Влияние микролегирования молибденом и ниобием на свойства цементируемых сталей

Тяжелонагруженные зубчатые колеса трансмиссий, используемые в машиностроении, подвергаются значительным нагрузкам, что приводит к их износу и усталости. Для повышения долговечности таких деталей необходимы стали с улучшенными механическими свойствами и стабильной мелкозернистой структурой. В данной статье рассматривается влияние микролегирования молибденом и ниобием на прокаливаемость и механические свойства цементируемых сталей 20ХН3А и 20ХГНМ.

________________________________________________________________________________________________________________________

Цель исследования

Основной целью исследования была разработка новой цементируемой стали с пониженным содержанием никеля, которая могла бы заменить серийную сталь 20ХН3А. Новая сталь должна была обладать стабильной мелкозернистой структурой, повышенной прочностью и устойчивостью к нагрузкам.

________________________________________________________________________________________________________________________

Методика исследования

Исследования проводились на базе Физико-технического института НАН Беларуси. Сталь выплавлялась в лабораторной индукционной печи с последующим электрошлаковым переплавом. Для изучения механических свойств использовались образцы, полученные методом свободной ковки. Механические испытания проводились по стандартам ГОСТ 1497–84 и ГОСТ 9454–78. Микроструктура цементированных слоев исследовалась с использованием травителя на основе пикриновой кислоты.

________________________________________________________________________________________________________________________

Результаты исследований

Сталь 20ХН3А с добавками молибдена и ниобия

Легирование стали 20ХН3А молибденом (0,15%) и ниобием (0,04%) позволило получить сталь 20ХН3МБ с наследственно мелким зерном и повышенной прочностью. Механические свойства новой стали значительно улучшились по сравнению с серийной сталью 20ХН3А:

• Предел прочности (σв) увеличился с 930 до 1420 МПа.
• Предел текучести (σ0,2) вырос с 735 до 1280 МПа.
• Ударная вязкость (КСU) составила 690 Дж/см².

Микроструктура цементированного слоя состояла из мелкоигольчатого мартенсита, троостита и остаточного аустенита. Твердость поверхности зуба достигала 59–61 HRC, а сердцевины — 42–43 HRC.

________________________________________________________________________________________________________________________

Сталь 20ХГНМ с добавками ниобия

Для дальнейшего улучшения свойств была исследована сталь 20ХГНМ, легированная ниобием. Электрошлаковый переплав позволил снизить содержание серы и неметаллических включений, что положительно сказалось на механических свойствах. Результаты испытаний показали:

• Предел прочности (σв) — 1450 МПа.
• Предел текучести (σ0,2) — 1316 МПа.
• Ударная вязкость (КСU) — 1340 кДж/м².

Прокаливаемость стали 20ХГНМБ оказалась выше, чем у серийных сталей 20ХН3А и 20ХГНМ. После цементации и закалки размер зерна цементированного слоя составил 10–11 баллов, что свидетельствует о высокой стабильности структуры.

________________________________________________________________________________________________________________________

Применение новых сталей

На основе новой стали 20ХГНМБ была изготовлена опытная партия зубчатых колес коробки передач трактора «Беларус». Эти детали проходят подконтрольную эксплуатацию, и предварительные результаты показывают их высокую работоспособность.

________________________________________________________________________________________________________________________

Заключение

Микролегирование молибденом и ниобием позволяет значительно улучшить механические свойства цементируемых сталей, таких как 20ХН3А и 20ХГНМ. Новая сталь 20ХГНМБ с добавками ниобия обладает стабильной мелкозернистой структурой, повышенной прочностью и прокаливаемостью, что делает её перспективной для использования в тяжелонагруженных зубчатых передачах. Однако высокая стоимость проката может ограничивать её применение в массовом производстве.

Дальнейшие исследования направлены на оптимизацию состава и технологии обработки новых сталей для снижения их стоимости и расширения области применения.