Зносостійка сталь

Корисна модель відноситься до області металургії, а саме до складів сталей, і може бути використана при виробництві сталей, вироби з яких піддаються абразивному зношуванню. Відома зносостійка сталь [див. патент України №54661, заявл. 17.10.2001 р., опубл. 17.03.2003р., М. Кл.7 В32В 15/18, С22С 36/18], яка містить вуглець, хром, марганець, кремній і залізо. Сталь містить компоненти в такому співвідношенні, мас. %: вуглець 0,9-1,5 хром 0,3-0,5 марганець 1,1-1,5 кремній 1,2-1,5 титан 0,05-0,15 миш’як 0,12-0,20 сірка 0,03-0,06 фосфор 0,03-0,06 залізо решта. Відому сталь використовують переважно для деталей коксохімічного та металургійного обладнання. Проте відома сталь має недостатню зносостійкість та низький рівень технологічності при термообробці виробів, виготовлених з неї. Найбільш близькою до сталі, яка заявляється, за технічною суттю та технічним результатом, що досягається, є зносостійка сталь [див. деклараційний патент України на корисну модель №13949, М. Кл.7 С22С 38/18, заявл. 21.11.2005р., опубл. 17.04.2006р.], яка містить вуглець, хром, марганець, кремній і залізо. Сталь містить компоненти в такому співвідношенні, мас. %: вуглець 1,20-1,70 хром 2,00-3,00 марганець 0,17-1,50 кремній 0,17-1,20 залізо решта. Відома сталь має достатньо високу зносостійкість, але невисокий рівень технологічності при термічній обробці. Це пов'язано з тим, що перлітне перетворення при охолодженні від температури гартування відомої сталі починається через відносно короткий час, що обумовлює невисоку прогартовуваність. У зв'язку з цим відома сталь може бути використана для виготовлення та термообробки деталей із невеликим перетином (~10мм). При цьому висока зносостійкість виробів може бути отримана в результаті гартування від достатньо високої температури (1070°), що пов'язано із значною витратою електроенергії. Це також знижує технологічність термообробки відомої сталі та обмежує область її використання. В основу технічного рішення поставлена задача вдосконалення складу зносостійкої стали, в якій нове співвідношення компонентів дозволяє одержати аустеніт, більш стійкий в інтервалі температур перлітного перетворення, що дозволяє оптимізувати умови гартування, та за рахунок цього забезпечити підвищення рівня технологічності при термообробці з одночасним зберіганням зносостійкості. Поставлена задача вирішується тим, що у відомій зносостійкій сталі, яка містить вуглець, хром, марганець, кремній, залізо, відповідно до технічного рішення, новим є те, що вона містить компоненти в такому співвідношенні (мас. %): вуглець 1,00-1,50 хром 0,17-2,00 марганець 1,50-5,00 кремній 0,17-1,20 залізо та неминучі домішки решта. Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєви х ознак корисної моделі, яка заявляється, та технічним результатом, що досягається, полягає в тому, що сукупність ознак, які заявляються, а саме: - нове співвідношення всіх компонентів сталі, яка містить (мас. %): вуглець - 1,00-1,50; хром - 0,17-2,00; марганець - 1,50-5,00; кремній - 0,17-1,20, залізо та неминучі домішки - решта, в сукупності з відомими ознаками дозволяє збільшити час до початку перлітного перетворення та знизити температуру гартування, підвищити прогартовуваність виробів з заявленої сталі та знизити енерговитрати на термообробку. Заявлене співвідношення компонентів зносостійкої сталі є необхідним та достатнім для досягнення необхідного технічного результату. Це пояснюється таким. Заявлене співвідношення компонентів сталі дозволяє значно загальмувати процес перлітного перетворення під час гартування, тобто збільшити мінімальний час початку перлітного перетворення. В результаті досягається необхідна однорідна аустенітна структура металу в об'ємі деталей, що дозволить піддавати гартуванню вироби з заявленої сталі значно більшого перетину в порівнянні з виробами, виготовленими із сталі, відомої з прототипу. У зв'язку з цим заявлений склад зносостійкої сталі дозволяє одержувати структур у нестабільного аустеніту після гартування стали від меншої температури, ніж температура гартування відомої сталі, що дозволяє знизити енерговитрати при гартуванні заявленої сталі. Таким чином, забезпечується високий рівень технологічності термообробки заявленої сталі. Експериментально встановлено, що достатньо високу зносостійкість при необхідній технологічності мають вироби зі сталі, компоненти якої взяті в заявленому співвідношенні. Вироби зі сталі, яка містить компоненти в позамежних значеннях, мають гірші експлуатаційні властивості. Вміст вуглецю в заявленій зносостійкій сталі знаходиться в межах 1,00-1,50мас.%. Оскільки вуглець сприяє збільшенню зносостійкості сталі, то у випадку, якщо його кількість буде нижчою за заявлену, зносостійкість сталі значно знизиться. Якщо вміст вуглецю вищий за заявлений, то в процесі термічної обробки можуть з'явитися надлишкові карбіди, що негативно позначиться на властивостях сталі. Марганець є елементом, який сприяє одержанню аустенітної структури сталі, тому що він істотно уповільнює перлітне перетворення та знижує температуру початку мартенситного перетворення сталі. Тому недостатня кількість марганцю в сталі (нижча за заявлену) не забезпечить одержання аустенітної структури внаслідок можливого утворення продуктів дифузійного розпаду аустеніту, що приведе до зниження зносостійкості. При збільшенні кількості марганцю в заявленій сталі вище 5,00мас.% підвищується стабільність аустеніту термообробленої сталі, що також знижує зносостійкість. При вмісті хрому в сталі нижче нижньої межі відбувається зменшення прогартовуваності, зносостійкість сталі зменшується. Вміст хрому ви ще вер хньої межі призводить до випадання карбідів, що знижує зносостійкість і механічні властивості сталі. Таким чином, одночасне введення у склад зносостійкої сталі компонентів у заявленому співвідношенні забезпечує підвищення рівня технологічності при термообробці сталі з зберіганням зносостійкості. Були виготовлені дослідні зразки із зносостійкої сталі, яка містить вуглець, хром, марганець, кремній, залізо, з співвідношенням компонентів, що заявлене, та з таким, що виходить за заявлені межі. Зразки піддавалися гартуванню, що проводилося в однакових умовах, після чого здійснювали дослідження впливу складу стали на її властивості. Результати дослідження наведені в таблиці, де t - мінімальний час до початку перлітного перетворення, Тз - температура гартування, e - відносна зносостійкість. Таблиця № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. С 0,80 1,00 1,20 1,50 1,70 1,30 1,30 1,30 1,30 1,30 1,50 Вміст компонентів сталі, мас. % Fe та неминучі Cr Mn Si домішки 0,50 3,00 0,50 решта 0,50 3,00 0,50 "-" 0,50 3,00 0,50 "-" 0,50 3,00 0,50 "-" 0,50 3,00 0,50 "-" 0,50 0,50 0,50 "-" 0,50 1,50 0,50 "-" 0,50 3,00 0,50 "-" 0,50 5,00 0,50 "-" 0,50 6.00 0,50 "-" 3,00 0,30 0,50 "-" tτ, сек. Тз, °С e 100 100 100 100 100 10 60 100 100 500 10 890 910 930 1030 1120 850 900 930 950 980 1070 1.9 2,2 2,3 2,2 2,1 2,1 2,2 2,3 2,2 1,8 2,5 У прикладах №№1-5 наведені показники дослідних зразків, виготовлених зі сталі, що містила середню кількість компонентів, а саме марганцю - 3,00мас.%, кремнію - 0,50мас.% і хрому - 0,50мас.%, а кількість вуглецю становила відповідно 0,80; 1,00; 1,20; 1,50; 1,70мас.%. Найкращі показники, які характеризуються температурою гартування та відносною зносостійкістю, отримані в зразках за прикладами 2-4. При цьому показники, які характеризують відносну зносостійкість зразків зі сталі, що містить вуглець в кількості менше заявленої, значно нижче (приклад 1). При збільшенні кількості вуглецю більше заявленої відносна зносостійкість також нижча, та складає 2,1, що обумовлено надлишковим вмістом вуглецю. Крім того, в цьому випадку збільшується температура гартування, що додатково погіршує технологічність (приклад 5). У прикладах №№6-10 досліджували зразки, виготовлені зі сталі, що містить середню кількість вуглецю 1,30мас.%, хрому - 0,50мас.%, кремнію - 0,50мас.% а кількість марганцю становить відповідно - 0,50; 1,50; 3,00; 5,00; 6,00мас.%. Найкращі показники мінімального часу початку перлітного перетворення та температури загартування, а також відносної зносостійкості отримані в прикладах 7-9, тобто, для зразків, які містять марганець в заявлених межах. У випадку, коли вміст марганцю менше ніж 1,50мас.% або більше 5,00мас.%, виготовлені з таких сталей зразки мають нижчу зносостійкість у порівнянні з заявленими. В прикладі 11 наведені дані, які характеризують відому сталь за прототипом, що містить вуглець - 1,50мас.%, хром - 3,00мас.%, марганець - 0,30мас.%, кремній - 0,50мас.%, залізо - решта. Мінімальний час до початку перлітного перетворення таких зразків складає 10 секунд, температура гартування - 1070°С, відносна зносостійкість зразків - 2,5. Промислова придатність заявленої корисної моделі підтверджується можливістю одержання зносостійкої сталі з відомих компонентів, узятих в заявленій кількості, на відомому обладнанні. Таким чином, заявлена зносостійка сталь має підвищений рівень технологічності при термообробці виробів, виготовлених з неї при збереженні достатньо високої зносостійкості, що дозволить виготовленим з заявленої сталі виробам знайти підвищений попит у споживача.