ВЫСОКОПРОЧНАЯ БЕРИЛЛИЙСОДЕРЖАЩАЯ СТАЛЬ Российский патент 2016 года по МПК C22C38/52 

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться при изготовлении деталей трения прецизионных приборов и агрегатов гидросистем и топливо-регулирующей аппаратуры авиационной техники, работающих в общеклиматических условиях.

В системах гидроавтоматики авиационного двигателя используются пары трения (золотниковые детали). От их бесперебойной и надежной работы зависит ресурс узлов системы автоматического управления двигателем. Для изготовления таких деталей применяют материалы со специальными свойствами: высокой износо- и коррозионной стойкостью, высокой прочностью. Выпускаемые в настоящее время отечественные стали не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к деталям и узлам перспективных изделий авиационной техники, таким как: ресурсные показатели в агрессивной среде, точность и надежность работы систем топливорегулирующей аппаратуры и др. Введение в состав сталей бериллия существенно улучшает их свойства и в первую очередь износостойкость, коррозионную стойкость, модуль упругости и др.

В настоящее время бериллийсодержащие стали ЭИ928, ЭП354 и ВНС13 отечественной промышленностью не производятся, а сталь ВНС-32ВИ - наиболее современная из ранее созданных сталей.

Зарубежным аналогом приведенных выше отечественных материалов является сталь 440С (патент US 5002729, МПК С22С 38/52, С22С 38/30, опубл. 26.03.1991), имеющая при твердости готовых деталей после термообработки HRC - 59 ед., относительное удлинение δ - 2%, со следующим химическим составом, масс. %:

Углерод 0,05-0,1 Хром 11,0-15,0 Никель 1,5-3,5 Молибден 1,0-3,0 Кобальт 3-8 Ванадий 0,1-1,0 Марганец 1,5 Кремний 1,0 Азот 0,04 Железо Остальное

Указанная сталь имеет существенный недостаток: при работе в условиях топливорегулирующей аппаратуры не обеспечивается точность и надежность работы при перепаде температур от -196 до +450°C.

Известна нержавеющая коррозионностойкая сталь (ас. №1671729, МПК С22С 38/58, опубл. 23.08.1991), при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Углерод 0,39-0,45 Кремний 0,8-1,4 Марганец 1,5-1,9 Хром 11,0-13,0 Титан 0,1-0,2 Ванадий 1,8-2,5 Кальций 0,0003-0,01 Бор 0,5-0,6 Никель 4,1-4,9 Иттрий 0,3-0,4 Алюминий 0,1-0,2 Бериллий 0,4-0,6 Железо Остальное

Недостатком данной стали является отсутствие кобальта в составе стали, что ведет к нестабильному поведению твердого раствора при повышенных температурах работы изделия и снижению долговечности его работы.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является отечественная нержавеющая дисперсионно-твердеющая сталь (ас. №541374, МПК С22С 38/52, опубл. 15.05.1991), при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Углерод 0,15-0,5 Хром 12,0-14,5 Никель 4,5-7,5 Молибден 1,5-3,5 Кобальт 3,0-6,0 Медь 1,0-3,0 Ниобий 0,5-2,5 Титан 0,1-0,6 Бериллий 0,5-1,2 Лантан 0,005-0,1 Железо Оостальное

Сталь обладает прочностью 2205 МПа, модулем упругости 210 ГПа, твердостью HRC 58 ед., износостойкостью 2,76·10^-8 ед. при наличии δ-феррита в количестве 5-7%.

Недостатком данной стали является наличие хрупкого δ-феррита, выпадающего в процессе деформации, что приводит к потере технологической пластичности и появлению мелких поверхностных трещин, при этом снижается прочность, твердость и износостойкость стали, а также коррозионная стойкость к окислению, что приводит к потере эксплуатационных характеристик готовых изделий.

Технической задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение ресурсных характеристик (износостойкости и твердости) высокопрочной бериллийсодержащей стали за счет легирования вольфрамом и ванадием, а также введением редкоземельных элементов диспрозия, церия и неодима, направленных на исключение из состава «мягкого» δ-феррита и повышение чистоты металла по неметаллическим включениям, тем самым повышая механические свойства (ударная вязкость, пластичность, твердость и износостойкость), причем отсутствие в составе стали ниобия, как наиболее ферритообразующего элемента, также ведет к уменьшению склонности стали к образованию δ-феррита.

Для достижения поставленного технического результата предлагается нержавеющая дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, хром, никель, молибден, кобальт, медь, бериллий, титан, лантан, железо и дополнительно содержащая ванадий, вольфрам, неодим, диспрозий и церий при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Углерод 0,15-0,5 Хром 12,0-14,5 Никель 4,5-7,5 Молибден 1,5-3,5 Кобальт 6,0-7,5 Медь 1,0-3,0 Бериллий 0,5-1,2 Ванадий 0,2-0,6 Вольфрам 0,2-0,6 Титан 0,1-0,6 Лантан 0,005-0,1 Неодим 0,005-0,05 Диспрозий 0,005-0,03 Церий 0,005-0,1 Железо Остальное

и изделие, выполненное из этой стали.

Оптимальное легирование стали за счет увеличения аустенитообразующих элементов (кобальт), уменьшения (исключения) сильных ферритообразующих элементов (ниобий ) с введением вольфрама и ванадия в количестве 0,2-0,6% , гарантирует отсутствие фазы δ-феррита и обеспечивает высокий уровень механических свойств - введение вольфрама и ванадия в указанном соотношении приводят к повышению твердости и прочности стали, ванадий в значительной степени, измельчая структуру зерна, повышает пластичность стали. Добавкой кобальта 6,0-7,5% обеспечивается повышение вязкостных характеристик.

Введение бериллия в соотношении 0,5-1,2% за счет ограниченной и уменьшающейся с понижением температуры растворимостью вторичных бериллидов (FeBe₂, NiBe₂) приводит к сильному упрочнению стали вследствие дисперсионного твердения и выпадения бериллидов в виде тонкодисперсных зерен. При заявленном содержании бериллия твердость стали после термической обработки на мартенсит достигает значений выше 62 ед. HRC, что приводит к повышению в 1,2 раза износостойкости при испытаниях на трение. Благодаря введению в сплав никеля и кобальта в указанных соотношениях, за счет дисперсионного твердения, повышается прочность и твердость стали. Введение меди в заявленном соотношении позволяет повысить модуль упругости.

Сохранение никеля и хрома в заявленном соотношении усиливает эффект упрочняющего действия бериллия, препятствуя образованию диоксида углерода, приводя к повышению коррозионной стойкости стали (в том числе увеличивая срок работы в среде соляных растворов) и обеспечивая стабильность фазового состава стали. Титан в заявленном соотношении связывает газы (азот, кислород) и вредные примеси (серу) и выпадает в виде частиц, обладающих высокой термодинамической стабильностью и препятствующих укрупнению зерен и миграции границ зерна, позволяя получать высокие механические свойства.

Повышение пластичности и ударной вязкости осуществляется при помощи управления размером зерна и снижения количества приводящих к охрупчиванию паразитных фаз, что достигается дополнительными присадками редкоземельных металлов (РЗМ) диспрозия, неодима и церия, заметно уменьшающих содержание δ-феррита, неметаллических включений и повышающих пластичность металла при горячей деформации, обеспечивая рафинирование границ зерен и устраняя межзеренные ферритные прослойки (которые обычно приводят к ухудшению пластических характеристик сталей). Диспрозий, неодим и церий, соединяясь с вредными примесями (сера, фосфор, марганец и кремний), образуют легкоплавкие соединения, которые удаляются из расплава. Оставшаяся часть диспрозия, неодима и церия, обладая развитым поверхностным эффектом, измельчает зерно, изменяет природу, форму и распределение соединений с примесными элементами, уменьшает ликвацию по сере и фосфору, положительно влияет на перераспределение карбидной фазы по границам зерен, прерывая ее расположение в виде непрерывных полосок на отдельные глобули, которые располагаются на граничной поверхности аустенитных кристаллов. Без диспрозия, неодима и церия карбиды выделяются сплошными цепочками.

Использование предлагаемой высокопрочной бериллийсодержащей стали позволяет повысить ресурс деталей трения в 1,3-1,5 раза, прочность на 6-7%, модуль упругости на 5%, твердость на 6-8% и износостойкость на 17-20%, а получение металла нормированной чистоты по нитридам и карбонитридам позволяет повысить КИМ (коэффициент использования металла) за счет уменьшения брака при выплавке.

Полученная высокопрочная бериллийсодержащая сталь обладает прочностью 2350-2375 МПа, модулем упругости 220-221 ГПа, твердостью HRC 62-63,5 ед., износостойкостью 2,21·10^-8-2,29·10^-8 ед., чистотой по неметаллическим включениям - нитридам и карбонитридам - 2-3 балла и отсутствием в структуре стали δ-феррита.

Примеры осуществления изобретения

Шихтовую заготовку из предлагаемой стали различных составов и стали-прототипа, выплавляли из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с тиглем из основной футеровки. После разливки стали в чугунные изложницы отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов предлагаемой стали и стали-прототипа приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов, примесей, таких как марганец, кремний, сера и фосфор определяли по стандартным методикам.

Затем после механической обработки полученные слитки стали подвергали горячей деформации с получением кованых прутков диаметрами 16-32 мм. Далее полученные кованые прутки подвергали термообработке и изготавливали образцы для механических испытаний на растяжение с определением модуля упругости, определением твердости и износа, а также исследованием чистоты металла по неметаллическим включениям.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей определяли по ГОСТ 12351, ГОСТ 12352, ГОСТ 12353, ГОСТ 12354, ГОСТ 12355, ГОСТ 12356, ГОСТ 12356.7, ГОСТ 12349, ГОСТ 12344, ГОСТ 12345 и ГОСТ 17745.

Механические свойства предлагаемой стали с различным соотношением компонентов и стали-прототипа определяли на стандартных образцах по ГОСТ 1497, ГОСТ 9013.

Оценку неметаллических включений на шлифах производили методом сравнения с эталонными шкалами в соответствии с ГОСТ 1778, метод Ш4.

Механические свойства предлагаемой стали с различным соотношением компонентов и стали-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что механические свойства предлагаемой стали выше, чем свойства стали-прототипа: по пределу прочности при 20°C - на 6-7%, по модулю упругости при 20°C - на 5%, по твердости - на 6-8%, по износостойкости - на 17-20%.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к составам нержавеющей дисперсионно-твердеющей стали, используемой при изготовлении деталей трения прецизионных приборов, агрегатов гидросистем и топливо-регулирующей аппаратуры авиационной техники, работающих в общеклиматических условиях. Сталь содержит углерод, хром, никель, молибден, кобальт, медь, бериллий, титан, лантан, ванадий, вольфрам, неодим, диспрозий, церий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,15-0,5, хром 12,0-14,5, никель 4,5-7,5, молибден 1,5-3,5, кобальт 6,0-7,5, медь 1,0-3,0, бериллий 0,5-1,2, ванадий 0,2-0,6, вольфрам 0,2-0,6, титан 0,1-0,6, лантан 0,005-0,1, неодим 0,005-0,05, диспрозий 0,005-0,03, церий 0,005-0,1, железо - остальное. Сталь обладает прочностью 2350-2375 МПа, модулем упругости 220-221 ГПа, твердостью HRC 62-63,5 ед., износостойкостью 2,21·10^-8-2,29·10^-8 ед., чистотой по неметаллическим включениям - нитридам и карбонитридам - 2-3 балла и отсутствием в структуре стали δ-феррита. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

1. Нержавеющая дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, хром, никель, молибден, кобальт, медь, бериллий, титан, лантан, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, вольфрам, неодим, диспрозий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,15-0,5 Хром 12,0-14,5 Никель 4,5-7,5 Молибден 1,5-3,5 Кобальт 6,0-7,5 Медь 1,0-3,0 Бериллий 0,5-1,2 Ванадий 0,2-0,6 Вольфрам 0,2-0,6 Титан 0,1-0,6 Лантан 0,005-0,1 Неодим 0,005-0,05 Диспрозий 0,005-0,03 Церий 0,005-0,1 Железо Остальное

2. Изделие, выполненное из нержавеющей дисперсионно-твердеющей стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п. 1.