — Изв. АН ССС. Металлы, 1988 №2.-с. 112.

19. Гладштейн Л.И., Энтин Р.И., Литвиненко Д.А. Коган Л.И. и др. Низкоуглеродистая свариваемая мартенситная сталь с малыми добавками ванадия и азота. — Изв. АН СССР. Металлы, 1987, № 3. с.88.2023,2425,26,27,28,29,30,31,32,33.