Ударно-абразивно-корозійностійка сталь

1. Ударно-абразивно-корозійностійка сталь, яка містить вуглець, кремній, марганець, хром, залізо, додатково містить алюміній при наступному співвідношенні елементів, мас. %: вуглець 0,90-1,50 кремній 0,40-1,20 марганець 2,10-3,00 алюміній 0,01-0,10 хром 0,81-1,00 залізо решта. 2. Сталь за п. 1, яка відрізняється тим, що вона додатково містить мідь в кількості 0,30-1,20 мас. %. (19) (21) a201004022 (22) 06.04.2010 (24) 25.10.2011 (46) 25.10.2011, Бюл.№ 20, 2011 р. (72) ТКАЧЕНКО ФЕДІР КОСТЯНТИНОВИЧ, ЄФРЕМЕНКО ОЛЕКСІЙ ВАСИЛЬОВИЧ (73) ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ (56) UA 60543 A, 15.10.2003 UA 20633 U, 15.02.2007 UA 78416 C2, 15.03.2007 UA 85495 C2, 26.01.2009 SU 1497262 A1, 30.07.1989 RU 2082812 C1, 27.06.1997 3 96359 відливки із сталей інших структурних класів (мартенситного, перлітного, ледебуритного) з аналогічною, або більш високою зносостійкістю крихко руйнуються при експлуатації. Недоліками сталі є її висока вартість, а також невисокий опір електрохімічній корозії, що прискорює зношування за наявності корозійно-активного середовища на робочій поверхні деталі. Відомо про використання корозійностійких сталей мартенситного та ледебуритного класів (30 × 13, 40 × 13, 90 × 18, Х12Ф, Х12М), корозійностійких білих чавунів (ИЧХ28Н2, ИЧ210 × 30), які завдяки високому опору електрохімічної корозії мають підвищену зносостійкість при абразивнокорозійному та гідро-ерозійному зношуванні. Наприклад, чавун ИЧХ28Н2 широко використовується для виготовлення корпусів та деталей насосів для перекачування нейтральних та слабо-кислих водно-піщаних сумішей, шламів тощо; згідно до ТУ 26-06-1484-87 він вміщує, в мас. %: вуглець кремній марганець хром нікель сірка фосфор залізо 2,5-3,0 0,7-1,4 0,5-0,8 28,0-30,0 1,5-2,0 не більше 0,12 не більше 0,18 решта. В умовах ударно-абразивно-корозійного зношування білі чавуни не мають суттєвих переваг, оскільки при ударах абразивних часток спостерігається розтріскування та викришування евтектичних карбідів, що прискорює процес руйнування поверхні. Корозійностійкі сталі мартенситного та ледебуритного класу є більш придатними до ударноабразивно-корозійного зношування, оскільки не мають в своїй структурі значної кількості карбідів. Однак, означені сталі (як і високолеговані чавуни) мають істотний недолік - високу вартість завдяки легуванню значною кількістю хрому. Крім того, їхня зносостійкість різко зменшується в умовах підвищення кислотності розчину, коли падають захисні властивості поверхневих окисних плавок. Найбільш близькою до винаходу за технічною суттю є сталь ШХ20СГ за ГОСТ 801-78, яка вміщує, в мас. %: вуглець кремній марганець хром сірка фосфор нікель мідь залізо 0,90-1,00 0,55-0,85 1,40-1,70 1,40-1,70 не більше 0,02 не більше 0,02 не більше 0,30 не більше 0,25 решта. Зазвичай ця сталь використовується як матеріал елементів підшипників, але відомим є застосування молольних тіл (катаних або штампованих куль), виготовлених з цієї сталі. Вона поступається відомим нержавіючим сталям за корозійною стійкі 4 стю, але, завдяки високому опору механічному зношуванню, має підвищений рівень ударноабразивно-корозійної зносостійкості (за рахунок зменшення величини трибо-корозійного ефекту). Сталь ШХ20СГ вміщує вуглець, марганець та хром - елементи, які знижують точку початку мартенситного перетворення, а тому сприяють отриманню в структурі підвищеної кількості залишкового аустеніту. Загартування сталі ШХ20СГ від 950-1000 °C забезпечує розчинення всіх карбідів і отримання після аустенітно-мартенситної структури, вільної від карбідних включень. Саме така структура забезпечує сталі значний рівень ударно-абразивнокорозійної зносостійкості, за якою вона перевищує сталь 110Г13, низьколеговані сталі мартенситного класу. Сталь ШХ20СГ деякою мірою поступається за зносостійкістю нержавіючим мартенситним сталям, але має більш низьку вартість, що робить її більш економічною для використання. Як показали результати досліджень, проведених авторами, при зношуванні високо-твердими абразивними частками оптимальним співвідношенням фазових складових у аустенітномартенситній сталі є 60-80 % залишкового аустеніту та 20-40 % мартенситу охолодження. Мікроструктура сталі ШХ20СГ не відповідає цьому співвідношенню: кількість залишкового аустеніту становить в ній 30-40 %, що є наслідком незбалансованості концентрацій С, Μn і Сr. Замість аустеніту в структурі ШХ20СГ сталі присутній високовуглецевий мартенсит, який завдяки своїй високій крихкості полегшує руйнування поверхні при ударах абразивних часток. Крім того, при розчиненні цементит них карбідів в сталі виростає досить крупне аустенітне зерно, що додатково окричує сталь. Все це не дозволяє досягти в сталі ШХ20СГ більш високого рівня ударно-абразивно-корозійної зносостійкості. В основу винаходу поставлена задача розробки нової сталі для використання в умовах ударноабразивно-корозійного зношування, у якій масове співвідношення компонентів дозволяє підвищити її зносостійкість при зменшенні собівартості виготовлення. Рішення задачі, що поставлена, досягається тим, що сталь, яка вміщує вуглець, кремній, марганець, хром, залізо, додатково вміщує алюміній при такому співвідношенні елементів, мас. %: вуглець кремній марганець хром алюміній залізо 0,90-1,50 0,40-1,20 2,10-3,00 0,81-1,00 0,01-0,10 решта. Крім того, сталь може додатково вміщувати 0,30-1,20 % міді. Головний принцип, що лежить в основі винаходу, полягає у тому, щоб отримати в сталі дрібнозернисту аустенітно-мартенситну структуру (з перевагою аустеніту) без карбідних включень. Поєднання в'язкого аустеніту, здатного до деформаційного мартенситного перетворення, та твердого мартенситу забезпечує високий опір ударно 5 96359 абразивному зношуванню. Це досягається за рахунок зниження трибо-корозійного ефекту, що у свою чергу пов'язується зі зменшенням інтенсивності деформування та руйнування поверхневих металевих шарів. Необхідний мікроструктурний стан забезпечується, головним чином, збільшенням (відносно прототипу) вмісту марганцю. Заявлена комбінація концентрацій вуглецю (0,9-1,50 %), марганцю (2,10-3,00 %) та хрому (0,81-1,00) забезпечує отримання в структурі після загартування 60-80 % залишкового аустеніту. При зменшенні кількості С, Μn та Сr нижче заявленої межи в структурі сталі різко збільшиться кількість у загартування, що призведе до зниження зносостійкості. Якщо вміст С, Mn, Cr перевищить верхню заявлену межу, в структура сталі буде переважно аустенітною, крім того, можуть з'явитися важкорозчинні первинні карбіди, що також негативно вплине на зносостійкість. При введенні 0,40-1,20 % кремнію цей елемент запобігатиме утворенню (при охолодженні після гарячої пластичної деформації) карбідної сітки по границях аустенітних зерен, що підвищить опір ударному руйнуванню поверхні в контакті з абразивними частками, що, таки чином, збільшить зносостійкість сталі. При меншій кількості кремнію така сітка буде утворюватися; оскільки усунути її за рахунок попередньої термічної обробки за звичай дуже важко, її наявність знизить ударну в'язкість сталі. При вмісті кремнію більше 1,2 % можливим є утворення графітних включень, що знизить зносостійкість сталі. Введення у склад сталі 0,01-0,10 % алюмінію передбачає отримання дрібнозернистої структури, що підвищує зносостійкість. Нітриди алюмінію запобігатимуть росту зерна, оскільки температура їх розчинення перевищує температуру розчинення цементитних карбідів. При кількості алюмінію, меншій за 0,01 %, не забезпечується отримання дрі 6 бнозернистої структури, а при його кількості вище 0,10 % зносостійкість знижується за рахунок окрихчування сталі у зв'язку із різким зростанням кількість нітридних фаз. Для додаткового підвищення ударноабразивно-корозійної стійкості сталі до її складу може бути додана мідь в кількості 0,30-1,20 %, яка підвищує корозійну стійкість сталі. При меншому вмісті міді корозійна стійкість практично не змінюється, і ефект зростання зносостійкості не спостерігається. Якщо вміст міді становитиме більше 1,20 %, можливим є утворення графітних включень та зниження ударної в'язкості сталі. Сталь виплавляли в індукційній лабораторній пічці та розливали у піщано-глинисті форми. Отримані виливки піддавали куванню, після чого проводили відпал для поліпшення оброблюваності різанням. Перед випробуванням зразки сталей загартовували 1000 °C в маслі від та відпускали при 200 °C (2 год.). Хімічний склад досліджених сталей наведено у таблиці 1. Зносостійкість визначали випробуваннями у лабораторному млині. Як абразив використовували карбід кремнію. Разом із абразивом до млину дистильовану воду (рН=7) та водний розчин H2SO4 (pH=l). Після випробування визначали питомий знос (відношення втрати маси до площі поверхні зразків). Коефіцієнт зносостійкості розраховували відношенням питомого зносу зразку до зносу відомої сталі. Зносостійкість сталей порівнювали зі зносостійкістю відомих сталей 110Г13 та 40 × 13. Зразки загартовували з 1050 °C (сталь 110Г13 - в воді, сталі 40 × 13 - в маслі). Після загартування зразки сталей 40 × 13 відпускали при 200 °C. Відносну вартість сталей розраховували стосовно вартості відомої сталі. Властивості досліджених сталей наведено у таблицях 2, 3. Таблиця 1 № складу 1 2 3 4 5 Відомий Сталь 110Г13 Сталь 40 × 13 Сталь Х12Ф С 0,94 1,25 1,45 0,85 1,64 0,95 1,08 0,38 1,25 Хімічний склад досліджених сталей Вміст, мас. % Si Μn Сr Аl 0,45 2,15 0,81 0,012 0,75 2,50 0,90 0,03 1,18 2,75 0,97 0,08 0,30 1,85 0,72 0,005 1,33 3,31 1,18 0,13 0,66 1,63 1,55 0,54 13,45 0,21 0,45 13,55 0,28 0,55 11,98 інші 0,22 V Fe решта ″ ″ ″ ″ ″ ″ ″ ″ 7 96359 8 Таблиця 2 Хімічний склад сталей з додатковим введенням № складу С 1,28 1,29 1,30 1,32 1,29 6 7 8 9 10 Si 0,71 0,73 0,75 0,77 0,74 Μn 2,60 2,61 2,61 2,59 2,64 Вміст, мас. % Сr 0,85 0,89 0,88 0,86 0,89 Аl 0,019 0,025 0,022 0,029 0,027 Сu 0,31 0,75 1,14 0,20 1,29 Fe решта ″ ″ ″ ″ Таблиця 3 Властивості куль із досліджених сталей № складу сталі 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Відомий 110Г13 40×13 Коефіцієнт зносостійкості при випробуваннях у розчині: рН=7 рН=1 1,34 1,22 1,39 1,24 1,37 1,22 1,18 1,13 1,14 1,10 1,51 1,36 1,53 1,35 1,52 1,33 1,35 1,20 1,25 1,11 1,00 1,00 0,79 0,85 1,65 1,07 Дані, наведені у табл. 2, показують, що оптимальне поєднання властивостей забезпечують сталі № 1, 2, 3 та 6, 7, 8: при зношуванні карбідом кремнію зносостійкість підвищено на 34-53 % при випробуваннях у розчині з рН=7 та на 22-36 % - з рН=1. При вмісті легуючих елементів, який виходить за заявлені межі, зносостійкість знижується. Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков Відносна вартість 0,91 0,94 0,97 0,90 1,04 1,02 1,05 1,10 0,98 1,14 1,00 1,21 1,63 При випробуваннях у нейтральному середовищі (рН=7) сталь заявленого складу поступається на 8-22 % за зносостійкістю відомій корозійностійкій сталі 40 × 13, але є на 55-70 % більш дешевою за неї і, таким чином, є більш економічною для використання. При випробуваннях в сильнокислому середовищі (рН=1) заявлена сталь переважає за зносостійкістю сталь 40×13. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601