СТАЛЬ ДЛЯ ВЫСОКОПРОЧНОГО БОЛТА И ВЫСОКОПРОЧНЫЙ БОЛТ Российский патент 2020 года по МПК C22C38/34 F16B35/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Настоящее изобретение относится к стали для высокопрочного болта, и к высокопрочному болту. Более конкретно, настоящее изобретение относится к стали для высокопрочного болта с высоким сопротивлением замедленному разрушению, и к высокопрочному болту, который сформирован с использованием этой стали.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] Была предложена сталь для механических конструкций с высокой прочностью и высоким сопротивлением замедленному разрушению, которая также имеет хорошую пригодность для повторного использования благодаря простому составу и не требует сложной термической обработки (смотри Патентный Документ 1).

[0003] Сталь для механической конструкции имеет состав в мас.%, С: от 0,2% до 0,7%, Si: от 0,2% до 2,55%, Mn: от 0,05% до 1,0%, Cr: от 0,2% до 1,5%, Mo: от 0,3% до 1,5%, и остальное количество из Fe и неизбежных примесей, в которой совокупное количество легирующих элементов удовлетворяет выражению Si+Mn+Cr+Mo≤5 мас.%. Сталь для механической конструкции подвергается отпуску при температуре в диапазоне от 500°С до А_е1, при условии параметра λ отпуска, λ=Т(20+logt)≥ 15800 (причем Т - температура (К), и t - время (часы)). Сталь для механической конструкции имеет предел прочности при растяжении 1800 МПа или более.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Патентная литература

[0004] Патентный Документ 1: JP 2003-73769А

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Техническая проблема

[0005] Однако проблема с болтом, который сформирован с использованием стали для механической конструкции, описанной в Патентном Документе 1, заключается в том, что он не вполне удовлетворяет требованию в отношении дополнительного повышения сопротивления замедленному разрушению.

[0006] Настоящее изобретение было создано с учетом указанной проблемы предшествующего уровня техники. Поэтому цель настоящего изобретения состоит в создании стали для высокопрочного болта с высоком сопротивлением замедленному разрушению, и высокопрочного болта, который сформирован с использованием этой стали.

Разрешение проблемы

[0007] Авторы настоящего изобретения провели обстоятельное исследование, чтобы достигнуть вышеописанной цели. В результате они установили, что вышеописанная цель может быть достигнута с использованием стали для высокопрочного болта, имеющей предварительно заданный состав, и тому подобное. Тем самым было создано настоящее изобретение.

[0008] То есть, сталь для высокопрочного болта согласно настоящему изобретению содержит от 0,50 мас.% до 0,65 мас.% углерода, от 1,5 мас.% до 2,5 мас.% кремния, 1,0 мас.% или более хрома, 0,4 мас.% или менее марганца, более 1,5 мас.% молибдена, 0,03 мас.% или менее в совокупности фосфора и серы, и остальное количество из железа и неизбежных примесей.

[0009] Высокопрочный болт согласно настоящему изобретению формируют с использованием вышеописанной стали для болта согласно настоящему изобретению.

Преимущественные результаты изобретения

[0010] В настоящем изобретении сталь для высокопрочного болта содержит от 0,50 мас.% до 0,65 мас.% углерода, от 1,5 мас.% до 2,5 мас.% кремния, 1,0 мас.% или более хрома, 0,4 мас.% или менее марганца, более 1,5 мас.% молибдена, 0,03 мас.% или менее в совокупности фосфора и серы, и остальное количество из железа и неизбежных примесей.

Поэтому возможно создание стали для высокопрочного болта с высоким сопротивлением замедленному разрушению, и высокопрочного болта, который сформирован с использованием этой стали.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖА

[0011] ФИГ. 1 представляет вид в частичном разрезе одного примера поршневого двигателя с многорычажным кривошипно-шатунным механизмом.

ФИГ. 2 представляет схематический вид в разрезе одного примера нижнего шарнира (коромысла) по ФИГ. 1.

ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0012] Далее будут подробно описаны сталь для высокопрочного болта и высокопрочный болт, который сформирован с использованием стали согласно настоящему изобретению.

[0013] Первый вариант осуществления

Сначала будет подробно описана сталь для высокопрочного болта согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения. Сталь для высокопрочного болта согласно варианту осуществления содержит от 0,50 мас.% до 0,65 мас.% углерода, от 1,5 мас.% до 2,5 мас.% кремния, 1,0 мас.% или более хрома, 0,4 мас.% или менее марганца, более 1,5 мас.% молибдена, 0,03 мас.% или менее в совокупности фосфора и серы, и остальное количество из железа и неизбежных примесей.

Эта конфигурация позволяет получить болт с высоким сопротивлением замедленному разрушению и высокой прочностью. Кроме того, болт, который сформирован с использованием этой стали, имеет высокое сопротивление замедленному разрушению и высокую прочность.

[0014] Углерод (С): от 0,50 мас.% до 0,65 мас.%

Когда содержание углерода составляет менее 0,50 мас.%, устойчивость к размягчению при отпуске является недостаточной. Поскольку описываемый ниже высокотемпературный отпуск не может быть выполнен, не достигается высокое сопротивление замедленному разрушению.

Когда содержание углерода превышает 0,65 мас.%, значительно возрастает количество цементита, который захватывает водород. Соответственно этому, не достигается высокое сопротивление замедленному разрушению.

[0015] Кремний (Si): от 1,5 мас.% до 2,5 мас.%

Когда содержание кремния составляет менее 1,5 мас.%, является недостаточной устойчивость к размягчению при отпуске. Поскольку описываемый ниже высокотемпературный отпуск не может быть выполнен, не достигается высокое сопротивление замедленному разрушению.

Когда содержание кремния составляет более 2,5 мас.%, значительно ухудшается ковкость. Соответственно этому, невозможно изготовить заданный болт.

[0016] Хром (Cr): 1,0 мас.% или более

Когда содержание хрома составляет менее 1,0 мас.%, недостаточна устойчивость к размягчению при отпуске. Поскольку описываемый ниже высокотемпературный отпуск не может быть выполнен, не достигается высокое сопротивление замедленному разрушению. Содержание хрома предпочтительно является равным или меньшим 1,4 мас.%, но не является конкретно ограниченным.

[0017] Марганец (Mn): 0,4 мас.% или менее

Когда содержание марганца составляет более 0,4 мас.%, стимулируется межзеренная сегрегация склонного к межзеренной сегрегации компонента, и тем самым существенно снижается прочность межзеренного сцепления. Соответственно этому, не достигается высокое сопротивление замедленному разрушению. Содержание марганца предпочтительно равно или превышает 0,2 мас.%, хотя не является конкретно ограниченным, пока оно превышает 0 мас.%.

[0018] Молибден (Mo): более 1,5 мас.%

Когда содержание молибдена составляет менее 1,5 мас.%, не образуется в достаточном количестве карбид на основе молибдена, который нейтрализует водород. Соответственно этому, не достигается высокое сопротивление замедленному разрушению. Содержание молибдена предпочтительно составляет 1,65 мас.% или менее, хотя не является конкретно ограниченным.

[0019] Фосфор и сера в совокупности (Р+S): 0,03 мас.% или менее

Когда общее содержание фосфора и серы составляет более 0,03 мас.%, значительно ухудшается прочность межзеренного сцепления вследствие межзеренной сегрегации. Соответственно этому, не достигается высокое сопротивление замедленному разрушению. Общее содержание фосфора и серы предпочтительно является равным или меньшим, чем 0,02 мас.%, хотя не является конкретно ограниченным.

[0020] Второй вариант осуществления

Далее будет подробно описан высокопрочный болт согласно второму варианту осуществления настоящего изобретения. Высокопрочный болт согласно этому варианту исполнения сформирован с использованием стали для высокопрочного болта согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. С этой конфигурацией достигаются высокое сопротивление замедленному разрушению и высокая прочность.

[0021] Например, высокопрочный болт может быть изготовлен холодной штамповкой, и затем прокаткой описанной ранее стали для высокопрочного болта, и после этого выполнением термической обработки, которая включает закалку при температуре 920°С или более, и отпуск при температуре 570°С или более. Однако изготовление не является конкретно ограниченным. Высокопрочный болт также может быть изготовлен, даже когда изменяется порядок осуществления прокатки и термической обработки (закалки и отпуска).

Например, высокотемпературный отпуск при температуре 570°С или более обусловливает сфероидизацию и диспергирование с измельчением межзеренного цементита, что может улучшить прочность межзеренного сцепления.

[0022] В этом варианте осуществления предпочтительно, чтобы болт имел на поверхности одно или оба из железофосфатного покрытия и хромового плакирующего покрытия.

Создание такого покрытия на поверхности может дополнительно повысить сопротивление замедленному разрушению.

[0023] Один пример высокопрочного болта согласно этому варианту исполнения будет описан более подробно со ссылкой на чертежи. ФИГ. 1 представляет вид в частичном разрезе одного примера поршневого двигателя с многорычажным кривошипно-шатунным шатунным механизмом (англ. multi-link). ФИГ. 2 представляет схематический вид в разрезе одного примера нижнего шарнира (коромысла) в ФИГ. 1.

[0024] Как иллюстрировано в ФИГ. 1, поршневой двигатель 100 включает верхний шатун 103, соединенный с поршневым пальцем 102 поршня 101, нижний шарнир или коромысло 106, который соединяет верхний шатун 103 с шатунной шейкой 105 коленчатого вала 104, и регулировочный рычаг 107, который с возможностью поворота опирается одним концом на двигатель 100, и другим концом соединяется с коромыслом 106. Верхний шатун 103 и нижний шарнир 106 с возможностью вращения соединены друг с другом верхним пальцем 108. Регулировочный рычаг 107 и нижний шарнир 106 с возможностью вращения соединены друг с другом регулировочным пальцем 109.

[0025] Нижний шарнир 106 принимает воспринятое поршнем 101 давление сгорания от верхнего пальца 108 через верхний шатун 103, и передает усилие на шатунную шейку 105 как поворотное движение на регулировочном пальце 109. Соответственно этому, большое давление сгорания, воспринятое поршнем 101, и инерционная нагрузка поршня 101, передаются на нижний шарнир 106 от подшипника 108а верхнего шатуна через поршневой палец 102, верхний шатун 103 и верхний палец 108. В то же время подшипник 105а шатунной шейки коленчатого вала и подшипник 109а регулировочного пальца также подвергаются такой нагрузке, которая уравновешивает подводимую нагрузку. Этим путем каждый из подшипников (108а, 105а, 109а) подвергается воздействию более высокого давления на сопряжении поверхностей, по сравнению с типичным поршневым двигателем с кривошипно-шатунным механизмом.

[0026] Поэтому для нижнего шарнира требуется более высокая прочность. Кроме того, также желательно снизить размер и вес нижнего шарнира по соображениям улучшения эффективности использования топлива.

[0027] Как иллюстрировано в ФИГ. 2, конструкция нижнего шарнира 106 типично является такой, что разъемные детали 106А, 106В нижнего шарнира скрепляются друг с другом высокопрочными болтами 1. Чтобы достигнуть вышеописанной работоспособности, необходимой для нижнего шарнира, высокопрочные болты должны иметь высокое сопротивление замедленному разрушению. Высокопрочный болт согласно этому варианту исполнения особенно пригоден для скрепления таких деталей нижнего шарнира, хотя применимость не является конкретно ограниченной. Позиции 108а, 105а, 109а представляют собой подшипники.

ПРИМЕРЫ

[0028] Далее настоящее изобретение будет описано более подробно на примерах.

[0029] Примеры 1-8, Сравнительные Примеры 1-8

Высокопрочные болты примеров и Сравнительных Примеров были изготовлены холодной штамповкой и затем прокаткой соответствующих сталей для высокопрочного болта, имеющих перечисленные в Таблице 1 составы, и после этого выполнением термической обработки, которая включает закалку при температуре 920°С или более, и отпуск при температуре 570°С или более.

[0030]

Таблица 1

Состав (мас.%) Результаты испытания С Si Cr Mn Mo Р S Р+S Тест 1 Тест 2 Пример 1 0,60 1,6 1,2 0,3 1,6 0,01 0,005 0,015 OK OK Пример 2 0,59 1,5 1,3 0,3 1,8 0,01 0,005 0,015 OK OK Пример 3 0,58 1,7 1,0 0,3 1,9 0,02 0,005 0,025 OK OK Пример 4 0,57 2,0 1,2 0,3 1,51 0,015 0,015 0,030 OK OK Пример 5 0,59 2,5 1,0 0,3 1,55 0,02 0,010 0,030 OK OK Пример 6 0,60 2,2 1,6 0,35 1,8 0,01 0,005 0,015 OK OK Пример 7 0,65 1,7 1,4 0,3 1,7 0,02 0,005 0,025 OK OK Пример 8 0,50 1,9 1,6 0,3 2,2 0,01 0,020 0,030 OK OK Сравнительный Пример 1 0,49 1,7 1,2 0,2 1,7 0,01 0,005 0,015 NG - Сравнительный Пример 2 0,66 1,6 1,5 0,3 1,6 0,01 0,005 0,015 NG - Сравнительный Пример 3 0,52 1,4 1,3 0,3 1,7 0,01 0,005 0,015 NG - Сравнительный Пример 4 0,53 2,6 1,6 0,3 1,8 0,01 0,005 0,015 OK NG Сравнительный Пример 5 0,53 1,6 0,9 0,3 1,6 0,01 0,005 0,015 NG - Сравнительный Пример 6 0,51 1,7 1,2 0,5 1,8 0,01 0,005 0,015 NG - Сравнительный Пример 7 0,55 1,7 1,4 0,3 1,5 0,01 0,005 0,015 NG - Сравнительный Пример 8 0,58 1,6 1,1 0,3 1,6 0,025 0,010 0,035 NG -

[0031] Оценка работоспособности

Оценка сопротивления замедленному разрушению

Болты Примеров и Сравнительных Примеров были погружены в соляную кислоту на заданное время. Проводилось обследование, разрушались ли болты. Результаты показаны в Таблице 1 как результаты Теста 1. В разделе Тест 1 «OK» представляет, что болт не разрушался, и «NG» представляет, что болт разрушался.

[0032] Оценка предела прочности при растяжении

Предел прочности при растяжении болтов примеров и Сравнительных Примеров оценивался в испытании на растяжение. Было подтверждено, что болты примеров и Сравнительных Примеров имели предел прочности при растяжении 1500 МПа или более.

[0033] Оценка формуемости

Для испытания было фактически изготовлено заданное число болтов, и проводилось обследование, разрушался ли или изнашивался штамп. Результаты показаны в Таблице 1 как результаты Теста 2. В разделе Тест 2 «OK» представляет, что штамп ни разрушался, ни изнашивался, и «NG» представляет, что штамп разрушался или изнашивался. Тест 2 проводился только для Примеров и Сравнительных Примеров, которые были «OK» в Тесте 1.

[0034] Как можно видеть в Таблице 1, примеры от Примера 1 до Примера 8, которые находятся в пределах настоящего изобретения, представляют собой высокопрочные болты с высоким сопротивлением замедленному разрушению. Напротив, не соответствующие изобретению примеры в Сравнительных Примерах 1-3 и 5-8 являются худшими в отношении сопротивления замедленному разрушению. Кроме того, Сравнительный Пример 4 имеет существенно худшую штампуемость, и поэтому неприменим в качестве стали для высокопрочного болта.

[0035] В то время как настоящее изобретение описано в нескольких вариантах осуществления и примерах, настоящее изобретение этим не ограничивается, и разнообразные изменения могут быть сделаны в пределах признаков настоящего изобретения.

[0036] Например, конфигурации, описанные в вышеуказанных вариантах осуществления и примерах, не ограничиваются индивидуальными вариантами осуществления и примерами. Например, могут быть изменены состав, конкретные условия изготовления, присутствие или отсутствие покрытия. Кроме того, комбинация конфигурации одного варианта осуществления или одного примера может быть изменена за пределы комбинаций вышеописанных вариантов осуществления и примеров.

[0037] Кроме того, вышеописанный вариант осуществления иллюстрирует один пример, в котором высокопрочный болт применяется для нижнего шарнира двигателя с многорычажным кривошипно-шатунным механизмом. Однако применимость этим не ограничивается, и должно быть понятно, что болт может быть использован для других целей.

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

[0038]

1 Высокопрочный болт

100 Поршневой двигатель

101 Поршень

102 Поршневой палец

103 Верхний шатун

104 Коленчатый вал

105 Шатунная шейка коленчатого вала

105а Подшипник шатунной шейки

106 Нижний шарнир/Коромысло

106А, 106В Детали нижнего шарнира

107 Регулировочный шатун

108 Верхний палец

108а Подшипник верхнего пальца

109 Регулировочный палец

109а Подшипник регулировочного пальца

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стали для изготовления высокопрочных болтов. Сталь содержит, мас.%: от 0,50 до 0,65 углерода, от 1,5 до 2,5 кремния, от 1,0 до 1,6 хрома, 0,4 или менее марганца, от более 1,5 до 2,2 молибдена, 0,03 или менее в совокупности фосфора и серы, железо и неизбежные примеси – остальное. В структуре стали присутствует сфероидизированный и диспергированный межзеренный цементит. Обеспечивается высокое сопротивление замедленному разрушению, а изготавливаемые болты имею предел прочности при растяжении 1500 МПа или более. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 8 пр.

1. Сталь для высокопрочного болта, содержащая, мас.%:

от 0,50 до 0,65 углерода,

от 1,5 до 2,5 кремния,

от 1,0 до 1,6 хрома,

0,4 или менее марганца,

от более 1,5 до 2,2 молибдена,

0,03 или менее в совокупности фосфора и серы,

железо и неизбежные примеси - остальное, и

содержащая сфероидизированный и диспергированный межзеренный цементит.

2. Высокопрочный болт, который сформирован с использованием стали для высокопрочного болта по п.1, при этом болт имеет предел прочности при растяжении 1500 МПа или более.

3. Высокопрочный болт по п.2, имеющий железофосфатное покрытие и/или хромовое плакирующее покрытие на поверхности.

4. Сталь для высокопрочного болта по п.1, содержащая 1,4 мас.% или менее хрома.

5. Сталь для высокопрочного болта по п.1, содержащая более 0 мас.% марганца.

6. Сталь для высокопрочного болта по п.1, содержащая 0,2 мас.% или более марганца.

7. Сталь для высокопрочного болта по п.1, содержащая 1,65 мас.% или менее молибдена.

8. Сталь для высокопрочного болта по п.1, содержащая 0,02 мас.% или менее в совокупности фосфора и серы.

9. Сталь для высокопрочного болта по п.1, содержащая от 0,015 до 0,03 мас.% в совокупности фосфора и серы.