Інструментальна сталь

Інструментальна сталь, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, вольфрам, залізо, яка відрізняється тим, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, вольфрам і залізо при такому співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець 0,40-0,52 кремній 0,90-1,20 марганець 0,80-1,20 хром 0,90-1,30 вольфрам 0,40-0,90 залізо решта. Корисна модель відноситься до металургії, зокрема до низьколегованих інструментальних сталей підвищеної міцності з високою ізносостійкістю, призначених для виготовлення сталевих корпусів бурового інструменту, штампів та іншого інструменту, які використовують у гірничновидобувній, металургійній, машинобудівельній, та інших галузях промисловості. Аналогами запропонованого корисної моделі є відома легована сталь марки 35ХГСА, [описана авторами Поляковим С.Н., Евдокимовим В.Д. „Упрочнение метал лов” Справочник. -М.: Ма шиностроение, 1986, с.5], такого складу (мас. %): вуглець 0,32-0,39 кремній 1,10-1,40 марганець 0,80-1,1 хром 1,10-1,40 залізо решта Сталь марки 35ХГСА використовують для виготовлення корпусів бурових коронок та штампів для горячої штамповки. Позитивною властивістью цієї сталі є її низька вартість. Недоліком цієї сталі є те, що вона не може гартуватись на повітрі, що призводить до неможливості забезпечення необхідного рівня міцності корпусу бурови х коронок в процесі виробництва. Для забезпечення потрібного рівня міцності корпусу необхідно, після здійснення паяння сталевого корпусу з твердосплавними вставками, яке відбувавється при температурі паянного нагріву (930960°С) обов’язково загартувати його у лужній вані. При цьому забезпечується необхідне швидке охолодження корпусу, а також твердосплавних вставок до температури орієнтовно 300°С для ізотермічної витримки. В ціх умовах, зважаючи на значно низкий коефіцієнт теплопрвідності матеріала твердосплавних вставок (0,065вт/м°С), виникає високий рівень напруг, який часто приводить до появи тріщин в твердосплавних вставках ще до початку експлуатації бурового інструменту. Таке явище сприяє крихкому руйнуванню твердосплавних вставок та передчасному виходу з ладу бурової коронки. Необхідність гартування коронки у лужній вані є основним недоліком сталі марки 35ХГСА при виробництві корпусів бурового інструменту. Відома легована конструкційна сталь марки 38ХНЗМФА (ГОСТ 4543-71). Ця сталь має можливість загартовуватися на повітрі, тобто при повільному охолоджений і іноді використовується для виготовлення корпусів бурового інструменту. Сталь марки 38ХНЗМФА містить вуглец кремній, (19) UA (11) 25371 (13) U (21) u200702410 (22) 05.03.2007 (24) 10.08.2007 (46) 10.08.2007, Бюл. № 12, 2007 р. (72) Патон Борис Євгенович, Богаченко Олексій Георгійович, Богаченко Таміла Олексіївна, Бурлика Анатолій Пилипович, Бурлика Євген Анатолійович, Карий Ми хайло Олександрович, Нейло Юрій Сергійович, Нетовканий Валерій Іванович, Мельник Василь Іванович, Мельник Віталій Іванович, Пак Валерій Михайлович (73) АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО ЗАКРИТОГО ТИПУ "УКРМАШПРОМ", ІНСТИТУТ ЕЛЕКТРО 3 25371 марганець, хром, нікель, молібден та залізо при такому співвідношенні компонентів(мас. %): вуглець 0,33-0,40 кремній 0,17-0,37 марганець 0,25-0,50 хром 1,20-1,50 нікель 3,0-3,50 молібден 0,35-0,45 ванадій 0,10-0,18 залізо решта Недоліками наведеної марки сталі є низький рівень твердості при загартуванні на повітрі , що негативно впливає на її зносостійкість, а також велика вартість, так як вона містить нікель, молібден та ванадій. Найближчою за технічною суттю та отримуваним ефектом є інструментальна штампова сталь 5ХНВС (ГОСТ 5950-2000) Общие технические условия. „Прутки, полосы и мотки из инструментальной легированной стали”, яку обрано за прототип. Сталь 5ХНВС містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, вольфрам та залізо при такому співвідношенні компонентів(мас. %): вуглець 0,50-0,60 кремній 0,60-0,90 марганець 0,30-0,60 хром 1,30-1,60 нікель 0,80-1,20 вольфрам 0,40-0,70 залізо решта Сталь 5ХНВС в покращеному стані (гартування + відпуск) використовують переважно для виробництва штампів, де вона має задовільні показники при підвищених температурах. Недоліком вказаної сталі є те, що при кімнатній або близьких до неї температур, при яких працює корпус коронки, що зроблений з неї, при бурінні порід невисокої та середньої міцності, має низьку зносостійкість. Технічною задачею корисної моделі є покращення зносостійкості інструментальної сталі шляхом підвищення її твердості при достатньому рівні ударної в’язкості. Вказана задача вирішується завдяки зменшенню вмісту вуглецю та хрому, збільшенню вмісту кремнія, повної заміни нікелю на марганець, та збільшенням вмісту вольфраму.Вольфрам вводиться в склад шляхом переплаву відпрацьованого різноманітного інструменту, тобто у ви гляді шихти, що значно знижує собівартість останього. Пропонована інструментальна сталь, містить вуглець, кремній, марганець, хром, вольфрам та залізо при такому співвідношенні компонентів (мас. %) вуглець 0,40-0,52 кремній 0,90-1,20 марганець 0,80-1,20 хром 0,90-1,30 вольфрам 0,40-0,90 залізо решта 4 Пропонована сталь в указаних інтервалах забезпечує позитивні характеристики високої твердості та задовільної ударної в’язкості і прокалювання, що підвищує зносостійкість в покращенному стані (гартування на повітрі + відпуск) Враховуючи невеликий переріз корпусу бурової коронки немає необхідності застосування нікелю для забезпечення наскрізного прокалювання корпусу. В складі сталі нікель повністю замінено на марганець. Окрім того, марганець в обраних межах ефективно підвищує твердість сталі. Виключення нікелю з складу пропонованої сталі, також значно знижує її вартість. Кремній в наведенних межах сприяє підвищєню твердості і прокалюванню сталі. Окрім того, кремній покращує ли ттєві якості сталі. Хром і вольфрам значно підвищують твердість, міцностні характеристики та прокалювання сталі. Межі вмісту хрома і вольфрама обумовлені необхідністю задовільної ударної вязкості, а також впливом цих елементів на положення критичних крапок і поліморфного перетворення в металі. Враховуючи вище сказане, прийняти межі вмісту хрома 0,90...1,30% та вольфрама 0,40...0,90%. Дослідні плавки проводили на установці для електрошлакової плавки та розливу металу. В якості витратного електрода для переплаву були використані бурові коронки з твердосплавними вставками, що відробили свій ресурс використання. Отримані 42кг рідкої сталі розливали у заготівки, з яких відбирали зразки для проведення досліджень. Після кінцевої термообробки зразків (гартування 940°С, повітря + відпуск 280°С, повітря) мікростуктура представляє собою мартенсіт відпуску. Хімічний склад сталі-прототипу і пропонованої сталі наведені в таблиці 1. В таблиці 2 приведені результати дослідів зразків вказаних сталей. З даних таблиці 2 встановлено, що обрана сталь має високу міцність і твердість при задовільних показниках ударної вязкості, що обусловлює хорошу зносостійкість корпусів бурових коронок та твердосплавних вставок при бурінні порід невисокої та середньої твердості. Підвищення вмісту вуглецю, кремнію, марганцю, хрома і вольфрама вище вказаних меж приводить до підвищення характеристик міцності та твердості з значним зниженням ударної вязкості. При цьому погіршується зносостійкість бурових коронок. При зниженні вмісту легуючи х елементів нижче вказаних меж, знижується ефект карбидного упрочнения сталі (падає міцність), що також знижує зносостійкість бурової коронки. Ефективність пропонованої сталі була перевірена на бурових коронках з діаметром робочої частини 110мм. Кількість крихких руйнувань твердосплавних вставок значно знизилась, зносостойкість коронок з нової сталі підвищилась на 15-30%. 5 25371 6 Таблиця 1 № плавки вуглець 1 0,56 2 3 4 0,40 0,47 0,52 5 6 0,36 0,57 Масова доля елементів, % марганець хром нікель Прототип, 5ХНВС 0,86 0,54 1,36 0,92 Пропонована сталь 0,91 0,80 0,90 нет 1,02 1,04 1Д2 нет 120 1,20 1,30 нет Сталь з замежним вмістом елементів 0,70 0,66 0,78 нет 1,40 1,34 1,43 нет Кремній вольфрам залізо 0,63 решта 0,40 0,64 решта решта решта 0,35 0,96 решта решта Таблиця 2 Тип стали Сталь-прототип нова сталь № плавки 1 2 3 4 5 6 Комп’ютерна в ерстка Г. Паяльніков s в МП А 1870 1710 1780 1825 1580 1860 KCU Дж/см 2 26 36 34 31 39 20 Підписне HRc 53 42 47 50 40 56 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601