СТАЛЬ Российский патент 1997 года по МПК C22C38/46 

Изобретение относится к области черной металлургии коррозионностойких сталей для валов погружных электронасосов, электродвигателей, устьевых штоков и штанг.

Известна сталь следующего состава, мас.

Углерод 0,17-0,25
Кремний Не более 0,8
Марганец Не более 0,8
Хром 16,0-18,0
Никель 1,5-2,5
Железо Остальное
(ГОСТ 5632-72)
Сталь предназначена для применения в химической, авиационной и других отраслях промышленности, однако она не обеспечивает высоких технологических свойств, таких, например, как крутящий момент, характеризующий максимальную нагрузку на материал при кручении.

Наиболее близкий по технической сущности и достигаемому положительному результату является сталь, содержащая компоненты в следующих количествах, мас.

Углерод 0,11-0,17
Кремний Не более 0,80
Марганец Не более 0,80
Хром 16,0-18,0
Никель 1,5-2,5
Железо Остальное
(ТУ 14-1-3957-85)
Эта сталь используется для изготовления деталей в авиационной промышленности, в том числе свариваемых, имеет удовлетворительные прочностные характеристики, однако применение ее для валов ограничено вследствие низких характеристик крутящего момента в упругой области, который является важнейшей характеристикой, так как его высокие значения определяют высокий ресурс работы погружного оборудования, снижают межремонтный период.

В основу изобретения поставлена задача создания стали, имеющей наряду с высокими прочностными характеристиками (при сохранении пластичности, вязкости) высокую способность работать на кручение в упругой области крутящий момент M_пц.

Задача решена тем, что сталь дополнительно содержит ванадий, азот, кальций, барий, медь при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,11-0,17
Кремний 0,6-0,8
Марганец 0,6-0,8
Хром 16,0-18,0
Никель 1,5-2,5
Ванадий 0,05-0,15
Азот 0,01-0,04
Кальций 0,001-0,03
Барий 0,001-0,01
Медь 0,2-0,5
Железо Остальное
При сравнении заявляемого изобретения с прототипом было выявлено, что существенным отличительным признаком данного изобретения является введение в состав стали новых компонентов: ванадия, азота, кальция, бария, меди при следующем соотношении компонентов (мас.):
Углерод 0,11-0,17
Кремний 0,6-0,8
Марганец 0,6-0,8
Хром 16,0-18,0
Никель 1,5-2,5
Ванадий 0,05-0,15
Азот 0,01-0,04
Кальций 0,001-0,03
Барий 0,001-0,01
Медь 0,2-0,5
Железо Остальное
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

В результате анализа известных составов сталей выявлены стали, в которых введение азота в комплексе с ниобием, цирконием, РЗМ (а.с. N 901335, Б.И. N 8, 1982), а также азота, кальция, РЗМ и бора (а.с. N 668972, Б.И. N 15 1979) обеспечивает повышение механических свойств, однако ни в одном из выполненных технических решений не достигается одновременного повышения прочности и крутящего момента при введении вышеуказанных количеств ванадия, азота, кальция, бария и меди.

Таким образом, соотношение элементов в стали обеспечивает новые свойства одновременное повышение прочности и крутящего момента, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

Введение в сталь, которая при охлаждении в процессе прокатки обеспечивает получение структуры мартенсита и δ-феррита ванадия 0,05-0,15 мас. и азота 0,01-0,04 мас. приводит к увеличению количества аустенита, образующегося при нагреве под закалку или нормализацию до температур 1100^oC, что определяет изменение соотношения структурных составляющих в сторону увеличения количества мартенсита и уменьшения d-феррита и что в свою очередь обеспечивает повышение прочности и крутящего момента. Введение кальция (0,001-0,03 мас. ) и бария (0,001-0,01 мас.) позволяет получить очищенные от вредных примесей границы аустенитных зерен, что благоприятно влияет не только на коррозионную стойкость, но и на прочность и максимальный крутящий момент в упругой области. Медь, введенная при выплавке стали в пределах 0,20-0,50 мас. приводит к увеличению прочности и максимального крутящего момента в упругой области как благодаря влиянию на силы межатомного взаимодействия, так и на увеличение количества мартенсита.

Превышение верхнего предела сверх 0,15 мас. ванадия и азота свыше 0,04 мас. не рационально, так как не приводит к значительному росту количества мартенсита и соответственно снижению количества хромистого d-феррита, что обусловлено появлением в процессе прокатки крупных выделений нитридов ванадия, которые при нагреве до 1100^oC растворяются не до конца и соответственно введенные ванадий и азот не полностью работают на обогащение твердого g-раствора; в результате не происходит заметный рост прочности и максимального крутящего момента в упругой области. При введении в сталь ванадия ниже 0,05 мас. и азота 0,01 мас. не обеспечивают снижения количества d-феррита, что неблагоприятно влияет на свойства не происходит увеличение прочности и максимального крутящего момента в упругой области.

Превышение содержания кальция свыше 0,03 мас. и бария 0,01 мас. при производстве стали, выплавляемой в электродуговых печах, не обеспечивает оптимального усвоения этих элементов, что может привести к появлению грубых неглобулярных неметаллических включений, появления несплошностей, при этом не происходит очищения стали от вредных примесей и отрицательно влияет на крутящий момент. Содержание кальция и бария ниже 0,001 мас. каждого не дает положительного эффекта.

Превышение содержания меди (свыше 0,5 мас.) не приводит к значительному снижению количества феррита, что не обеспечивает заметного увеличения прочности и крутящего момента, кроме того, повышенное содержание может приводить к охрупчиванию матрицы. Недостаточное содержание меди менее 0,2 мас. не обеспечивает оптимального соотношения структурных составляющих и соответственно прочности и крутящего момента.

Пример конкретного выполнения:
Сталь выплавляли в основной дуговой электропечи, производили легирование, изготовляли прокат высокой точности диаметром 22 мм и длиной 5400 мм для валов погружного оборудования. Заключительной термообработкой являлся отпуск при 680^oC в течение 3-х часов.

Химический состав стали предлагаемой и стали прототипа и результаты механических испытаний представлены в таблице.

Из таблицы видно, что предлагаемая сталь превосходит по своим характеристикам известную.

Выплавка указанного состава стали, прокатка заготовок и изготовление конечной продукции в условиях промышленного производства не вызывает затруднений, так как используются доступные легирующие компоненты, известные металлургические агрегаты, прокатное, термическое и металлообрабатывающее оборудование.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частнсти к составу стали, имеющей одновременно повышение характеристики прочности и максимального крутящего момента в упругой области, предназначенной для деталей погружного оборудования. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас. %: углерод 0,11-0,17; кремний 0,6-0,8; марганец 0,6-0,8; хром 16-18; никель 1,5-2,5; ванадий 0,05-0,15; азот 0,01-0,04; кальций 0,001-0,03; барий 0,001-0,01; медь 0,2-0,5; железо - остальное. 1 табл.

Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, азот, кальций, барий, медь при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 0,11 0,17
Кремний 0,6 0,6
Марганец 0,6 0,8
Хром 16 -18
Никель 1,5 2,5
Ванадий 0,05 0,15
Азот 0,01 0,04
Кальций 0,001 0,03
Барий 0,001 0,01
Медь 0,2 0,3
Железо Остальное