ДЕМПФИРУЮЩИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА СО СТРУКТУРОЙ ε-МАРТЕНСИТА Российский патент 1994 года по МПК C22C33/02 C22C38/04 C22C38/10 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к порошковой металлургии, и касается сплавов как порошковых, так и литых, содержащих марганец в качестве основного легирующего элемента. Сплав обладает сочетанием высокого уровня демпфирующих и механических свойств, при этом не содержит в своем составе дорогостоящих или дефицитных элементов. Предназначен для изготовления деталей и механизмов и машин, работающих в условиях повышенных шумов и вибраций.

Предлагаемый сплав может быть получен в виде сортового проката или листа.

Известные конструкционные демпфирующие материалы на основе Mg, Cu - Mn не получили широкого распространения в промышленности, так как в большинстве случаев либо обладают низкими механическими или технологическими свойствами, либо элементы, входящие в их состав, являются дефицитными или дорогостоящими. Например, предел прочности магниевых сплавов σ_в =100-160 МПа, системы Cu - Mn - 400-500 МПа.

Однако присутствие марганца в качестве основного легирующего элемента не является достаточным условием для достижения высокой демпфирующей способности. Необходимым условием является наличие в их структуре ε-мартенсита с гексагональной решеткой. Увеличение в структуре сплавов ε-фазы ведет к резкому повышению диссипативных свойств, особенно при повышенных нагрузках.

До настоящего времени железомарганцевые стали и сплавы в качестве демпфирующих не использовались (в патентах на марганецсодержащие стали и сплавы характеристики демпфирования не указывались). Поэтому аналоги и прототип выбирались по следующим признакам: уровню прочности; содержанию марганца и ε-мартенсита в структуре.

Известна сталь для поглощения звука и вибраций, обладающая структурой со средней крупностью ферритного зерна, содержащая, мас.%: марганец 0,1-1,5 кремний 0,4-4,0 железо остальное /1/.

Исходя из химического состава, можно предположить, что данная сталь обладает следующими механическими свойствами: σ_в=600-800 МПа; δ =2-5%; Т₅₀= плюс 250^оС; Q^-1=(20-45) x 10^-4.

Обладая ферритной структурой (объемно-центрированная кристаллическая решетка), данная сталь не испытывает мартенситных превращений и не имеет в структуре легкоподвижных двумерных дефектов типа дислокаций или дефектов упаковки. Поэтому ее демпфирующая способность при относительной деформации ≈ 10^-3 равна Q^-1=(20-45) x 10^-4. Кремний в пределах 0,4-4 мас.% повышает твердость и прочность α-твердого раствора и резко снижает горячую пластичность при прокатке. Кроме этого при содержании кремния больше 2 мас.% снижается относительное удлинение и ударная вязкость, т.е. кремний увеличивает хрупкость стали и в холодном состоянии.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является сплав с эффектом памяти формы. Сплав содержит, мас.% : кремний 0,4-2,0 марганец 10,0-28,0
углерод, хром и/или никель, железо остальное /2/.

Количество C, Cr, Ni, которые способствуют образованию ε-мартенсита, регулируют так, что количество Mn_равн, выраженное соотношением Mn_равн= Mn+9С+Cr/2+Ni/2, должно составлять 21-28 мас.% /2/.

Исходя из химического состава, можно предположить, что данный сплав обладает следующими механическими и демпфирующими свойствами: σ_в=500-550 МПа; δ =20-50%; Q^-1=(20-45) x 10^-4.

Демпфирующая способность железомарганцевых сталей и сплавов находится в прямой зависимости от количества ε-мартенсита в структуре. Известно, что C и Ni, являясь сильными аустенизаторами, сужают область существования гексагонального ε-мартенсита и уменьшают его количество в железомарганцевых сплавах. Снижение диссипативных свойств под влиянием C и Ni происходит через повышение степени стабильности аустенитной матрицы, и как следствие, снижение способности к образованию дефектов упаковки и их подвижности.

Содержание марганца более 20 мас.%, легирование стали хромом приводит к образованию δ-феррита, который склонен переходить в хрупкую σ-фазу по реакции αδ->δ. Отрицательное влияние σ-фазы сказывается и через охрупчивание сплава и повышение порога хладноломкости от минус 100^оС до минус 60^оС и резкое снижение демпфирующей способности. Присутствие хрома в сплаве способствует образованию α-мартенсита при нормальной температуре, что в свою очередь также приводит к снижению демпфирующей способности.

Целью изобретения является повышение уровня демпфирования до Q^-1=(50-300) x 10^-4 при относительной деформации ≈ 10^-3 в сочетании с высокой прочностью σ_в = 600-850 МПа. Дополнительным преимуществом предложенного сплава можно считать следующие показатели: пластичность δ =14-30%, ударная вязкость KCV⁺²⁰= 1,1-1,7 МДж/м², порог хладноломкости Т₅₀=(-150)-(-253)^оС, что обеспечивает высокие технологические и эксплуатационные свойства.

Для достижения указанной цели предлагаемый железомарганцевый демпфирующий сплав со структурой ε-мартенсита содержит марганец, углерод, железо в следующем соотношении, мас. % : марганец 10,0-33,0 углерод 0,002-0,2 железо остальное,
со структурой, содержащей 5-95 мас.% ε-мартенсита, остальное метастабильная γ и/или α-фаза.

Для повышения прочности при сохранении высокой демпфирующей способности сплав может содержать кремний и/или кобальт 0,5-8,0 мас.%.

Предлагаемый сплав можно получать как методами порошковой, так и традиционной металлургии.

Химический, фазовый состав и свойства сплава-прототипа и предлагаемого сплава приведены в табл. 1.

В предлагаемой стали содержание углерода в количестве 0,002-0,2 мас.% необходимо для гарантированного получения в структуре 5-95 мас.% ε -мартенсита при 10-33 мас.% марганца.

Углерод, являясь сильным аустенизатором, подавляет образование ε-мартенсита. Увеличение содержания углерода свыше 0,2 мас.% сопровождается исчезновением содержания ε-фазы, что приводит к падению демпфирующей способности (позиция 6 табл. 1).

В предлагаемой стали содержание марганца от 10 до 33 мас.% необходимо для получения метастабильной структуры на основе ε-мартенсита. Метастабильная структура с содержанием ε-фазы от 5 до 95 мас.% обеспечивает железомарганцевым сплавам демпфирующую способность Q^-1=(5-300) x 10^-4 при сохранении прочности σ_в =600-850 МПа в сочетании с низким порогом хладоломкости.

При содержании марганца менее 10 мас.% в результате мартенситного превращения образуется до 100% α-мартенсита, который обладает низкой демпфирующей способностью (позиция 6 табл. 1).

При содержании марганца свыше 33 мас. % сплавы состоят на 100% из γ-фазы, которая по уровню демпфирующей способности находится на уровне α-сплавов (позиция 7 табл. 1).

Предложенный сплав имеет другой количественный состав, что соответствует критерию "Новизна".

Количество ε-мартенсита в структуре является решающим фактором, обеспечивающим высокую демпфирующую способность железомарганцевых сплавов.

При анализе патентной и научной литературы не было обнаружено технических решений с признаками предложения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Существенные отличия".

В качестве базового объекта при расчете ожидаемого экономического эффекта от использования стали принята сталь - прототип. Экономия от использования заявляемой стали складывается из следующих статей: экономия легирующих элементов при получении; снижение шумов и вибраций изделий при работе, а следовательно повышение их надежности, долговечности и срока службы; расширение области использования предлагаемого сплава за счет сочетания комплекса: высокой демпфирующей способности и прочности; улучшение экологических условий труда людей за счет снижения воздействия вредных колебаний на человеческий организм.

Освоено производство предлагаемого сплава на предприятиях НПО "Тулачермет", завод "Электросталь", Экспериментальный завод ЦНИИчермета.

Известно, что при разработке конструкционных демпфирующих материалов одной из актуальных проблем остается проблема повышения прочностных свойств при сохранении высокой демпфирующей способности.

Целью дополнительного легирования кремнием и/или кобальтом в количестве 0,5-8,0 мас. % при одинаковом содержании марганца и углерода заявляемого сплава по п. 1 является повышение предела прочности не менее чем на 50 МПа при сохранении демпфирующей способности Q^-1=(50-300) x 10^-4.

Для достижения указанной цели предлагаемый железомарганцевый демпфирующий сплав со структурой ε-мартенсита содержит марганец и углерод по п. 1 и дополнительно кремний и/или кобальт, остальное железо в следующем соотношении, мас. %: марганец 10,0-33,0 углерод 0,002-0,2 кремний и/или кобальт 0,5-8,0
железо остальное,
которые также обеспечивают в структуре 5-95 мас.% ε-мартенсита, остальное метастабильная γ- и/или α -фаза.

Предлагаемый железомарганцевый демпфирующий сплав со структурой ε-мартенсита, дополнительно легированный кремнием и кобальтом, можно получать как методами традиционной, так и порошковой металлургии.

Химический, фазовый состав и свойства сплава приведены в табл. 2.

В предлагаемой стали содержание кремния и/или кобальта в количестве 0,5-8,0 мас. % необходимо для гарантированного повышения предела прочности σ_в не менее, чем на 50 МПа по сравнению со сплавами, содержащими С и Mn в тех же количествах (табл. 1, пп. 2, 4, 5; табл. 2, пп. 1-9).

Понижение концентрации кремния и кобальта менее 0,5 мас.% нецелесообразно, так как приводит к общему уменьшению значений предела прочности сплавов, содержащих кремний и кобальт, и прирост прочности становится менее 50 МПа (Δσ_в-> 0) (табл. 2, пп. 10, 11).

Повышение содержания кремния и кобальта свыше 4 мас.% стабилизирует аустенит по отношению к γ->α и γ->ε и превращениям, что уменьшает количество ε-мартенсита (% ε-> 0), а как следствие приводит к падению демпфирующей способности (табл. 2, пп. 12, 13), при этом резко снижаются технологические свойства.

Изобретение относится к черной металлургии и касается демпфирующих сплавов на основе железа как порошковых, так и литых. Сущность изобретения: предложен демпфирующий сплав на основе железа со структурой e-мартенсита следующего состава, мас.%: марганец 10,0 - 33,0, углерод 0,002 - 0,2, железо остальное, причем структура содержит 5 - 95% фазы e-мартенсита, остальное метастабильная g′ α-фаза. Сплав может дополнительно содержать 0,5 - 8 мас.% кремния и/или кобальта. 2 табл.

1. ДЕМПФИРУЮЩИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА СО СТРУКТУРОЙ ε-МАРТЕНСИТА, содержащий марганец и углерод, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Марганец 10,0 - 33,0
Углерод 0,002 - 0,2
Железо Остальное
причем структура содержит 5 - 95% фазы ε -мартенсит, остальное - метастабильная γ^' - и / или α - фаза. 2. Сплав по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний и/или кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Марганец 10,0 - 33,0
Углерод 0,002 - 0,200
Кремний и/или кобальт 0,5 - 8,0
Железо Остальное