сталь

Формула изобретения

Сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, медь, бор, церий и карбиды ниобия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,4 - 0,5

Марганец - 12,5 - 14,0

Кремний - 0,3 - 0,9

Хром - 5,0 - 6,0

Никель - 6,0 - 7,0

Ванадий - 0,65 - 1,0

Молибден - 0,2 - 0,6

Медь - 0,1 - 0,4

Бор - 0,002 - 0,006

Церий - 0,005 - 0,08

Карбиды ниобия - 0,05 - 0,15

Железо - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составу высокомарганцевой аустенитной стали, используемой для изготовления деталей, работающих в условиях высоких нагрузок и абразивного изнашивания, например для изготовления утяжеленных немагнитных бурильных труб и другого бурильного инструмента в нефтяной промышленности, в частности методом центробежного литья.

Известна сталь (см. авт. св. СССР N 1044664, МКИ C 22 C 38/58, публ. 30.09.83), содержащая, мас.%:

Углерод - 0,5 - 0,7

Марганец - 8,0 - 10,0

Хром - 3,0 - 4,0

Кремний - 0,3 - 0,65

Ванадий - 0,1 - 0,3

Никель - 1,0 - 3,0

Титан - 0,1 - 0,15

Церий - 0,03 - 0,05

Железо - Остальное

Сталь имеет недостаточно высокие прочностные свойства, износостойкость, трещиноустойчивость при литье и метастабильную аустенитную структуру, что увеличивает ее магнитную проницаемость.

Известна также сталь (см. RU N 2012688, МКИ C 22 C 38/58, публ. 15.05.94), содержащая, мас.%:

Углерод - 0,5 - 0,7

Кремний - 0,3 - 0,65

Марганец - 12,5 - 14,0

Хром - 3,0 - 4,0

Никель - 1,5 - 3,0

Ванадий - 0,4 - 0,5

Ниобий - 0,9 - 1,3

Церий - 0,03 - 0,05

Магний - 0,1 - 0,15

Железо - Остальное

Сталь обладает теми же недостатками, что и предыдущая, хотя и имеет более устойчивую аустенитную структуру. Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой является марганцевая сталь (см. Великобритания, заявка N 2083502, МКИ C 22 C 38/58, НКИ С7А, публ. 24.03.82. Отливки из марганцевой стали), содержащая, мас.%:

Углерод - 0,8 - 0,9

Марганец - 10,0 - 18,0

Кремний - 0,2 - 1,2

Хром - 3,5 - 4,5

Никель - 3,4 - 4,0

Ванадий - 0,3 - 0,5

Железо - Остальное

При наличии аустенитной структуры в стали не достигаются требуемые прочностные свойства, она не обладает достаточно высоким уровнем абразивной износостойкости. Кроме того, эта сталь, используемая для изготовления крестовин железнодорожных рельсовых путей, не вполне пригодна для изготовления труб методом центробежного литья по причине недостаточно высокой трещиноустойчивости.

Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в создании высокопрочной немагнитной стали, сочетающей высокую прочность ( _0,2 > 600 МПа, _в > 900 МПа), достаточно высокий уровень пластичности и ударной вязкости, износостойкости и трещиноустойчивости, что обеспечивает надежность и долговечность изделий, а также снижение трудозатрат в процессе их изготовления методом центробежного литья.

Техническим результатом изобретения является повышение прочностных свойств, износостойкости, трещиноустойчивости и снижение магнитной проницаемости.

Сущность изобретения заключается в том, что сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, никель, ванадий и железо, дополнительно содержит молибден, медь, бор, церий и карбиды ниобия при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 0,4 - 0,5

Марганец - 12,5 - 14,0

Кремний - 0,3 - 0,9

Хром - 5,0 - 6,0

Никель - 6,0 - 7,0

Ванадий - 0,65 - 1,0

Молибден - 0,2 - 0,6

Медь - 0,1 - 0,4

Бор - 0,002 - 0,006

Церий - 0,005 - 0,08

Карбиды ниобия - 0,05 - 0,15

Железо - Остальное

Предлагаемая сталь отличается от известной пониженным содержанием углерода, повышенным содержанием хрома, никеля и ванадия, а также дополнительным введением молибдена, меди, бора, церия и карбидов ниобия.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "новизна".

Химический состав предлагаемой стали оптимизирован таким образом, что, обеспечивая получение достаточно высокого уровня эксплуатационных характеристик, придает ей также новое свойство, а именно повышенную трещиноустойчивость, что расширяет технические возможности использования данной стали, например, при изготовлении изделий методом центробежного литья.

Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого технического решения критерию "существенные отличия".

При содержании углерода менее 0,4% в предлагаемой стали снижаются устойчивость аустенитной структуры и прочностные свойства. Увеличение его содержания более 0,5 мас. % снижает пластические свойства и трещиноустойчивость.

Марганец наряду с углеродом и никелем является одним из основных легирующих элементов, формирующих аустенитную структуру предлагаемой стали. В выбранных пределах (12,5-14,0 мас.%) марганец в значительной степени обеспечивает повышение механических свойств, особенно прочностных и износостойкости. При содержании марганца менее 12,5% уровень механических свойств начинает заметно снижаться. Увеличение его содержания более 14 мас.% повышает склонность к трещинообразованию из-за возрастающей линейной усадки в процессе кристаллизации металла.

Кремний вводится в предлагаемую сталь главным образом по технологическим причинам как раскислитель при выплавке. Снижение его содержания менее 0,3 мас. % ухудшает раскисленность стали, что снижает механические свойства, при содержании кремния более 0,9 мас.% возрастает склонность к трещинообразованию в связи с увеличением количества карбидов по границам зерен при первичной кристаллизации, понижается устойчивость аустенита, что способствует повышению магнитной проницаемости.

Пределы содержания хрома 5,0-6,0 мас.% способствуют стабилизации аустенитной структуры, повышению износостойкости предлагаемой стали. При содержании хрома менее 5,0 мас.% указанные характеристики понижаются. Превышение верхнего уровня содержания указанного элемента, не увеличивая износостойкости, несколько снижает ударную вязкость.

Введение в предлагаемую сталь никеля способствует измельчению структуры, повышает пластические свойства и ударную вязкость, устойчивость против образования трещин. В выбранных пределах (6,0-7,0 мас.%) в сочетании с другими аустенизаторами (углеродом, марганцем, бором и медью) никель обеспечивает получение устойчивой аустенитной структуры, что снижает магнитную проницаемость стали.

Ванадий в выбранных пределах 0,65 - 1,0 мас.% в предлагаемой стали существенно повышает ее прочностные свойства и износостойкость. Понижение содержания ванадия за пределы легирования заметно уменьшает указанные выше характеристики. Увеличение его содержания более 1,0 мас.% существенно понижает механические свойства, особенно пластичность и ударную вязкость.

Дополнительное введение в сталь молибдена способствует измельчению структуры при кристаллизации, повышению уровня механических свойств и трещиноустойчивости. При содержании молибдена менее 0,2 мас.% указанный эффект заметно не проявляется. Превышение верхнего предела 0,6 мас.% способствует увеличению магнитной проницаемости.

Дополнительное введение в сталь меди в пределах 0,1-0,4 мас.% улучшает ее жидкотекучесть, трещиноустойчивость, способствует измельчению литой структуры, повышению механических свойств. При снижении ее содержания за пределы легирования указанный эффект уменьшается, переход за верхний уровень пределов легирования способствует снижению механических свойств стали после термической обработки.

Дополнительное введение в сталь бора в пределах 0,002-0,006 мас.% измельчает литую структуру, тормозит рост столбчатых кристаллов, что увеличивает трещиноустойчивость стали. Указанный элемент увеличивает также стабильность аустенита. При его содержании менее 0,002 мас.% указанный эффект снижается. При переходе за верхний уровень легирования 0,006 мас.% по границам зерен появляется борсодержащая фаза эвтектического происхождения, что снижает механические свойства стали, в том числе трещиноустойчивость.

Дополнительное введение в сталь церия в пределах 0,005-0,08 мас.% повышает ее трещиноустойчивость, жидкотекучесть и механические свойства. Являясь сильным раскислителем и модификатором церий способствует глубокому обессериванию стали и измельчению зерна. При содержании менее 0,005 мас.% положительное влияние церия заметно не проявляется. При превышении верхнего предела легирования эффективность его воздействия не возрастает из-за загрязнения металла избыточными, не связанными благоприятным образом продуктами раскисления, что заметно снижает пластичность и ударную вязкость.

Дополнительное введение в сталь карбидов ниобия в количестве 0,05-0,15 мас.% повышает износостойкость стали, способствует измельчению зерна, устранению столбчатой структуры, что улучшает трещиноустойчивость, механические свойства. Выход за нижний предел легирования значительно снижает указанные преимущества. При содержании карбидов ниобия выше верхнего предела заметно ухудшает механические свойства, особенно пластичность и ударную вязкость.

Предлагаемую и известную стали выплавляют в 60-килограммовой индукционной печи с основной футеровкой методом переплава.

При выплавке сталей применяют шихтовые материалы, соответствующие требованиям ГОСТов и других стандартов, выплавку и заливку производят по одной технологии.

Из опытных составов отливают следующие пробы для исследования требуемых свойств: трефовидные и на трещиноустойчивость при затрудненной усадке.

Трефовидные пробы подвергают термической обработке по режиму: нагрев под закалку при температуре 1100^oC, выдержка 2 ч, принудительное воздушное охлаждение. Старение при температуре 660^oC, выдержка 35 ч, охлаждение на воздухе. Из этих проб после разрезки на лепестки изготавливают образцы для определения химического состава, испытаний механических свойств, износостойкости и магнитной проницаемости.

Определение стандартного комплекса механических свойств при растяжении (пределов прочности и текучести, относительного удлинения и сужения) производят на образцах диаметром 5 мм (тип 3) по ГОСТ 1497- 84. Ударную вязкость определяют на образцах с надрезом (тип 1) по ГОСТ 9454-78. Твердость по Бринеллю замеряют в соответствии с требованиями ГОСТ 9012-59.

Испытания на износостойкость в условиях абразивного изнашивания проводят на лабораторной установке со специальным ротором, вращающимся с частотой 5000 об/мин при скорости абразивного потока 28 м/с.

Относительную износостойкость () определяют как отношение потерь массы образца из известной стали и образца из предлагаемой стали.

где P - потеря массы.

Определение магнитной проницаемости опытных сталей производится на ферротестере с использованием образцов диаметром 5 мм и длиной 100 мм.

Изучение склонности опытных сталей к образованию горячих трещин производится на специальных кольцевых пробах с различным сечением. При формовке колец болван выполняется с использованием прочной жидкостекольной смеси, что затрудняет свободную линейную усадку охлаждающихся отливок и увеличивает вероятность образования трещин в местах перехода стенок различной толщины.

Порошок карбидов ниобия (NbC), соответствующий требованиям ТУ 6-09-03-6-75, с размером частиц 10-15 мкм, вводится в печь после окончательного раскисления непосредственно перед сливом металла в подогретый ковш.

Химические составы опытных плавок предлагаемой и известной сталей приведены в табл. 1, результаты испытаний - в табл. 2.

Результаты показывают, что прочностные свойства предлагаемой стали в среднем на 15%, а износостойкость - на 37% выше, чем известной.

Предлагаемая сталь имеет значительное преимущество перед известной по трещиноустойчивости и более низкие значения магнитной проницаемости.