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- мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023253/697.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-фаза. Сплав может дополнительно содержать 0,5 - 8 мас.% кремния и/или кобальта. 2 табл.
1. ДЕМПФИРУЮЩИЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА СО СТРУКТУРОЙ - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> -мартенсит, остальное - метастабильная - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023024/947.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">" - и / или - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> - 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
Описание изобретения к патенту
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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023012/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-мартенсита с гексагональной решеткой. Увеличение в структуре сплавов - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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: - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023012/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">в=600-800 МПа; - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023025/948.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> =2-5%; Т50= плюс 250оС; 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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023024/8776.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> 10-3 равна Q-1=(20-45) x 10-4. Кремний в пределах 0,4-4 мас.% повышает твердость и прочность - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-мартенсита, регулируют так, что количество Mnравн, выраженное соотношением Mnравн= 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: - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023012/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">в=500-550 МПа; - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023025/948.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> =20-50%; Q-1=(20-45) x 10-4. Демпфирующая способность железомарганцевых сталей и сплавов находится в прямой зависимости от количества - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-мартенсита в структуре. Известно, что C и Ni, являясь сильными аустенизаторами, сужают область существования гексагонального - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023025/948.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-феррита, который склонен переходить в хрупкую - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023012/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-фазу по реакции - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">- мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023025/948.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">->- мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023025/948.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">. Отрицательное влияние - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023012/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-фазы сказывается и через охрупчивание сплава и повышение порога хладноломкости от минус 100оС до минус 60оС и резкое снижение демпфирующей способности. Присутствие хрома в сплаве способствует образованию - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023024/8776.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> 10-3 в сочетании с высокой прочностью - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023012/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">в = 600-850 МПа. Дополнительным преимуществом предложенного сплава можно считать следующие показатели: пластичность - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023025/948.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> =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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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.% - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-мартенсита, остальное метастабильная - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023024/947.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> и/или - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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.% - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> -мартенсита при 10-33 мас.% марганца. Углерод, являясь сильным аустенизатором, подавляет образование - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-мартенсита. Увеличение содержания углерода свыше 0,2 мас.% сопровождается исчезновением содержания - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-мартенсита. Метастабильная структура с содержанием - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-фазы от 5 до 95 мас.% обеспечивает железомарганцевым сплавам демпфирующую способность Q-1=(5-300) x 10-4 при сохранении прочности - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023012/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">в =600-850 МПа в сочетании с низким порогом хладоломкости. При содержании марганца менее 10 мас.% в результате мартенситного превращения образуется до 100% - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-мартенсита, который обладает низкой демпфирующей способностью (позиция 6 табл. 1). При содержании марганца свыше 33 мас. % сплавы состоят на 100% из - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023024/947.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-фазы, которая по уровню демпфирующей способности находится на уровне - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-сплавов (позиция 7 табл. 1). Предложенный сплав имеет другой количественный состав, что соответствует критерию "Новизна". Количество - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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.% - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-мартенсита, остальное метастабильная - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023024/947.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">- и/или - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> -фаза. Предлагаемый железомарганцевый демпфирующий сплав со структурой - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-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 - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023012/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">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 (- мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023044/916.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">- мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023012/963.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">в-> 0) (табл. 2, пп. 10, 11). Повышение содержания кремния и кобальта свыше 4 мас.% стабилизирует аустенит по отношению к - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023024/947.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">->- мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023020/945.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> и - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023024/947.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">->- мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE"> и превращениям, что уменьшает количество - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-мартенсита (% - мартенсита, патент № 2023738" SRC="/images/patents/450/2023241/949.gif" ALIGN="ABSMIDDLE">-> 0), а как следствие приводит к падению демпфирующей способности (табл. 2, пп. 12, 13), при этом резко снижаются технологические свойства.
- мартенсита
