СТАЛЬ Российский патент 2014 года по МПК C22C38/58 

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным материалам, используемым для изготовления деталей в нефтяной, химической и других отраслях промышленности, подвергающихся ударным нагрузками с трением в условиях коррозионного и кавитационного износа: лопатки турбин, плунжеры гидропрессов, скалки насосов высокого давления, штоки и др. Для изготовления таких деталей применяют высокохромистые стали.

Известен состав коррозионностойкой высокохромистой стали (А.С. №697595), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,08÷0,25 хром 12,0÷15,0 марганец 2,0÷4,0 молибден 0,5÷1,5 железо остальное

Известная сталь обладает высокими значениями коррозионностойкости в нейтральных и кислых средах, но имеет недостаточную работоспособность при работе в условиях кавитационного износа.

Известен сплав для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного, гидроабразивного, ударно-абразивного износа (А.С.№526471), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод 0,3÷0,9 бор 2,0÷4,0 хром 8,0÷10,0 никель 2,0÷4,0 ванадий 0,2÷1,2 кремний 0,1÷0,25 железо остальное

Повышенное содержание углерода в сплаве известного состава обуславливает мартенситную матрицу, слишком высокую твердость (61-65 HRC) и соответственно пониженную релаксационную способность, высокий уровень остаточных напряжений, что ограничивает ресурсы пластичности сплава при последующей деформационной обработке.

Наиболее близким по химическому составу и назначению является мартенситно-стареющий сплав для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях кавитационного и абразивного износа при температуре до 500°C (А.С.№349532), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %:

углерод 0,01÷0,10 азот 0,01÷0,15 хром 10,0÷13,5 никель 4,0÷10,0 молибден 0,5÷2,5 кремний 0,2÷2,5 титан 0,05÷1,5 железо остальное

Недостатком данного сплава является сложность технологии изготовления литых деталей больших сечений, которые могут быть подвержены повышенной хрупкости из-за включений карбонитридных фаз по границам зерен после замедленного охлаждения отливок. Кроме того, после старения (отпуск при температуре 480-520°C в течение 2-4 часов) приграничные выделения интерметаллидных фаз обуславливают снижение пластичности данного сплава.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка высокохромистой стали, достигающей максимального упрочнения при температуре 500-550°C, сохраняющей высокие характеристики пластичности и вязкости. Такие свойства стали позволяют использовать ее в качестве материала для изготовления высоконагруженных ответственных деталей, подвергающихся ударным нагрузками с трением в условиях коррозионного и кавитационного износа.

Требуемые свойства достигаются за счет того, что сталь, состоящая из углерода, хрома, никеля, молибдена, титана, кремния и железа со следующим соотношением, мас.%:

углерод 0,08÷0,15 хром 13,0÷18,0 никель 3,0÷6,0 молибден 3,0÷5,0 кремний 0,8÷1,5 титан 0,5÷1,0 железо остальное,

в состав стали дополнительно введен марганец, ниобий и бор в следующем соотношении, мас.%:

марганец 2,0÷3,0 ниобий 0,5÷1,5 бор 0,4÷0,8

Углерод в пределах 0,08-0,15% обеспечивает оптимальное сочетание твердости, износостойкости и ударной вязкости, а также ряда технологических свойств стали. При концентрации в стали углерода ниже 0,08% не обеспечивается требуемая твердость после термической обработки вследствие низкого эффекта дисперсионного твердения. При превышении 0,15% C в стали происходит уменьшение количества интерметаллидных упрочняющих фаз, вследствие связывания углерода в карбиды, что снижает твердость стали при старении, а также ухудшаются механические свойства и прежде всего пластичность и ударная вязкость.

Хром в количестве 13-18% вводится в сталь для достижения требуемой коррозионной стойкости металла. Хром способствует расширению ферритной фазы. При этом достаточно известно его количественное воздействие. Так, понижение концентрации хрома ниже 13% не позволяет достичь необхолимой сопротивляемости металла коррозионному износу. Повышение же содержания этого элемента свыше 18% мало сказывается на дальнейшем улучшении рассматриваемого свойства и может привести к понижению пластических свойств стали. Содержание хрома в указанных пределах обеспечивает образование плотно и прочно связанной с металлом окисной пленки, которая длительное время сохраняется на поверхности детали в период эксплуатации. Кроме того, хром, образуя в стали твердые карбоборидные фазы, повышает ее износостойкость.

Никель в количестве 3-6% эффективно повышает пластичность стали за счет увеличения подвижности дислокаций и снижения сопротивления движению дефектов со стороны кристаллической решетки железа. Никель также непосредственно участвует в образовании упрочняющих фаз с титаном, и усиливает эффект старения за счет уменьшения предела растворимости молибдена в твердом растворе α-железа. Понижение содержания никеля в предложенной стали по сравнению с известным сплавом вызвано необходимостью подавления процессов коагуляции интерметаллидных фаз, выделяющихся при старении, и снижения количества аустенита, образующегося в процессе термообработки.

Наличие в составе стали молибдена в количестве 3-5% является оптимальным, так как повышает температуру рекристаллизации α-твердых растворов, замедляет их разупрочнение, что повышает прочность сплава и его коррозионную стойкость. Вместе с этим молибден способствует дисперсионному твердению, за счет образования интерметаллидных фаз Fe₂Mo и Ni₃Mo, которые преимущественно выделяются на дислокациях в теле зерна, не снижая пластических свойств стали после старения. При содержании молибдена ниже 3% снижается эффект дисперсионного твердения. Содержание молибдена более 5% нецелесообразно, так как не оказывает влияния на эффект дальнейшего повышения твердости и прочности стали.

Титан в количестве 0,5-1,0% позволяет упрочнить сталь в процессе отпуска интерметаллидными фазами типа Ni₃Ti, что способствует увеличению твердости и износостойкости металла. Однако такое увеличение наблюдается только до содержания титана 1,0%. При большем увеличении содержания титана происходит повышение твердости, сопровождающееся охрупчиванием стали за счет того, что весь титан расходуется на связывание углерода в карбиды титана. Введение его в состав стали менее 0,5% не оказывает существенного влияния на процесс старения, вследствие малого образования интерметаллидных фаз.

Присутствие кремния в сталях, легированных молибденом и титаном, увеличивает степень упрочнения металла при старении. Кремний существенно снижает предел растворимости молибдена в твердом растворе α-железа, увеличивая количество и дисперсность выделяющейся упрочняющей фазы при старении. Введение 1% кремния равносильно дополнительному введению 2-3% молибдена. Наличие кремния в стали до 1,5% не приводит к снижению ее пластических свойств. Содержание кремния менее 0,8% не обеспечивает удовлетворительного раскисления металла, вследствие чего отливка может быть поражена газовыми порами. Содержание кремния выше 1,5% увеличивает опасность образования неметаллических включений, присутствие которых в высокопрочных сталях вызывает снижение усталостной прочности и приводит к охрупчиванию металла.

Введение марганца в количестве 2-3% обеспечивает в процессе старения значительное повышение прочности вследствие аллотропических превращений, а именно за счет повышения отпускной прочности и твердости стали. Также он повышает стойкость металла против образования кристаллизационных трещин. В то же время превышение концентрации марганца выше 3% приводит к ухудшению пластичности стали, особенно после дополнительного температурного воздействия.

Введение в состав стали ниобия в количестве 0,5-1,5% обеспечивает получение равномерно распределенных в матрице металла карбидов ниобия, обуславливая ему высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания и восприятия статического давления с большими контактными нагрузками. Кроме того, ниобий свыше 0,5% повышает стойкость стали против межкристаллитной коррозии. Однако увеличение содержания ниобия свыше 1,5% приводит к выделению грубых скоплений упрочняющих фаз, которые ослабляют границы зерен и приводят к снижению прочности стали.

Ведение 0,4-0,8% бора является оптимальным, так как ведет с одной стороны к выделению в матрице стали карбоборидной эвтектики, которая, располагаясь в виде каркаса, воспринимает часть нагрузки от удельных давлений и контактного взаимодействия и рассредотачивает ее на большую площадь поверхности, препятствует межкристаллитной коррозии и увеличивает стойкость против задирания. С другой стороны хром, молибден, титан и ниобий образуют мелкодисперсные труднорастворимые высокопрочные многокомпонентные карбоборидные фазы, способствующие увеличению износостойкости стали. При содержании бора менее 0,4% не обеспечивается требуемая твердость и износостойкость стали из-за малого количества упрочняющих фаз. При содержании бора более 0,8% происходит снижение пластических свойств стали.

Обычные примеси в сталях - это, как правило, сера, фосфор и медь. Суммарное содержание серы и фосфора при выплавке обычно понижают до уровня менее 0,035%, а содержание меди не более 0,3%.

Пример конкретного выполнения.

Стали выплавлялись в открытой индукционной печи. Были выплавлены три состава предлагаемой стали на нижнем, среднем и верхнем пределах содержания легирующих элементов, а также два состава стали при содержании элементов ниже нижнего и выше верхнего пределов. Для сравнительной оценки был получен сплав известного состава (прототип) на среднем пределе содержания легирующих элементов. Химический состав плавок контролировали с помощью оптического эмиссионного спектрометра ARL 3460 Quantris (табл.1).

Слитки из исследуемых сталей гомогенизировали при 1150°C в течение 10 часов и ковали при 1200÷900°C на прутки сечением 16×16 мм.

Затем из них вырезали образцы для исследования, которые подвергали закалке от 970÷1000°C на воздухе и старению при 500°C в течение 2 часов.

Таблица 1 Состав Химический состав стали, % C Cr Ni Mo Mn Nb Si Ti В N Cu S P Предла 1 0,059 12,26 2,62 2,32 1,77 0,32 0,57 0,36 0,28 - 0,17 0,017 0,015 гаемый 2 0,147 13,48 3,41 3,37 2,15 0,59 0,85 0,52 0,43 - 0,13 0,014 0,015 3 0,113 15,27 4,53 4,21 2,42 0,83 1,18 0,68 0,56 - 0,13 0,016 0,013 4 0,121 17,69 5,61 4,83 2,29 1,37 1,43 0,94 0,77 - 0,16 0,014 0,014 5 0,226 19,42 6,75 5,50 3,47 1,81 1,74 1,32 1,12 - 0,12 0,015 0,012 Прото 6 0,082 11,44 7,83 1,86 - - 1,67 0,89 - 0,081 0,16 0,015 0,012 тип

Механические свойства на растяжение и ударную вязкость определяли по стандартной методике на универсальной машине Instron-3369 и маятниковом копре MetroCom в соответствии с требованиями ГОСТов 1497-84 и 9454-78. Испытание на растяжение проводили на цилиндрических образцах типа III, имеющих диаметр и длину рабочей части 5 и 50 мм соответственно. Ударную вязкость определяли на образцах типа 1 при температуре испытания 20°C (табл.2).

Таблица 2 Состав после закалки после старения δ_в δ_0,2 δ Ψ KCU δ_в δ_0,2 δ Ψ KCU МПа % МДж/м² МПа % МДж/м² Предлагаемый 1 1080 950 14 54 1,03 1410 1340 7 49 0,48 2 1160 1110 16 57 1,15 1640 1580 8 53 0,52 3 1280 1230 14 54 0,93 1790 1740 8 50 0,44 4 1450 1410 10 51 0,78 1870 1820 7 48 0,30 5 1630 1590 6 23 0,24 1920 1890 4 17 0,08 Прототип 6 1140 970 14 58 1,18 1620 1570 7 45 0,36

Дюрометрические исследования проводили на образцах из полученных заготовок после закалки, накатки, старения, накатки+старение: твердость измеряли на приборе Wolpert Group 402MVD по методу Виккерса при нагрузке P=100 г (за величину твердости бралось среднее значение твердости - 15 замеров). Упрочнение производили накаткой в холодном состоянии роликом диаметром 20 мм и радиусом профиля 0,85 мм за 2 прохода при давлении 500 pH, скорости накатки 16-19 м/с и подаче 0,29 мкм/об. Испытания на износ проводились по ГОСТ 23.208-79 "Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы" (табл.3).

Таблица 3 Состав Твердость стали Относительная износостойкость после закалки после накатки после старения после накатки+старение HV HV HY HY Предлагаемый 1 287 406 401 557 4,41 2 349 432 504 576 9,07 3 361 458 525 618 10,18 4 394 443 540 580 9,65 5 450 486 562 601 10,22 Прототип 6 344 428 476 548 3,06

Сравнительные испытания сталей к общей коррозии проводили в 50% и 65% растворе азотной кислоты методом механического взвешивания и методом AM (ГОСТ 6032-2003) (табл.4).

Таблица 4 Состав Общая коррозионная стойкость потери веса, г/м² ч Стойкость против МКК, метод «АМ» 50%, 80°C 50%, кип. 65%, 80°C Провоцирующий нагрев, 650°C, 2 ч Предлагаемый 1 0,0203 0,2741 0,0359 Не обеспечивает   0,0195 0,2689 0,0371   2 0,0147 0,1682 0,0197 Обеспечивает   0,0151 0,2115 0,0213   3 0,0106 0,1205 0,0144 Обеспечивает   0,0111 0,1199 0,0153   4 0,0099 0,1153 0,0132 Обеспечивает   0,0104 0,1159 0,0138   5 0,0108 0,1267 0,0147 Обеспечивает   0,0116 0,1246 0,0161   Прототип 6 0,0125 0,1736 0,0188 Обеспечивает   0,0137 0,1674 0,0203   Примечание. Время испытаний на общую коррозионную стойкость 100 ч.

Как видно из таблиц 2, 3 и 4, наилучшими эксплуатационными характеристиками обладает сталь состава 3. Сталь данного состава превосходит сталь-прототип по прочности и твердости 1,11-1,2 раза и по износостойкости в 2 раза, а также обладает высокой стойкостью к общей и межкристаллитной коррозии.

Как показали металлографические исследования, высокие эксплуатационные свойства стали заявленного состава можно объяснить тем, что упрочнение матрицы из высокохромистого мартенсита в данной стали происходит как за счет образования мелкодисперсных интерметаллидных фаз (Fe, Cr, Si)2(Mo, Ti) и (Ni, Fe)₃Ti, так и за счет дополнительного выделения высокопрочных труднорастворимых карбоборидов и карбидов (Cr, Mo, Fe, Nb, Ti)₂₃(C, B)₆ и (Cr, Fe, Ti, Nb)₇C₃. Кроме этого, в структуре стали боридная эвтектика (Mo, Cr, Fe, Nb)₂B, располагающаяся по границам зерен в виде каркаса, воспринимает часть нагрузки при растяжении, рассредоточивая ее на большую площадь поверхности, и препятствует межкристаллитной коррозии (фиг.1).

Сочетание у стали заявленного состава высокой прочности и износостойкости с сохранением пластичности, характеризует ее как перспективный материал для изготовления литых высоконагруженных деталей, подвергающихся ударным нагрузками с трением в условиях коррозионного и кавитационного износа.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сталям для изготовления литых высоконагруженных деталей, подвергающимся ударным нагрузкам с трением в условиях кавитационного и коррозионного износа. Сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 0,08-0,15, хром 13,0-18,0, никель 3,0-6,0, молибден 3,0-5,0, титан 0,5-1,0, кремний 0,8-1,5, марганец 2,0-3,0, ниобий 0,5-1,5, бор 0,4-0,8, железо и примеси - остальное. В качестве примесей сталь может содержать серу, фосфор и медь. Суммарное содержание серы и фосфора не превышает 0,035%, содержание меди не превышает 0,3%. Сталь обладает высокой прочностью и износостойкостью при сохранении пластичности. 1 ил.

Сталь для изготовления литых высоконагруженных деталей, подвергающихся ударным нагрузкам с трением в условиях коррозионного и кавитационного износа, содержащая углерод, хром, никель, молибден, титан, кремний и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит марганец, ниобий и бор при следующем соотношении, мас.%:
углерод 0,08÷0,15 хром 13,0÷18,0 никель 3,0÷6,0 молибден 3,0÷5,0 кремний 0,8÷1,5 титан 0,5÷1,0 марганец 2,0÷3,0 ниобий 0,5÷1,5 бор 0,4÷0,8 железо остальное