Водневостійка сталь

Водневостійка сталь, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, кальцій, яка відрізняється тим, що в сталь для підвищення її во 3 періодичними процесами тертя ковзання та кочення. Поставлена технічна задача вирішується за рахунок того, в сталь, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, кальцій для підвищення її водневої стійкості згідно корисної моделі вводять молібден, ванадій і азот в наступному співвідношенні компонентів (мас. %): Вуглець 0,01-0,25 Кремній 0,01-0,85 Марганець 14-20 Хром 14-18 Нікель 0,1-1,0 Молібден 1,0-2,5 Ванадій 0,1-0,35 Азот 0,01-1,0 Кальцій 0,01-0,06 Залізо решта. Суть корисної моделі полягає в тому, що в сталь, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, кальцій (мас. %: вуглець 0,01-0,25; кремній 0,01-0,85; марганець 14-20; хром 14-18; нікель 0,1-1,0; кальцій 0,01-0,06; залізо - решта) вводять молібден, ванадій і азот в наступних пропорціях: молібден 1,0-2,5; ванадій 0,1-0,35; азот 0,01-1,0. Ґрунтуючись на відомостях, що приводяться в даному описі та на результатах експериментів встановлено вміст елементів, приведений в формулі. Вибір саме цього вмісту обумовлений наступними чинниками. Елементи вуглець, азот і ванадій, утворюють в сталі дисперсні частки нітридів і карбонітридів і ванадію, стримують ріст зерна в сталі при нагріванні під гартування, тобто сприяють формуванню дрібнозернистої структури сталі, необхідної для здобуття високої міцності. При надлишковому вмісті ванадію, сталь має низькі значення характеристик пластичності через високий вміст карбонітридів ванадію. Вуглець підсилює і стабілізує аустеніт і покращує ефект пам'яті форми. Вміст нижче 0,001 % не впливає на властивості, а якщо його вміст перевищує 0,25 %, то значно зменшується пластичність. Це може бути пов'язано з утворенням карбідної неоднорідності в результаті зв'язування хрому та марганцю у складнолеговані карбіди. Ці карбіди виділяються та розташовуються по границях зерен, що призводить до зниження фізикомеханічних властивостей та тріщиностійкості у водні досліджуваних сталей. Кремній понижує енергію дефектів упаковки аустеніту, збільшує міцність . Збільшення вмісту кремнію понад 0,85 % розширює межі феритної області та сприяє утворенню о - фази при більш низькому вмісті хрому, а s - фаза призводить до зниження пластичності. Марганець стабілізує аустеніт і збільшує розчинність азоту, який також стабілізує аустеніт. Марганець впливає і на мартенситне перетворення та сприяє формуванню високої технологічності матеріалу. Вміст марганцю менше 17 % не забезпечує аустенітної структури, що призводить до появи фериту і зменшує опір зношуванню наводненого матеріалу. 47554 4 Оскільки + %Mo ) (%Cr= [3] співвідношення 0,8 - 1,3 %Mn регулює вміст основних легуючих елементів в сплаві з точки зору отримання аустенітної структури та досягнення необхідної водневої стійкості, то при (%Cr + %Mo) £ 0,8 %Mn , воднева стійкість матеріалу ізза не достатку хрому може виявитись недостатньою. (%Cr + %Mo) ³ 1,3 %Mn , то в сталі з являється Якщо феритна складова, що також призводить до втрати опірності водневому окрихченню. При вмісті хрому менше 14 % в стал вона страчає корозійну та водневу стійкість. При вмісті хрому понад 18 % збільшується ймовірність появи феритної складової. Добавки хрому знижують енергію дефектів упаковки, а також покращують водневу, корозійну стійкість та стійкість до окислення при високій температурі. Хром також збільшує розчинність азоту. Нікель також є стабілізуючим елементом. Введення нікелю сприяє зміцненню при операціях холодної деформації хромомарганцевому аустеніту. Але враховуючи його вартість вміст нікелю, у порівняні з прототипом вирішили обмежити. Молібден зменшує енергію дефектів упаковки і підсилює стійкість до окислення при високих температурах. При вмісті молібдену понад 2,5 % у сплаві може утворитись феромагнітна фаза (d ферит). Молібден збільшує міцність та водневу стійкість. Введення у сталь ванадію у кількості 0,1-0,35 % забезпечує дрібнодисперсну структуру та підвищення міцності внаслідок утворення дрібнодисперсних нітридів ванадію. При меншій кількості ванадію ефект від його введення не значний. При вмісті його в кількості більше 0,35 % - призводить до зниження міцності через збіднення твердого розчина азотом унаслідок утворення термічно стійких нітридів ванадію, що розчинаються в аустеніті при температурі вищій, ніж 1150 °С. Азот - повноправний компонент сплаву, оскільки він зміцнює аустеніт більше, ніж будь-який інший елемент, а також стабілізує аустеніт і покращує водневу стійкість. При вмісті азоту менше 0,01 % ефекти, описані вище - дуже незначні. Якщо ж його вміст перевищить 1,2 %, сталь стає крихкою та різко знижується тріщтностійкість у водні. Відомо, що в чистому залізі при 1600 °С та тиску 1 атм. розчинність азоту складає лише 0,0438±0,0007 мас. %. Але нітридоутворюючі та карбідоутворюючі елементи (Cr, Mn, V, Nb) підвищують розчинність азоту у розплавах на основі заліза. Наприклад, Сr у кількості 20 % підвищує розчинність азоту приблизно у 10 разів у порівняні з чистим залізом та відрізняється меншою схильністю до утворення нітридів у твердому стані у порівняні з Ті, V, Nb [4, 5]. На розчинність азоту в сплаві суттєво впливають легуючий елемент Сr. Додавання кальцію покращує морфологію неметалевих включень, підвищує пластичність сплаву та його технологічність, особливо оброблюва 5 47554 ність різанням, що представляє проблему у випадку високоазотних сталей. Сплави отримували в індукційній печі з наступним електрошлаковим переплавом. Далі зливки 6 піддавали термічній обробці. Спочатку гартували, а потім відпалювали. Плавлення та кристалізацію сплавів з вмістом азоту (мас. %) 0,6-1,0 здійснювали при підвищеному тиску азоту над розплавом. Таблиця 1 Хімічний склад сталей № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. Сталь (плавка) Найближчий аналог Запропонований Запропонований Запропонований (мінім., вміст лег.ел.) Запропонований (максим., вміст лег.ел.) Запропонований Масова частка елементів, % Cr Ni Mo V N С Si Mn Ca Nb 0,04 0,26 11,7 19,9 5,6 1,5 0,37 0,51 0,06 0,27 0,06 0,1 0,51 0,32 19,2 15,3 17,3 16,2 0,13 0,05 2,10 1,5 0,14 0,22 0,95 0,5 0,01 0,01 0,01 0,01 14 14 0,01 1,0 0,35 0,01 0,01 0,25 0,85 20 18 1,0 2,5 0,35 1,0 0,06 0,31 0,92 22 19 1,4 2,7 0,41 1,0 0,06 Таблиця 2 Механічні властивості сталі № п/п Сталь (плавка) 1. Найближчий аналог 2. 3. 4. 5. 6. Запропонований Запропонований Запропонований (мінім, вміст лег. ел.) Запропонований (максим, вміст лег. ел.) Запропонований 1100 1150 1120 1130 1130 995 992 994 1047 923 sв, МПа (у водні) 800 690 680 990 860 1130 787 712 473 421 44 25 50 30 222 190 1130 862 795 541 490 47 30 58 40 319 260 1130 838 783 533 475 41 20 52 31 199 150 Температура sв, гартування, МПа °С Порівняльні випробування на водневу стійкість показали, що пропонована сталь перевищує показники прототипу. Запропоновані сплави (зокрема сплав № 2 після попереднього наводнювання) також досліджувались в умовах тертя ковзання на лабораторній установці СМЦ 2 за схемою ролик колодка за умов граничного і сухого тертя. Як і у випадку подібної сталі DDT 68 [6] як контртіло застосовували ролик із загартованої сталі 45Г2 твердістю 55 HRC. Швидкість ковзання 0,628 м/сек. Колодки вирізали з чавунних зразків, відлитих в пісчано-глинисті форми Ø 30 мм. Базовий хімічний контр тіла: (мас. %) 3,7 С; 12,0 Мn; 3,0 Si; 1,0 Ni; 2,5 Сu; 0,4 Al; 1,0 Cr; 0,5 V; 0,5 Ті. В умовах "оливного голодування" графітні пори можуть адсорбувати в себе деяку частину мастила і потім ще протягом деякого періоду "підживляти" поверхню тертя і запобігати тим самим виникненню схоплювання і настанню катастрофічного зношування. При проведенні випробувань в умовах оливного 590 589 591 659 595 sт, МПа (у водні) 450 480 435 605 510 53 54 54 62 48 22 25 26 35 29 70 72 71 66 55 23 32 31 38 33 185 170 165 298 255 МПа м (у водні) 140 135 120 254 220 sт, МПа d, % d, % y,.% КІС y, (у (у % м водні) водні) МПа КІС голодування по схемі, коли з піпетки на поверхню ролика наносили 3 краплі мастила було встановлено, що при Р=2,5 МПа та V=0,628 м/с шар (з графітної та оливної плівки), що адсорбувався (мастило И-20А) утримується на поверхні ролика (сталей: 40, 45, 45Г2, 20ХН) до 1,5 години. Після цього починається процес руйнування плівки з утворенням вогнищ схоплювання. В тих же умовах шар з адсорбованих включень графіту та оливи затримувався на поверхні впродовж значно більшого часу експлуатації (3...4 години). Джерела інформації 1. Заява Японії № 59-104455, С22С 38/38, 1984. 2. Пат. RU, 2205889 С1, С22С 38/58, Высокопрочная немагнитная коррозионно-стойкая свариваемая сталь. [Техт] / Банных О.А., Блинов В.М., Костина М.В., Лякишев Н.П., Ригина Л.Г., Горынин И.В., Рыбин В.В., Малышевский В.А., Калинин Г.Ю., Ямпольский В.Д., Буцкий Е.В., Римкевич 7 47554 B.C., Сидорина Т.Н. заявитель Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Федеральное унитарное предприятие Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов "Прометей". 2002105901/02 заявл. 06.03.2002; опубл. 10.06.2003. 3. Пат. 2116374 RU, Коррозионно-стойкая немагнитная износостойкая сталь [Техт] / Ефименко C.П. (RU); Пановко B.M. (RU); Лещинская E.M. (RU); Сокол И.Я. (RU); Ригина Л.Г. (RU); Мишина E.Г. (RU); Гаврилюк Валентин Геннадиевич (UA); Марков Б.П. (RU); заявитель Закрытое научное Комп’ютерна верстка І.Скворцова 8 общество "Наука-М".96124534/02 заявл. 25.12.1996; опубл. 27.07.1998. 4. Лякишев Н.П., Банных О.А. Новые конструкционные стали со сверхравновесным содержанием азота // Перспективные материалы. -1995, № 1, С. 73-82. 5. Simmons J.W. Overview: high-nitrogen alloying of stainless steels // Materials Science and Engineering. Ser. A. - 1996, Vol. 207, P. 159 - 169. 6. Balytskyi, O.I. Tribotechnical properties of austenitic manganese steels and cast-irons under sliding friction conditions [Text] / O.I. Balytskyi, V.O. Kolesnikov, P. Kaviak // Materials Science. - vol.41.№ 5.-2005. - p. 624 -630. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601