Зносостійка сталь

Зносостійка сталь, що містить вуглець, марганець, кремній, ванадій, алюміній, цирконій, залізо, яка відрізняє ться тим, що вона додатково містить азот при наступному співвідношенні елементів, мас.% вуглець 0,80-1,10 марганець 0,40-0,80 кремній 0,90-1,20 ванадій 0,45-0,80 алюміній 0,03-0,10 цирконій 0,005-0,035 азот 0,010-0,030 залізо решта (19) (21) 2000031224 (22) 01.03.2000 (24) 16.04.2001 (33) UA (46) 16.04.2001, Бюл. № 3, 2001 р. (72) Проволоцький Олександр Євдокимович, Рабінович Олександр Вольфович, Нестеренко Ігор Михайлович, Ткач Георгій Олександрович, Поліщук Володимир Васильович, Вишняков Олександр Петрович (73) Науково-дослідний інститут спеціальних технологій Національної металургійної академії України 36965 Підвищення у запропонованої сталі кількості кремнію в межах 0,90-1,20% різко ущільнює атомно-кристалічні грати заліза через значні відмінності атомних об'ємів їх грат, що веде до підвищення роботи ударного зруйнування. Крім того, під впливом кремнію цієї кількості підвищується стійкість мартенситу, а температура його розпаду зміщується в бік більш високих температур. Кремній значно уповільнює процес збільшення карбідів при нагріву сталі, що також впливає на зростання роботи ударного зруйнування. Кремній в кількості менше 0,90% впливає на атомно-кристалічні фати заліза, стійкість мартенситу та, відповідно, на механічні властивості сталі. Підвищення кількості кремнію більше 1,20% веде до деформації та трощіння атомно-кристалічних грат заліза, що веде до зниження рівня усіх механічних властивостей металу. Введення в розплав відомого хімічного складу азоту сприяє отриманню при кристалізації природно-дрібнозернистого металу, що має, як відомо, більш високі механічні властивості відносно крупнозернистого металу. Модифікуючий вплив азоту пояснюється утворенням у рідкої сталі нітридів ванадію та цирконію, які стають центрами кристалізації. Крім того, азот є сильним аустенітоутворюючим елементом, тим самим стабілізує аустеніт, знижує температуру евтектоїдного перетворення та сприяє отриманню тонко диференційованого перліту. Збільшення кількості азоту у сталі веде до зменшення концентрації вуглецю в ефтектоїді, що при розпаді аустеніту сприяє утворенню дрібнодисперсних частинок карбідів ванадію та цирконію. Сталь із структурою тонко диференційованого перліту, зміцненого дрібними, рівномірно розташованими частками карбідів і нітридів ванадію та цирконію, має високу твердість, міцність та зносостійкість. Частки карбідів і нітридів ванадію та цирконію у тілі зерен, стають перешкодою для поширення в'язкості тріщини, що збільшує енергоємність зруйнування та зменшує критичну температуру крихкості. Збільшення зносостійкості деталей та вузлів досягається об'ємним загартуванням в масло, чи воду та з нагріву СВЧ. Природна дрібнозернистість сталі забезпечує в цьому випадку отримання на її поверхні дрібноголчастого мартенсіту, зміцненого частками нітридів і карбідів ванадію та цирконію, що має високу зносостійкість. Ме ханічні властивості даної сталі при температурах нижче нуля визначаються оптимальним співвідношенням в її складі азоту, вуглецю, ванадію та цирконію. При концентрації вуглецю 0,801,10%, ванадію 0,45-0,80% та цирконію 0,0050,035% метал з 0,01-0,03% азоту має однорідну дрібнозернисту структуру. Утворені нітриди і карбонітриди ванадію та цирконію виділяються в середині зерен, тим самим зміцнюють його, зменшують критичну температуру крихкості. При залишковій концентрації азоту менше 0,010% у високовуглецевій сталі не утворюється потрібна кількість карбідів та карбонітридів, не спостерігається модифікуючий вплив азоту на структур у та механічні властивості сталі. При легуванні високовуглецевої сталі азотом більше 0,030% утворення нітридів та карбонітридів відбувається на межах зерен в окрему фазу, яка порушує однорідність структури та зв'язок між зернами, тим самим збільшує крихкість металу, зменшує зносостійкість та роботу ударного зруйнування. Позитивний вплив азоту на механічні властивості сталі запропонованого хімічного складу спостерігається у інтервалі 0,010-0,030% та при температурах до -40°С. Подальше збільшення концентрації азоту та зменшення температури механічних випробувань недоцільні, тому що не забезпечується потрібна структура металу і істотно не впливає на зносостійкість та роботу ударного зруйнування. Таким чином, сукупність істотних відрізняючих ознак запропонованого технічного рішення дозволяє за рахунок збільшення у складі сталі кремнію і додатковим легуванням азотом збільшити зносостійкість та роботу ударного зруйнування в умовах температур нижче нуля, при збереженні рівня її міцності та пластичності. Таким чином, сукупність всіх істотних ознак та підсумкових якостей дозволяє отримати нові технічні результати відповідно до з поставленої задачі. За наявними у заявника відомостями, запропонована сукупність ознак, що характеризують суть винаходу, невідома з рівня техніки, тобто винахід відповідає критерію "новизна". Приклади конкретного використання запропонованого хімічного складу зносостійкої сталі. В умовах дослідного виробництва були виплавлені декілька сталей з відомим хімічним складом [2] та з різними варіантами запропонованого технічного рішення. Сталі отримували методом сплавлення в індукційній печі типу ЛПЗ-67 з основним тиглем. Азот у розплав вводили в кінці плавки азотованим ферованадієм та феромарганцем. Хімічний склад сталей наведений в табл. 1. З виплавленого металу були виго товлені зразки та проведені випробування механічних властивостей та зносостійкості сталі. Випробування загартованих зразків на зносостійкість проводили на машині зносу МИ - 1 М. Випробування механічних властивостей проводили на термічно оброблених (після нормалізації) зразках за ГОСТ 1497-84 та ГОСТ 9454-78 на машині розривної ФП-100/1 та маятниковому копрі 2130 КМ-03. Результати механічних випробувань подані в табл. 2. Суть винаходу не витікає явним чином для спеціаліста з відомого рівня техніки. Сукупність ознак, що характеризують звісне рішення, не забезпечує досягнення нових властивостей і тільки наявність відрізняючих ознак винаходу дозволяє отримати нові властивості, новий технічний результат. Отже, запропонований винахід відповідає критерію "винахідницький рівень". З аналізу результатів випробувань зносостійкості та механічних властивостей слідує, що відрізняючі ознаки запропонованого технічного рішення дозволяють виготовити сталь (табл. 2, склади 813), яка порівняно з відомою сталлю характеризується збільшеною зносостійкістю на 15-30% та збільшеною роботою ударного зруйнування KCU в 1,7-2,0 рази в умовах температур до -40°С. Акт випробування додається. 2 36965 Таким чином, сталь відповідає критерію "виробнича застосовність". Джерела інформації. 1. Сорокин В.Г., Волосникова А.В., Вяткин С.А. и др. Марочник сталей и сплавов. - М.: Машиностроение, 1989 - 640 с. 2. А. с. СССР 1176623. Таблиця 1 Хімічний склад дослідних сталей Варіанти складу сталей відома 1 С 0,96 2 3 4 5 6 7 0,79 1,11 0,86 0,97 1,03 0,82 8 9 10 11 12 13 0,80 0,95 0,87 1,10 0,92 1,05 Концентрація елементів, мас. % Si Mn V N Zr 0,62 0,56 0,62 0,005 0,022 Склади сталей по за граничних інтервалів 0,87 0,81 0,82 0,015 0,028 1,22 0,38 0,44 0,022 0,010 0,98 0,61 0,58 0,009 0,030 1,13 0,57 0,70 0,032 0,004 0,84 0,43 0,50 0,008 0,007 1,27 0,75 0,63 0,031 0,031 Склади сталей у заявляємих інтервалах 1,05 0,80 0,80 0,018 0,024 0,96 0,54 0,49 0,020 0,035 0,90 0,72 0,54 0,010 0,007 1,20 0,40 0,63 0,025 0,005 1,15 0,62 0,75 0,013 0,020 0,93 0,60 0,45 0,030 0,032 Al 0,07 Fe Залишок 0,06 0,04 0,02 0,11 0,05 0,08 Залишок Залишок Залишок Залишок Залишок Залишок 0,06 0,03 0,065 0,03 0,10 0,07 Залишок Залишок Залишок Залишок Залишок Залишок Таблиця 2 Результати випробувань механічних властивостей та зносостійких дослідних сталей Варіант складу сталі sв , кгс/мм 2 sт, кгс/мм 2 1 Відома 78,5 2 3 4 5 6 7 79,3 75,9 78,7 78,1 78,8 75,2 8 9 10 11 12 13 79,0 80,5 78,9 78,8 80,2 79,3 Ме ханічні властивості KCU, Дж/см 2, при температурі d,% y,% +20°С -20°С -40°С -60°С 49,4 21,6 47,3 52,0 36,1 Складі сталей поза граничні інтервали 50,4 21,9 48,8 59,4 42,0 46,6 19,7 45,7 54,6 38,7 51,1 21,6 47,5 56,2 40,1 49,5 22,2 48,1 55,6 40,3 49,2 21,8 48,2 54,8 38,2 46,0 19,3 45,2 54,1 36,6 Склади сталей у заявляємих інтервалах 50,7 22,8 48,4 79,6 57,0 49,9 21,8 47,4 85,3 59,2 52,0 22,4 48,8 75,4 50,8 50,4 21,7 47,3 80,2 51,3 50,1 22,2 48,2 82,1 56,7 49,9 22,4 48,1 85,3 58,4 3 22,5 4,3 Втрата маси зразка, грам/год 0,238 24,9 20,2 24,2 24,3 23,5 19,9 8,8 6,7 7,9 8,1 8,0 6,2 0,224 0,238 0,226 0,230 0,234 0,236 45,1 44,8 38,2 43,4 45,2 40,2 17,4 16,2 16,1 18,0 17,1 16,4 0,187 0,173 0,196 0,182 0,178 0,203 36965 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4