Сталь

Винахід відноситься до галузі металургії, зокрема до пошуків складів сталей, переважно теплостійких, для інструмента, який працює у контакті з розплавленим в'язким хімічно активним середовищем при механічних навантаженнях. Відомий склад сталі для ножів різання скломаси (а.с. 1446191 СССР МПК 22С38/48./И.П. Волчок, С.П. Шейко, О.Б. Колотилкин и др.. №4290843/31-02; Заявлено 16.09.87; Опубл. 23.12.88, Бюл. №17. - С.128), який містить (мас.%): вуглець 0,85-0,95 кремній 0,5-0,8 марганець 0,3-0,6 хром 4,0-5,0 вольфрам 2,0-2,5 молібден 1,7-2,0 ванадій 1,6-1,8 нікель 0,3-0,5 ніобій 0,05-0,15 залізо залишок. До недоліків відомого складу сталі треба віднести те, що він забезпечує тільки твердість та корозійну стійкість у розплавленій скломасі. Однак ці показники не повною мірою характеризують опірність сталі впливу в'язких агресивних середовищ, особливо при підвищених температурах. Більш важливими показниками працездатності сталі в таких умовах є величина адгезії в'язкого агресивного середовища до металу та шорсткість поверхні сталі після контакту із середовищем. Відомий склад сталі не забезпечує необхідного рівня цих показників внаслідок утворення великих карбідів та їх нерівномірного розподілу в матриці. Це обумовлено підвищеним вмістом вольфраму і низькими концентраціями молібдену і ванадію. Тому відомий склад сталі не може забезпечити низьку адгезію середовища до металу і низьку шорсткість поверхні сталі. Найбільш близьким за технічною сутністю до рішення, що заявляється, є відомий склад сталі (а.с. 1525229 СССР С22С38/54. Сталь / И,П. Волчок, О.Б. Колотилкин, С.П. Шейко. Х94426396/31-02; Заявлено 17.05.88; Опубл. 30.11.89, Бюл. №44. - С.89), яка також призначена для виготовлення ножів, які контактують з скломасою і яка прийнята за прототип. Відома сталь містить (мас.%): вуглець 0,85-0,95 кремній 0,5-0,8 марганець 0,3-0,6 хром 4,0-5,0 вольфрам 2,0-2,5 молібден 1,7-2,0 ванадій 1,6-1,8 нікель 0,3-0,5 бор 0,002-0,006 залізо залишок. До недоліків відомого рішення можна віднести те, що співвідношення компонентів у сталі забезпечує тільки підвищення твердості та зносостійкості у скломасі. Однак, як було відмічено, ці показники не забезпечують необхідної опірності сталі впливу в'язкого агресивного середовища, особливо при підвищених температурах. Відома сталь має підвищену концентрацію такого потужного карбідоутворюючого елемента, як вольфрам, який, з одного боку, сприяє підвищенню границі міцності при підвищених температурах, а з др угого, утворює досить великі карбіди, які сприяють взаємодії металу з середовищем і, таким чином, знижує опірність сталі впливу агресивного в'язкого силікатного середовища. Понижують опірність сталі і оксиди вольфраму, які вже при температурі, близькій до 600°С, утворюють пористі шари з WO3, які полегшують проникнення агресивного середовища у вн утрішні шари металу. У той же час такі елементи, як молібден та ванадій, які сприяють більш рівномірному розподілу карбідів у металевій матриці і спроможні підвищити опірність сталі впливу скломаси, у відомому складі містяться у недостатній кількості. Відомий склад сталі, навпаки, має підвищений вміст вольфраму і більш низькі концентрації молібдену і ванадію і не спроможний забезпечити низьку адгезію середовища до металу і низьку шорсткість поверхні сталі після контакту із середовищем. В основу винаходу поставлене завдання створення складу сталі з рівномірним розподілом дрібних карбідів у матриці, які забезпечать достатньо низьку адгезію в'язкого середовища до сталі і низьку шорсткість поверхні після контакту із середовищем. Поставлене завдання вирішується таким чином, що у сталі, яка містить вуглець, кремній, марганець, хром, вольфрам, молібден, ванадій, нікель, компоненти містяться при наступному співвідношенні (мас. %): вуглець 0,85-0,95 кремній 0,5-0,8 марганець 0,3-0,6 хром 4,0-5,0 вольфрам 0,5-1,0 молібден 2,5-3,5 ванадій 2,5-3,5 нікель 0,3-0,5 залізо залишок. Сукупність відомих і нових ознак, які заявляються, забезпечує досягнення нового технічного результату - зниження адгезії розплавленого в'язкого хімічно активного середовища до сталі і зниження шорсткості поверхні сталі після контакту із середовищем. Це забезпечить сталі підвищену опірність впливу в'язкого розплавленого середовища та при задовільній зносостійкості сприятимуть підвищенню терміну експлуатації інструмента при виготовленні виробів із цього середовища. Присутність вуглецю у межах 0,85-0,95%, у сполученні з раціональними концентраціями вольфраму (0,5-1,0%), молібдену (2,5-3,5%) і ванадію (2,5-3,5%) сприяють утворенню дрібних карбідів при їх рівномірному розподілу у матриці. Це, в свою чергу, сприяє підвищенню опірності сталі впливу в'язкого розплавленого середовища. Кремній, при його вмісті у сталі в межах 0,50,8%, підвищує стабільність структури та її міцність і в'язкість. Крім цього, при таких концентраціях, при підвищених температурах утворюється захисна кремнієва плівка, яка підвищує опірність сталі впливу в'язких середовищ. При вмісті кремнію, нижчому за 0,5%, його вплив малоефективний, а при вмісті кремнію, більшому за 0,8%, оксидна плівка, яка утворюється, стає крихкою і знижує опірність сталі впливу середовища. Марганець та хром є карбідоутворюючими елементами. Однак, при їх вмісті у сталі менше 0,3% і 4,0% відповідно, їх вплив на стан карбідної фази малоефективний. Для утворення задовільної пластичності металевої матриці та поверхневих оксидних шарів концентрація марганцю не повинна перевищува ти 0,6%. При вмісті хрому більше за 5% утворюються великі карбіди, які знижують як механічні, так і службові властивості сталі. Нікель при вмісті 0,3-0,5% забезпечує сталі задовільну твердість у сполученні з пластичністю і, головне, підвищує пластичність оксидних шарів. При вмісті нікелю менше за 0,3% його вплив незначний як на механічні, так і на службові властивості сталі. При збільшенні концентрації нікелю на понад 0,5% знижуються механічні характеристики і, головне, збільшується адгезія скломаси до металу, що негативно впливає на його опірність впливу середовища. При вмісті вольфраму менше за 0,5% знижуються теплостійкість, яка зменшує механічне зношування ножів при підвищених температурах, при їх взаємному контакті. При вмісті вольфраму більше за 1,0%, внаслідок утворення досить великих карбідів збільшується адгезія скломаси до сталі і зростає шорсткість поверхні сталі при контакті з в'язким силікатним середовищем. Присутність молібдену і ванадію у межах 2,53,5% кожного забезпечує утворення здрібнених карбідів при їх рівномірному розподілі в металевій матриці. Це, в свою чергу, знижує адгезію в'язкого середовища до сталі, знижує шорсткість поверхні сталі після контакту з агресивним середовищем. Аналоги, які містять ознаки, що відрізняють рішення, яке заявляється від прототипу, не виявлені, і рішення, таким чином, не випливає з рівня техніки. На підставі цього можна зробити висновок про те, що рішення, яке заявляється, задовольняє критерію "винахідницький рівень". Для експериментальної перевірки складу, який заявляється, виливки із сталі одержували шляхом переплавлення шихтових матеріалів в індукційній печі. З метою запобігання впливу сторонніх факторів метал постійного складу розливали методом фракційного розливання із зростаючими до 5% присадками вольфраму, молібдену і ванадію. При проведенні плавок використовували феросиліцій, феромарганець, ферохром, ферованадій, нікель. Для запобігання насичення розплавленого металу газами наводили шлак сумішшю, яка містить пісок та плавиковий шпат. Температура металу при випуску з печі складала 1710±5°С, а при заливанні у сухі піщано - глинисті форми - 1640±5°С. Одержані виливки мали діаметр 40мм та довжину 210мм, з яких виготовляли зразки для контролю хімічного складу, стр уктури та для досліджень механічних властивостей, а також спеціально розроблених службових показників, які характеризують фізико-механічні та фізико-хімічні процеси, які діють у зоні контакту металу з розплавленим в'язким агресивним середовищем. Для визначення службових характеристик використані такі показники, як коефіцієнт адгезії середовища до сталі А та зміна шорсткості поверхні сталі після контакту з середовищем Ra (Колотилкин О.Б. Методология оценки характеристик контакта конструкционных материалов с вязкой агрессивной средой // Проблемы трибологии (Problems ofTribology). 2001. - №3, 4. - C.33-37). Для визначення коефіцієнта адгезії А використовували зразки із сталі діаметром 10мм та товщиною 10мм і зразки із скла діаметром 5мм і висотою 5мм. Зразок із скла встановлювали на зразок із сталі і нагрівали у спеціальній установці до температури 750°С (робоча температура на поверхні ножа). Коефіцієнт адгезії визначали як відношення площі поверхні зразка із сталі, до якої прилипла скломаса, до площі поверхні зразка, яка зайнята всією краплею скломаси. Шорсткість Ra визначали за допомогою профілографапрофілометра на зразках з розмірами 10х10х20мм до і після контакту зразків із скломасою. Одержані результати порівнювали із зносостійкістю G, яку визначали за стандартною методикою з використанням установки МИ-1. Усі зразки перед випробуваннями були термічно оброблені (загартування і потрійний відпуск). Після термічної обробки структура сталі була мартенситною, твердість 62-64 HRC. Для порівняльних випробувань було виплавлено відомий склад сталі згідно з а.с. 1525229 наступного хімічного складу: 0,87% С, 0,62%Si, 0,43%Mn, 4,86%Cr, 2,34%W, 1,84%Mo, 1,72%V, 0,38%Ni, 0,003%B, Fe - залишок. Зразки з відомого складу випробували одночасно із зразками з сталі склад якої заявляється. Результати порівняльних випробувань подалі в таблиці. Із поданих у таблиці результатів виходить, що склад сталі, що заявляється (умовні номери 3, 4, 5), у порівнянні з відомим (умовний номер 8), має більш низькі значення коефіцієнта адгезії А та більш низьке значення шорсткості Ra при задовільній зносостійкості G. В умовах виробництва це дозволить внаслідок підвищеної опірності впливу в'язкого середовища підвищити якість виробів, які виготовляються, із в'язкого "середовища та збільшити експлуатаційний ресурс інструменту з переробки цього середовища. На підставі вищевикладеного, стає можливим зробити висновок про те, що те хнічне рішення, яке заявляється може бути використано у техніці і задовольняє критерію "промислова застосовуваність". Результати порівняльних випробув Умовний номер зразка Вміст елементів,(мас.%) С Si Mn Cr W Mo V Ni В F 1 2 3 4 5 6 7 8 а.с.1525229 (прототип) 0,83 0,87 0,91 0,94 0,98 0,96 0,88 0,87 0,67 0,70 0,69 0,72 0,73 0,75 0,74 0,62 0,47 0,49 0,48 0,52 0,51 0.50 0,46 0,43 4,31 4,46 4,43 4,52 4,58 4,57 4,61 4,86 0,23 0,51 0,73 0,97 1,24 1,46 1,54 0,51 1,08 2,43 2,92 3,47 3,91 4,39 1,84 0,48 1,02 2,39 2,89 3,38 4,01 4,42 1,72 0,38 0,37 0,43 0,41 0,46 0,42 0,48 0,38 0,003 залиш. залиш. залиш. залиш. залиш. залиш. залиш. залиш. 0,53 0,41 0,32 0,28 0,37 0,67 0,78 0,58 0,20 0,20 0,21 0,25 0,27 0,46 0,52 0,34 188,4 179,5 134,2 132,5 130,7 138,4 138,2 167,2