аустенитная сталь

Формула изобретения

Аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, азот, молибден, ванадий, титан, медь, никель и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вольфрам и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	0,42-1,70
кремний	0,45-4,51
марганец	7,8-20,2
хром	12,5-20,9
азот	0,17-0,51
молибден	0,05-0,22
ванадий	0,03-0,12
вольфрам	0,05-0,10
титан	0,01-0,15
медь	0,20-0,55
никель	0,23-1,20
бор	0,0010-0,0250
железо	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для изготовления и наплавки поверхности деталей (подшипники скольжения, втулки, направляющие и др.), работающих в тяжелых условиях контактного нагружения (высокие нагрузки, интенсивный нагрев, плохие условия смазки, присутствие абразивных частиц, наличие коррозионной среды).

В настоящее время известны следующие аналоги заявляемой стали.

Аустенитная нержавеющая сталь, стойкая против заедания, содержащая (мас.%):

углерод	0,03-0,10
хром	14-16
никель	14-17
марганец	0,5-3,0
кремний	0,4-5,5
азот	0,30
фосфор	0,05
сера	0,05
железо	остальное

Патент США №4146412, кл. 148/38 (С22С 38/02, С22С 38/58), заявл. 30.05.1978, №910484, опубл. 27.03.1979.

Данная аустенитная нержавеющая сталь содержит малое количество элементов внедрения - углерода (0,03-0,10 мас.%) и азота ( 0,30 мас.%) и вследствие этого обладает низким сопротивлением абразивному изнашиванию. Абразивное изнашивание является очень распространенным и интенсивным видом изнашивания, который существенно ограничивает срок службы многих деталей и узлов машин. Известно, что уровень абразивной износостойкости сталей различных классов, в том числе аустенитных, сильно зависит от содержания в них элементов внедрения - углерода и азота, которые определяют исходную прочность сталей и сплавов, а также их способность к деформационному упрочнению в процессе изнашивания. Низкая концентрация углерода в твердом растворе (аустените) и малое количество высокопрочных специальных карбидов в структуре анализируемой аустенитной стали являются причинами невысокой прочности поверхности и соответственно интенсивного изнашивания данной стали в условиях абразивного воздействия.

Известна также высокомарганцевая аустенитная хромистая нержавеющая сталь, содержащая (мас.%):

углерод	0,12
кремний	0,1-1,0
марганец	8,0-14,0
хром	12.0-17.0
азот	0,01-0,30
молибден	0,10-0,30
никель	0,50-3,50
железо	остальное

Патент Японии №53-31811, кл. 10 J-172 (МКИ С22С 38/58), опубл. 0.5.09.1978. Авторы Созяма Нобуо, Оака Каюки, Аракава Мотохико, Ямагути Иосинори, Исида Саки.

Сталь легирована малым количеством элементов внедрения 0,12 мас.% углерода и 0,01-0,30 мас.% азота, вследствие чего ее абразивная износостойкость низка. Это ограничивает область применения рассматриваемой стали в качестве износостойкого конструкционного материала относительно небольшим кругом деталей, при эксплуатации которых исключено попадание в зону трения твердых абразивных частиц.

Известна также аустенитная нержавеющая сталь с высокой задиростойкостью, содержащая (мас.%):

углерод	0,15
кремний	2,5-5,5
марганец	6-12
никель	5-15
хром	13-25
бор	(1-100)·10 -4
и (или) кальций	(1-100)·10-4

более одного элемента из ряда:

титан	<2,0
ниобий	<2,0
кобальт	<4,0
вольфрам	<1,5
железо	остальное

Патент Японии №54-150316, кл. 10 J-172 (C22C 38/58), заявл. 18.05.1978, №55-59573, опубл. 25.11.1979.

Сталь содержит малое количество углерода и в ней, кроме того, отсутствует азот. Хотя сталь легирована бором, оказывающим положительное влияние на сопротивление сталей абразивному изнашиванию, однако содержание бора в стали невелико (1-100)·10 ^-4 и, вследствие этого, не может в полной мере компенсировать недостаток в степени легированности стали углеродом и азотом, которые оказывают определяющее влияние на абразивную износостойкость стальных поверхностей. По этой причине абразивная износостойкость рассматриваемой стали невелика. При трении и изнашивании в анализируемой аустенитной стали из-за отсутствия в ней азота не получает заметного развития механизм планарного скольжения дислокации. Планарное скольжение дислокации в аустените, как показано исследованиями авторов предлагаемой заявки, приводит к существенному снижению коэффициента трения нержавеющих аустенитных сталей. Отсутствие в рассматриваемой стали активного планарного скольжения дислокации является причиной ее повышенных коэффициента трения и интенсивности адгезионного изнашивания в условиях трения скольжения.

Наиболее близкой по составу к заявляемой стали является выбранная в качестве прототипа аустенитная сталь (мас.%):

углерод	0,05-0,15
кремний	3,0-5,0
марганец	17-23
хром	14-18
азот	0,18-0,30
молибден	0.05-0,20
ванадий	0,03-0,10
титан	0,01-0,10
медь	0,25-0,50
никель	0.25-3,00
железо	остальное

Патент Российской Федерации №2207397 С2 (МКИ С22С 38/58), опубл. 27.06.2003 - Бюллетень №18.

Сталь-прототип легирована небольшим количеством углерода (0,05-0,15 мас.%) и азота (0,18-0,30 мас.%), роль которых в формировании у сталей высокого уровня абразивной износостойкости чрезвычайно велика. В силу этого, основным недостатком прототипа, как и приведенных выше аналогов, является его низкое сопротивление абразивному изнашиванию. В реальных условиях эксплуатации машин, механизмов, приборов, когда имеет место проникание твердых абразивных частиц из окружающей среды в зону контакта трущихся стальных деталей, происходит их ускоренное абразивное изнашивание, приводящее в конечном итоге к сокращению ресурса работы узла и всего изделия. По этой причине к конструкционным материалам, предназначенным для деталей и узлов трения скольжения, предъявляется также требование повышенной абразивной износостойкости. Разработка аустенитных сталей, обладающих одновременно высоким сопротивлением адгезионному и абразивному видам изнашивания, а также пониженным коэффициентом трения, является, таким образом, актуальной и сложной материаловедческой проблемой.

В основу изобретения была положена задача получения аустенитной стали, обладающей повышенной абразивной износостойкостью при сохранении значительного сопротивления адгезионному изнашиванию и относительно низкого коэффициента трения в условиях скольжения пар сталь-сталь.

Поставленная задача решается благодаря тому, что известная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, азот молибден, ванадий, титан, медь, никель и железо, дополнительно содержит вольфрам и бор при следующих соотношениях компонентов (мас.%):

углерод	0,42-1,70
кремний	0,45-4,51
марганец	7,8-20,2
хром	12,5-20,9
азот	0,17-0,51
молибден	0,05-0,22
ванадий	0,03-0,12
вольфрам	0,05-0,10
титан	0,01-0,15
медь	0,20-0,55
никель	0,23-1,20
бор	0,001-0,025

Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемая сталь отличается дополнительным содержанием вольфрама и бора при определенном соотношении компонентов. Это подтверждает соответствие критерию изобретения «новизна».

С целью доказательства соответствия предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» рассмотрим отличительные признаки объекта и других известных технических решений данного раздела техники.

В результате исследований, проведенных авторами предлагаемого изобретения, было впервые установлено, что наличие активного планарного скольжения дислокации в азотсодержащих хромомарганцевых нержавеющих аустенитных сталях приводит к существенному снижению их коэффициента трения и интенсивности адгезионного изнашивания в условиях сухого трения скольжения пар металл-металл. Последующие исследования этих же авторов показали, что активное планарное скольжение дислокации, обусловливающее снижение сопротивления поверхностного слоя пластической деформации в направлении трения, оказывает отрицательное влияние на абразивную износостойкость азотсодержащих низкоуглеродистых хромомарганцевых аустенитных сталей. Известно, что абразивная износостойкость аустенитных сталей может быть существенно повышена за счет увеличения содержания в них таких элементов, как углерод, азот, бор. Однако рост содержания углерода в аустените, приводящий к увеличению энергии дефектов упаковки, препятствует активному развитию в азотсодержащих нержавеющих аустенитных сталях планарного скольжения дислокации. Это должно способствовать увеличению коэффициента трения рассматриваемых сталей. Введение азота в количестве более 0,5 мас.% часто характеризуется ростом коэффициента трения азотсодержащих хромомарганцевых нержавеющих аустенитных сталей. Литературных данных, касающихся влияния бора на развитие в аустенитных сталях планарного скольжения дислокации, нами не было обнаружено.

Суть изобретения заключается в том, что предлагаемый состав азотсодержащей нержавеющей хромомарганцевой аустенитной стали оптимизируется таким образом, чтобы при сохранении в аустените активного планарного скольжения дислокации, обеспечивающего стали низкий коэффициент трения и малую интенсивность адгезионного изнашивания, существенно повысить сопротивления стали абразивному изнашиванию. Увеличение абразивной износостойкости азотсодержащей хромомарганцевой аустенитной стали достигается за счет повышения содержания в ней углерода и азота, а также введения бора и вольфрама. В закаленной от 1100°С стали углерод присутствует преимущественно в виде специальных карбидов титана, ванадия, вольфрама, молибдена и хрома. Часть углерода ( 0,3%) находится в -твердом растворе. Наличие в структуре стали высокопрочных специальных карбидов, а также твердорастворное упрочнение аустенита атомами углерода, азота и бора существенно повышают сопротивление аустенитной стали абразивному изнашиванию. Присутствие в -твердом растворе атомов азота, хрома и марганца способствуют развитию в стали при пластической деформации планарного скольжения дислокации.

Все вышеизложенное обеспечивает соответствие заявляемого объекта критерию «изобретательский уровень».

Для получения заявляемой стали слитки массой 2-50 кг выплавляли в электропечи на воздухе. Содержание серы и фосфора во всех сплавах не превышало 0,03% (мас.). Химический состав сплавов приведен в таблице 1.

Таблица 1
Химический состав сплавов
Сплав №	Содержание элементов, мас.%
	С	Si	Mn	Cr	N	Mo	V	Ti	W	Cu	Ni	В
1	0,09	4,2	21,5	15,5	0,25	0,15	0,08	0,06	-	0,36	1,9	-
2	0,35	0,32	7,36	12,0	0,11	0,04	0,01	0,01	0,02	0,15	0,15	0,0005
3	0,42	0,45	7,8	12,6	0,17	0,05	0,03	0,01	0,05	0,2	0,23	0,0010
4	0,91	3,2	16,1	16,3	0,27	0,10	0,07	0,08	0,07	0,40	0,60	0,0100
5	1,70	4,51	20,2	20,9	0,51	0,22	0,12	0,15	0,10	0,55	1,20	0,0250
6	1,78	5,50	24,0	22,3	0,55	0,30	0,15	0,22	0,15	0,60	2,00	0,0300

Сплав №1 соответствует прототипу, сплавы №№3, 4, 5 соответствуют заявляемой стали, сплавы №№2, 6 соответствуют сталям, химический состав которых выходит за пределы легирования заявляемой стали. Слитки отжигали при 1200°С в течение 12 часов и ковали в прутки сечением 10×10 мм. Прутки закаливали от 1100°С в воде. После указанной термообработки структура сплавов №№2-6 была аустенитно-карбидной, а сплава №1 (прототип) - аустенитной. В микроструктуре аустенитной матрицы сплавов присутствовали плоские скопления дислокации - мультиполи, свидетельствующие о склонности сталей к планарному скольжению. Из прутков сталей изготавливали образцы размером 7×7×20 мм для испытаний на трение и изнашивание. Испытание сталей на абразивное изнашивание осуществляли в условиях скольжения (возвратно-поступательное движение) рабочей (торцовой) части образцов по поверхности закрепленного абразива - шкурки марки 14А16НМ (электрокорунд зернистостью 160 мкм). Средняя скорость скольжения образца составляла 0,175 м/с, нормальная нагрузка 49 Н, длина рабочего хода образца 100 мм, величина поперечного смещения шкурки за один двойной ход образца 1,2 мм, путь трения - 17,6 м. Относительную абразивную износостойкость материала определяли как отношение потери массы образца армко-железа (эталон) к потере массы образца испытываемого материала. Потери массы образцов измеряли взвешиванием на аналитических весах с точностью 0,0001 г. Абразивную износостойкость материала определяли по результатам 2-4 параллельных испытаний. Испытание материалов на трение изнашивание в условиях сухого трения скольжения (адгезионный механизм изнашивания) выполняли в условиях трения скольжения стальных пар в воздушной среде по схеме палец-пластина. Данные испытания аустенитных сталей проводили в паре со сталью 45 (пластина), термообработанной на твердость 52-54 HRC (закалка от 850°С в масле, отпуск 200°С - 2 часа). Трение осуществляли при возвратно-поступательном движении образца (пальца) со скоростью 0,07 м/с и нормальной нагрузке 294 Н. Путь трения образца составлял 80 м, температура в зоне трения пары не превышала 50°С. Интенсивность изнашивания образцов рассчитывали по формуле I _h=Q/ ·L·S, где Q - потери массы образца, г; - плотность материала образца, г/см³ ; L - путь трения, см; S - геометрическая плотность контакта, см². Коэффициент трения рассчитывали по формуле f=F/N, где F - сила трения, H; N - нормальная нагрузка, Н. Микротвердость сплавов измеряли при нагрузке 1,96 Н. Результаты испытаний приведены в таблицах 2 и 3.

Из таблицы 2 видно, что заявляемая сталь (сплавы №№3,4, 5) имеет в 1,4-1,8 раза более высокую абразивную износостойкость, чем прототип (сплав №1), а также превосходит в абразивной износостойкости сплавы №№2, 6.

Из таблицы 3 следует, что при сухом трении скольжения в паре со сталью 45, когда имеет место адгезионное изнашивание исследуемых пар, коэффициент трения и интенсивность изнашивания заявляемой стали (сплавы №№3, 4, 5) имеют практически такие же величины, как и прототип (сплав №1). Из данной таблицы также видно, что коэффициент трения и интенсивность изнашивания сплавов №№2, 6 заметно выше, чем у заявляемой стали (сплавы №№3, 4, 5).

Таблица 2
Микротвердость (Н) и абразивная износостойкость ( ) сплавов
Сплав №	Н, МПа
1	2600	1,7
2	2800	2,4
3	3300	2,7
4	3550	2,9
5	4200	3,0
6	4250	2,6

Таблица 3
Интенсивность изнашивания (Ih) и коэффициент трения (f) сплавов при испытании в паре со сталью 45 в режиме адгезионного изнашивания
Сплав №	Ih	f
1	1,5·10 -7	0,29
2	2,5·10-7	0,31
3	1,5·10-7	0,29
4	1,5·10 -7	0,29
5	1,4·10-7	0,28
6	1,7·10-7	0,40