СПЛАВ, ИЗДЕЛИЕ И СООТВЕТСТВУЮЩИЕ СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК C22C37/04 

Настоящее изобретение относится к чугунному сплаву со сферическим графитом.

Из уровня техники известны зубчатые шестерни, которые, например, используют для передачи движения дробилке. Эти шестерни выполнены из чугуна со сферическим графитом или из стали.

В уровне техники зубчатые шестерни из чугуна со сферическим графитом рассчитывают по стандарту AGMA 6014 (соответственно 6114) или по стандарту ISO 6336.

В соответствии со стандартом ISO 6336 допустимые максимальные напряжения приводятся в виде кривых в части 5 этого стандарта, кривых σ_Hlim (напряжение при давлении) и σ_flim (напряжение при изгибе основания зубца) в зависимости от твердости. Чем выше твердость, тем выше допустимые максимальные напряжения и, следовательно, больше передающая мощность шестерни.

На кривых, приведенных в ISO 6336, диапазон твердости достигает 300 НВ, полученные сорта соответствуют стандарту EN 1563 - сорта чугуна со сферическим графитом, - в котором принимают во внимание только сорта с ферритной, перлитной и/или мартенситной отпущенной матрицей.

Для вычислений по стандартам AGMA 6014 (соответственно 6114) ссылки делаются на стандарты материала ASTM A536 и ISO 1038. Кривые, показывающие допустимые напряжения в зависимости от твердости, приведены примерно до 340 НВ. Но для высокой твердости в стандартах существуют соответствующие сорта.

Современные сорта чугуна позволяют получать зубчатые шестерни в лучшем случае с твердостью 320 НВ. При очень высокой мощности они достигают предела их использования, и в настоящее время единственное решение заключается в изменении материала путем перехода к фасонной стали. Твердость 320 НВ современного чугуна получают путем закаливания с последующим отпуском.

Также существуют сорта в соответствии с EN 1564 - сорта чугуна со сферическим графитом, полученные ступенчатой закалкой, называемые чугунами ADI, для которых значения σ_Hlim и σ_flim также определяют в зависимости от диапазона твердости. Ступенчатую закалку осуществляют в соляной ванне. Для получения зубчатых шестерен нужны баки большого размера.

Цель изобретения заключается в том, чтобы обеспечить изготовление изделия из чугуна с большой передающей мощностью. В частности, объектом изобретения является изготовление изделия из чугуна, такого как зубчатая шестерня, в частности, большого размера, из чугуна со сферическим графитом.

Задача заключается в том, чтобы получать сорт сплава, который обладает этими критериями, в частности простыми и экономичными средствами термической обработки.

С этой целью объектом изобретения является сплав, такой как указан в пункте 1 формулы изобретения.

В соответствии с частными вариантами осуществления сплав имеет одну или несколько характеристик, указанных в пунктах 2-8 формулы изобретения.

Объектом изобретения также является изделие, которое изготовлено из сплава, такого, как описан выше, и которое определено в пунктах 9 и 10 формулы изобретения.

Изобретение также относится к способам изготовления изделия, которые определены в пунктах 11-13 формулы изобретения.

Изобретение будет более понятно из описания, приведенного ниже исключительно в качестве примера.

Объектом изобретения является чугунный сплав со сферическим графитом. Он позволяет получать высокие показатели твердости и, следовательно, высокие допустимые напряжения, в частности, деталей большого размера.

Изделие, например, представляет собой зубчатое колесо или зубчатую шестерню. Изделием предпочтительно является изделие большого размера, а именно имеющее наибольший размер не менее 2000 мм. Предпочтительно изделие имеет внешний диаметр по меньшей мере 2000 мм, или по меньшей мере 3000 мм, или по меньшей мере 6000 мм. Толщина по оси, главным образом ширина зубчатого венца, самая широкая часть изделия, составляет, например, по меньшей мере 150 мм, или по меньшей мере 250 мм, или по меньшей мере 550 мм. Толщина обода зубчатой шестерни по изобретению составляет по меньшей мере 80 мм, или по меньшей мере 120 мм, или по меньшей мере 150 мм, и модуль составляет по меньшей мере 10, или по меньшей мере 16, или по меньшей мере 22, или по меньшей мере 25.

Предпочтительно высокая твердость достигается путем термической обработки отпуском. Твердость зависит от состава сплава и, возможно, разных термических обработок, которым изделие подвергается в процессе его производства, независимо от того, происходит ли это во время охлаждения после отливки или при последующих помещениях в печь.

Все показатели приведены далее в массовых % от общей массы.

Первым аспектом изобретения является химический состав сплава.

Сплав представляет собой чугун со сферическим графитом.

В его основной состав входит железо, добавки и неизбежные примеси. Добавками являются углерод (С), кремний (Si) и магний (Mg). Остальным составляющим сплав элементом является, следовательно, железо (Fe).

Кроме основного состава сплав главным образом содержит от 3,5 до 7% никеля (Ni), от 0,5 до 3% меди (Cu) и от 0,15 до 1% молибдена (Mo).

Дополнительно сплав может содержать до 1% или до 0,8% марганца (Mn).

Дополнительно сплав может содержать до 0,4% хрома (Cr).

Дополнительно сплав может содержать от 2,5 до 4% углерода (С) и от 1,5 до 4,4% кремния (Si).

Содержание никеля (Ni) в сплаве может составлять по меньшей мере 3,5%, 4%, 4,1%, 4,2%, 4,3%, 4,4%, 4,5% или 4,8% и не более 7%, 6,5%, 6% или 5,8%.

Содержание молибдена (Мо) может составлять от по меньшей мере 0,15, 0,25 или 0,3 до не более 1%, 0,8% или 0,5%.

Содержание меди (Cu) может составлять от по меньшей мере 0,5, 1 или 1,5 до не более 3%, 2,5% или 2,2%.

Следует отметить, что нижние и верхние пределы содержания, указанные выше, не зависят одни от других. Содержание никеля может, например, составлять от 4,4 до 7%.

Содержание углерода (С) может составлять от 3 до 3,6%.

Содержание кремния (Si) может составлять от 1,8 до 2,4%.

Содержание хрома (Cr) может быть меньше 0,2%.

Содержание марганца (Mn) может быть выше 0,2%.

Сплав по изобретению может состоять из указанных выше элементов, при этом марганец (Mn), и/или хром (Cr), и/или фосфор (P), и/или сера (S) является/являются одним или несколькими элементами по выбору или присутствуют в виде следов.

В примере сплав содержит кроме железа (Fe) и неизбежных примесей следующие элементы в указанных пределах:

C Si Ni Mo Cu Mn Cr Mg P S Мин. 2,5 1,5 3,5 0,15 0,5 0,02 Макс. 4 4,4 7 1 3 1 0,4 0,1 0,04 0,015

В качестве примера твердость сплава, которая может быть получена по изобретению, указана ниже в зависимости от химического состава, кроме базовой композиции:

Ni Mo Cu C Si Mn HB 320 4,3-5,6 0,3-0,45 1,5-2 3,3-3,45 1,8-2 0,3-0,6 HB 330 4,6-5,9 0,3-0,45 1,5-2 3,3-3,45 1,8-2 0,3-0,6 HB 340 4,7-6 0,3-0,45 1,5-2 3,3-3,45 1,8-2 0,3-0,6 HB 350 4,8-6,1 0,35-0,5 1,5-2 3,3-3,45 1,8-2 0,3-0,6 HB 360 4,9-6,2 0,35-0,5 1,5-2 3,3-3,45 1,8-2 0,3-0,6

Вторым аспектом изобретения является способ изготовления изделия из сплава по изобретению.

Прежде всего, изделие отливают в форме.

После отливки изделия его подвергают охлаждению, в частности медленному охлаждению в форме, в частности, до комнатной температуры (<50°С). Затем изделие подвергают термической обработке. Термин «медленный» означает меньше 100°С/ч, 80°С/ч или 50°С/ч. Медленное охлаждение предпочтительно происходит в процессе всего охлаждения.

Термическая обработка заключается в отпуске. Это термическая обработка в массе, она обеспечивает желаемую и указанную выше твердость по всей толщине изделия. Таким образом, твердость распространяется не только на несколько миллиметров от поверхности.

Затем изделие обрабатывается, в частности, на токарном станке, и в случае зубчатой шестерни вырезаются зубья.

Твердость НВ сплава по изобретению и, в частности, чугуна со сферическим графитом, составляет от 320 до 400 НВ. Изделие из этого сплава позволяет таким образом передавать очень высокие мощности.

Полученная металлографическая структура сплава состоит из 90% узелков типа VI или V (в соответствии с EN ISO 945-1) и бейнитной матрицы, которая может содержать остаточный аустенит (до 10%), карбиды (до 5%), мартенсит отпуска (до 5%) и перлит (до 20%).

Характеристики, полученные по отлитому образцу, следующие:

Толщина (мм) Механические свойства Образец Предел прочности (МПа) Предел упругости 0,2 мин (МПа) Растяжение мин (%) Предельное сопротивление износу в основании зубца σ_Flim (Н/мм²) Предельное сопротивле-ние износу профиля зубца σ_Hlim (Н/мм²) Образец 1(тип НВ320) ≥80 850 570 1 256-330 730-840 Образец 2(тип НВ330) ≥80 860 580 1 259-306 745-855 Образец 3(тип НВ340) ≥80 880 600 1 263-310 760-870 Образец 4(тип НВ350) ≥80 890 610 1 267-314 775-885 Образец 5(тип НВ360) ≥80 910 630 1 271-318 790-900

Значения предельного сопротивления износу приведены для расчета в соответствии с ISO 6336.

Изобретение относится к чугунному сплаву со сферическим графитом и может быть использовано для изготовления зубчатых колес и зубчатых шестерен. Чугун со сферическим графитом содержит, в мас.%: углерод от 2,5 до 4, кремний от 1,5 до 4,4, магний от 0,02 до 0,1, никель от 3,5 до 7, медь от 0,5 до 3, молибден от 0,15 до 1, железо и неизбежные примеси - остальное. Изобретение направлено на изготовление изделий из чугуна с большой передающей мощностью. 3 н. и 6 з.п. ф-лы, 3 табл.

1. Чугун со сферическим графитом, содержащий, в мас.%:

углерод (С) от 2,5 до 4,

кремний (Si) от 1,5 до 4,4,

магний (Mg) от 0,02 до 0,1,

никель (Ni) от 3,5 до 7,

медь (Cu) от 0,5 до 3,

молибден (Мо) от 0,15 до 1,

железо (Fe) и неизбежные примеси - остальное.

2. Чугун по п. 1, который дополнительно содержит марганец (Mn) ≤1%, преимущественно ≤0,8%.

3. Чугун по п. 1 или 2, который дополнительно содержит хром (Cr) <0,4%, и/или фосфор (Р) <0,4%, и/или серу (S) <0,015%.

4. Чугун по п. 1, в котором нижний предел содержания никеля (Ni) составляет по меньшей мере 3,5 мас.%, 4 мас.%, 4,1 мас.%, 4,2 мас.%, 4,3 мас.%, 4,4 мас.%, 4,5 мас.% или 4,8 мас.%, а верхний предел его содержания составляет не более 7 мас.%, 6,5 мас.%, 6 мас.% или 5,8 мас.%.

5. Чугун по п. 1, в котором нижний предел содержания меди (Cu) составляет по меньшей мере 0,5 мас.%, 1 мас.% или 1,5 мас.%, а верхний предел - не более 3 мас.%, 2,5 мас.% или 2,2 мас.%.

6. Чугун по п. 1, в котором нижний предел содержания молибдена (Мо) составляет по меньшей мере 0,15 мас.%, 0,25 мас.% или 0,3 мас.%, а верхний предел - не более 1 мас.%, 0,8 мас.% или 0,5 мас.%.

7. Изделие из чугуна, в частности

зубчатое колесо или зубчатая шестерня, отличающееся тем, что оно выполнено из чугуна по любому из пп. 1-6.

8. Изделие по п. 7, отличающееся тем, что наибольший размер изделия составляет по меньшей мере 2000 мм.

9. Способ получения изделия по п. 7 или 8, включающий следующие стадии:

- отливку заготовки в форме,

- охлаждение литой заготовки в форме со скоростью меньше 100°С/ч, 80°С/ч или 50°С/ч с получением изделия,

- отпуск полученного изделия.