сталь

Формула изобретения

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

Описание изобретения к патенту

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 -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 -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 Ni₃ Ti, 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 -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
		в	0,2			KCU	в	0,2			KCU
		МПа		%		МДж/м2	МПа		%		МДж/м 2
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)₃ Ti, 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.