Завантажити PDF файл.

Формула / Реферат

1. Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, титан, ванадий, бор и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, кальций, алюминий и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

2. Сталь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит кальций в количестве согласно формуле

где  - содержание углерода, молибдена и кальция соответственно.

Текст

Изобретение относится к металлургии и литейному производству и может быть использовано для изготовления шарошек буровых -долот, применяемых для бурения горных пород. Известна сталь, содержащая молибден, который применяется для повышения прочности (А.с. СССР №1104185, кл. C22C38/54, 1984). Кальций в сталях применяется для снижения склонности к образованию горячих трещин (А.с. СССР №931793, кл. C22C38/50, 1982) и для повышения термической стойкости материала (А.с. СССР №922172, кл. C22C38/50, 1982). Алюминий применяется для повышения ударной вязкости (А.с. СССР №950790, кл. C22C38/28, 1982). Медь использования для улучшения свариваемости и уменьшения анизотропии (А.с. СССР №1285053, кл. C22C38/50, 1987). Известна сталь (А.с. №1498814, 07.08.83), содержащая в качестве основы углерод, кремнии, марганец, никель, хром, алюминий, ванадий и железо, применяемая для работы в условиях интенсивного абразивного износа. Вышеперечисленные ингредиенты сталь содержит в следующих пределах, мас.%: Недостатком этой стали является низкая твердость и низкая износостойкость. Низкая абразивная износостойкость обусловлена особенностями структуры данной стали. Малое количество хрома (до 0,8%) не обеспечивает получение достаточного количества карбидов, которые являются основной фазой сопротивляющейся абразивному износу. Малое количество никеля (до 0,4%) не обеспечивает требуемой прочности матрицы, которая интенсивно разрушается под действием абразива. Вязкость матрицы недостаточна для того, чтобы надежно удерживать карбиды и последние выкрашиваются из матрицы, что не обеспечивает требуемой износостойкости. Следовательно такая сталь не может успешно применяться для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного воздействия. Наиболее близкой по составу и свойствам к заявляемой стали является сталь, применяемая для изготовления рабочих органов землеройной техники. Детали изготавливаемые из этой стали, работают в условиях интенсивного абразивного износа (А.с. СССР №1289908, 15.02.87). Эта сталь содержит, мас.%: Абразивная износостойкость данной стали в несколько раз превышает эту характеристику у стали-аналога, временное сопротивление доходит до 179кгс/мм2, предел текучести - 169кгс/мм2 и твердость до 53HRC. Более высокая абразивная износостойкость данной стали образуется за счет повышенного содержания в ее составе хрома (до 3,0) и никеля (до 2,5%). При этом формируется достаточное количество первичных карбидов, которые надежно удерживаются в высоковязкой матрице. Дополнительное упрочнение вторичными сложнолегированными карбидами ванадия также способствует росту износостойкости. Модифицирование стали бором (до 0,005%) измельчает первичные карбиды и делает их более прочными, что благоприятно сказывается на прочностных характеристиках материала. Однако данная сталь обладает низкой контактной выносливостью в абразивной среде и усталостная долговечность ее невысока. Продукты закалки имеют грубое строение, что приводит к хрупким сколам микрообъемов металла в процессе многократно повторяющихся воздействий абразива на поверхность детали. В результате этого поверхность матрицы не успевает полностью упрочниться под воздействием абразива, что понижает износостойкость. В процессе эксплуатации деталей под воздействием знакопеременных нагрузок, в матрице сплава возникают многочисленные искажения кристаллической решетки, приводящие к образованию микротрещин и разрушению детали. Вязкость матрицы известной стали недостаточна для того, чтобы эффективно сопротивляться зарождению трещин и их дальнейшему росту. Вследствие этого известная сталь обладает низкой усталостной долговечностью. Таким образом, сталь состава прототипа хотя и обладает высокой абразивной износостойкостью, однако, из-за особенностей ее структурного состояния, контактная выносливость в абразивной среде и усталостная долговечность ее не высока. Следовательно, сбалансировав химический состав стали - прототипа таким образом, чтобы ее матрица эффективно сопротивлялась хрупким сколам микрообъемов металла под воздействием абразива и повысив устойчивость матрицы сопротивляться зарождению и росту трещин, можно значительно повысить эксплуатационную долговечность изделия. Задачей предлагаемого изобретения является усовершенствование состава стали с дополнительным введением молибдена, кальция, алюминия и меди. За счет этого получаем повышение контактной выносливости стали в абразивной среде и усталостной долговечности. Поставленная задача решается таким образом. Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, никель, хром, титан, ванадий, бор и железо дополнительно содержит кальций, молибден, алюминий и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: Для достижения оптимального сочетания контактной выносливости в абразивной среде и высокой усталостной долговечности содержание молибдена назначается в зависимости от содержания углерода в сплаве и в соответствии с количеством кальция определяется по формуле При этом контактная выносливость в абразивной среде и усталостная долговечность стали достигают своих максимальных значений. Содержание углерода в заявляемой стали находится в пределах 0,25 - 0,65%. Углерод является элементом, обеспечивающим образование карбидной фазы. При содержании углерода менее 0,25% образуется недостаточное количество карбидов. Увеличение содержания углерода более 0,65% приводит к укрупнению карбидной фазы, что отрицательно сказывается на износостойкости. Кремний в состав заявляемой стали вводится как раскислитель. При содержании кремния менее 0,5% он недостаточно полно выполняет функцию раскисления расплава. Увеличение содержания кремния более 1,1% неэффективно. Марганец понижает температуру начала мартенситного превращения и увеличивает количество нестабильного остаточного аустенита, который претерпевая превращения при последующей термической обработке формирует матрицу с требуемым уровнем прочности. При содержании марганца в составе стали менее 0,5% температура начала мартенситного превращения понижается недостаточно для образования требуемого количества нестабильного остаточного аустенита. Повышение содержания марганца более 2,2% неэффективно, поскольку понижает количество продуктов закалки в составе сплава и не обеспечивает достижения требуемой твердости. Содержание никеля в заявляемой стали находится в пределах 1,5 - 4,0%. Никель вводится для повышения пластичности матрицы и более надежного удержания в ней карбидов. При содержании никеля менее 1,5% пластичность матрицы недостаточна для надежного закрепления в ней карбидов и отмечается их хрупкое выкрашивание. Повышение содержания никеля более 4,0% экономически нецелесообразно. Хром в составе заявляемой стали находится в пределах 0,9 -4,0%. Служит хром для образования первичных карбидов, что обеспечивает достижение требуемой износостойкости. Понижение содержания хрома менее 0,9% не приводит к получению достаточного количества первичных карбидов. При этом требуемые значения износостойкости не достигаются. Увеличение содержания хрома более 4,0% приводит к чрезмерному укрупнению и огрублению первичных карбидов. При этом повышения износостойкости не наблюдается. Заявляемая сталь содержит 0,01 - 0,2% титана. Титан применяется для измельчения ее структурных составляющих. При содержании титана менее 0,01% процесса диспергирования не наблюдается. Увеличение содержания титана более 0,2% обедняет матрицу сплава углеродом. Вследствие этого продукты закалки не достигают необходимой твердости, износостойкость и прочность матрицы понижаются. Ванадий вводится в состав заявляемой стали в количестве 0,1 - 0,6%. Этот элемент необходим для образования вторичных карбидов в матрице стали, что обеспечивает ее упрочнение и обусловливает требуемую износостойкость. При содержании ванадия менее 0,1% в матрице сплава образуется недостаточное количество карбидов и требуемая износостойкость не достигается. Увеличение содержания ванадия более 0,6% не приводит к заметному приросту износостойкости. Бор в составе стали присутствует в количестве 0,0001 0,05%. Применяется бор для модифицирования структуры. Он дополнительно, в большей степени чем титан, измельчает карбидную фазу, что повышает прочность стали. При содержании бора менее, чем 0,0001%, эффекта модифицирования не наблюдается. Повышение содержания бора более 0,05% не приводит к изменению морфологии первичных карбидов. Содержание молибдена в заявляемой стали находится в пределах 0,05 - 0,4%. Применяется молибден для изменения структурного состояния продуктов закалки. Дополнительный ввод в состав стали этого элемента приводит к тому, что продукты закалки приобретают более мелкодисперсное строение. При этом при измельчении величины блоков, уменьшается количество дефектов упаковки. Это приводит к повышению пластичности данной фазы и повышению контактной выносливости матрицы, под воздействием абразивных частиц. Более прочный и одновременно высоковязкий мартенсит хорошо сопротивляется усталостным нагрузкам, При содержании молибдена менее 0,05% повышения пластичности матрицы и увеличение ее контактной выносливости под воздействием абразивных частиц не наблюдается, Увеличение содержания молибдена более 0,4% экономически нецелесообразно. Кальций в составе стали находится в пределах 0,0083 - 0,015%. В таком количестве кальций, растворяясь в матрице сплава по способу внедрения, изменяет ее энергетическое состояние, делая последнюю более устойчивой к многократно повторяющемуся воздействию абразивных частиц. Помимо этого атомы кальция блокируют развитие микротрещин в матрице сплава, которые появляются в результате воздействия абразива и под влиянием знакопеременных нагрузок. Это уменьшает вероятность скола микрообъемов стали в результате воздействия частиц абразива и затрудняет образование и рост микротрещин в процессе воздействия знакопеременных нагрузок на деталь. Следовательно, в составе данной стали кальций повышает ее контактную выносливость в абразивной среде и усталостную долговечность. При содержании кальция менее 0,0083% повышения контактной выносливости в абразивной среде и усталостной долговечности не наблюдается. Ввод в состав стали более 0,015% кальция технологически затруднителен. Алюминий, распределяясь в основном по границам карбидных фаз, изменяет энергетическое состояние границы карбид матрица, Карбиды более прочно закрепляются в матрице стали, что повышает ее износостойкость. Помимо этого, алюминий оказывает рафинирующее воздействие на границу карбид матрица, вытесняя такие вредные примеси как сера и фосфор с границы. Это дополнительно повышает устойчивость границы сопротивляться зарождению трещин при циклическом нагружении, что повышает усталостную долговечность изделия. Содержание алюминия менее 0,005% неэффективно, поскольку не приводит к заметному повышению усталостной долговечности. При повышении содержания алюминия, более 0,2% прироста усталостной долговечности не наблюдается. Медь, распределяясь исключительно в матрице сплава повышает вязкость и пластичность продуктов закалки, что в свою очередь ведет к повышению устойчивости термоупрочненной матрицы сопротивляться зарождению и росту трещин, возникающих при усталостном нагружении изделия. При этом повышается усталостная долговечность. Уменьшение содержания меди менее, чем 0,1% не приводит к росту усталостной долговечности, увеличение содержания меди в составе стали более 0,4% - экономически нецелесообразно. Помимо вышеизложенного, наиболее полно проявляют свои функции молибден и кальций в составе заявляемой стали в случае выполнения соотношения где - процентное содержание молибдена, углерода и кальция соответственно. Данное уравнение получено эмпирическим путем. Опытным путем установлено, что для обеспечения максимально высокой и стабильной контактной выносливости стали в абразивной среде и высокой усталостной долговечности, необходимое количество кальция в составе стали обратно пропорционально количеству молибдена, входящего в состав твердого раствора, т.е. чем меньше молибдена, тем больше необходимо кальция. При этом соотношение молибдена и кальция в составе сплава определяется уравнением Таким образом, совместное влияние углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, титана, ванадия, молибдена, кальция и бора проявляется в следующем: углерод и хром образуют карбидную фазу; которая обеспечивает сопротивляемость стали абразивному воздействию; кремний раскисляет расплав, что придает стали требуемые технологические свойства (повышается жидкотекучесть, уменьшается усадка и пористость); марганец, понижая температуру начала мартенситного превращения, формирует матрицу стали с требуемым уровнем прочности; никель повышает пластичность матрицы, при этом повышается надежность закрепления в ней карбидов; титан и бор применяются для измельчения литой структуры, что благоприятно сказывается на комплексе эксплуатационных характеристик стали; ванадий, образовывая вторичные карбиды в матрице дополнительно упрочняет ее, при этом повышает износостойкость стали; молибден формирует такую структуру продуктов закалки, которая по своей морфологии наиболее благоприятна для того, чтобы сталь приобрела высокую контактную выносливость в абразивной среде; кальций, изменяя энергетическое состояние матрицы стали, тормозит развитие и блокирует рост микротрещин, появляющийся под воздействием как многократно повторяющихся циклических нагрузок, так и противостоит появлению микротрещин, образующихся при внедрении частиц абразива в матрицу, при этом повышается контактная выносливость стали в абразивной среде и ее усталостная долговечность. Помимо вышеперечисленных химических элементов, заявляемая сталь содержит до 0,2% алюминия и до 0,4% меди. Алюминий, распределяясь по границам фаз, оказывает рафинирующее воздействие на последние и, как результат, повышает усталостную долговечность. Медь, располагаясь исключительно в матрице сплава, повышает вязкость продуктов закалки, что приводит к росту контактной выносливости в абразивной среде и усталостной долговечности стали. Отсюда следует, что весь комплекс компонентов, содержащихся в стали заявляемого состава, взятых в пределах вышеуказанных массовых соотношений, способствует повышению ее основных эксплуатационных характеристик контактной выносливости в абразивной среде и усталостной долговечности. При наличии вновь введенных элементов в состав стали их совместное влияние иное, чем в известных решениях. Таким образом, совместное влияние вновь введенных элементов в состав стали способствует изменению типа и морфологии продуктов закалки, блокирует образование и препятствует зарождению микротрещин, повышает вязкость и пластичность матрицы и устойчивость границы карбид-матрица к разрушению. Сталь отличается высокой степенью стабильности основных эксплуатационных свойств в пределах всего химсостава. Указанные признаки отличают заявляемый состав стали от известных технических решений. Пример. В таблице приведены составы предлагаемой стали №1, 2, 3, а также составы стали за пределами предлагаемого содержания компонентов №4, 5, составы стали которых, содержание молибдена и кальция подчиняются уравнению (№6 10) и сталь-прототип №11, 12. Опытные плавки производились в индукционной печи емкостью 180кг с основной футеровкой. Для получения всей гаммы составов сталей в качестве исходного сырья использовали стальной лом следующего состава: углерод - 0,08; марганец - 0,30; кремний - 0,15, железо - остальное (ГОСТ 2590 - 71). Стальной лом расплавляли в индукционной, печи и для получения сплава №1 добавляли: для стали №1: электродный графит - 0,17%, ферросилиций (ФС-75) - 0,173%; ферромарганец (ФМ-60) - 0,5%; никель (НОО) - 1,5%; хром (ХОО) 0,9%; титановую губку - 0,025%; феррованадий (ФВ-60) - 0,17%; ферробор (ФБ-60) - 0,0033%; ферромолибден (ФМ-60) - 0,83%; силикокальций (СК-45) - 0,393%; алюминий - 0,01%, медь - 0,1%. Для получения стали №2 в расплав добавляли: электродный графит - 0,37%; ферросилиций (ФС-75) - 0,653%; ферромарганец (ФМ-60) - 2,08%; никель (НОО) - 3,21%; хром (ХОО) - 2,2%; титановую губку - 0,30%; феррованадий (ФВ-60) - 0,56%; ферробор (ФБ-60) - 0,066%; ферромолибден (ФМ-60) - 0,33%; силикокальций (СК-45) - 0,2%; алюминий - 0,2%; медь - 0,2%. Для получения стали №3 в расплав добавляли; электродный графит - 0,57%; ферросилиций (ФС-75) - 1,04%; ферромарганец (ФМ-60) - 3,1%; никель (НОО) - 4,0%; хром (ХОО) 4,0%; титановую губку - 0,45%; феррованадий (ФВ-60) - 1 0%; ферробор (ФБ-60) - 0,166%; ферромолибден (ФМ-60) - 0,66%; силикокальций (СК-45) - 0,333%; алюминий - 0,4%; медь - 0,4%. Для получения стали №4 в расплав добавляли: электродный графит - 0,13%; ферросилиций (ФС-75) - 0,362%; ферромарганец (ФМ-60) - 0,66%; никель (НОО) - 1,4%; хром (ХОО) - 0,8%; титановую губку - 0,0165%; феррованадий (ФВ-60) - 0,116%; ферробор (ФБ-60) - 0,00266%; ферромолибден (ФМ-60) - 0,066%; силикокальций (СК-45) - 0,0175%; алюминий - 0,008%; медь 0,09%. Для получения стали №5 в расплав добавляли: электродный графит 0,6%; ферросилиций (ФС-75) - 1,03%; ферромарганец (ФМ-60) - 3,4%; никель (НОО) - 4,1%; хром (ХОО) 4,15%; титановую губку - 0,545%; феррованадий (ФВ-60) - 1,166%; ферробор (ФБ-60) - 0,183%; ферромолибден (ФМ-60) - 0,833%; силикокальций (СК-45) - 0,555%; алюминий - 0,6%; медь - 0,45%. Сталь №6 получали таким образом: в расплав добавляли 0,17% электродного графита; ферросилиций, ферромарганец, никель, хром, титановую губку, феррованадий и ферробор вводили как для стали №2; затем задаваясь требуемым содержанием молибдена (0,05%) производили расчет соответствующего количества кальций по формуле затем в расплав добавляли 0,0833% ферромолибдена (ФМ-60) и 0,40% силикокальция (СК-45). После проведения экспресс химанализа, корректировки химического состава и проведения повторного химанализа расплав вылавливали в ковш. Сталь №7 получали таким образом: в расплав добавляли 0,57% электродного графита; ферросилиций, ферромарганец, никель, хром, титановую губку, феррованадий и ферробор вводили как для стали №2; затем, задаваясь требуемым содержанием молибдена (0,4%), производили расчет соответствующего количества кальция по формуле затем в расплав добавляли 0,666% ферромолибдена (ФМ-60) и 0,124% силикокальция (СК-45). После проведения экспресс химанализа, корректировки химсостава плавки и проведения повторного химанализа расплав вылавливали в ковш. Сталь №8получали таким образом: в расплав добавляли 0,37% электродного графита; ферросилиций, ферромарганец, никель, хром, титановую губку, феррованадий и ферробор добавляли как для стали №2; задавались требуемым содержанием молибдена (0,23%) и производили расчет соответствующего количества кальций по формуле: затем в расплав добавляли 0,383% ферромолибдена (ФМ-60) и 0,157% силикокальция (СК-45). После проведения экспресс химанализа, корректировки химсостава плавки и проведения повторного химанализа расплав вылавливали в ковш. Сталь №9 получали таким образом: в расплав добавляли 0,17% электродного графита; ферросилиций, ферромарганец, никель, хром, титановую губку, феррованадий и ферробор вводили как для стали №2; задавались требуемым содержанием молибдена (0,4%) и производили расчет соответствующего количества кальция по формуле затем в расплав добавляли 0,666% ферромолибдена (ФМ-60) и 0,044% силикокальция (СК-45). После проведения экспресс химанализа, корректировки химсостава плавки и проведения повторного химанализа расплав выливали в ковш. Сталь №10 получали таким образом: в расплав добавляли 0,57% электродного графита; ферросилиций, ферромарганец, никель, хром, титановую губку, феррованадий и ферробор, вводили как для стали №2; задавались требуемым содержанием молибдена (0,05%) и производили расчет соответствующего количества кальция по формуле затем в расплав 0,0833% ферромолибдена (ФМ60) и 0,88% силикокальция (СК-45). После проведения экспрессхиманализа, корректировки химсостава плавки и проведения повторного химанализа, расплав выливали в ковш. Во всех вышеуказанных способах получения сплавов, соответствующих заявляемому решению, процентное содержание ферросплавов и легирующих элементов, вводимых в расплав из стального лома, дано с учетом потерь на угар в процессе индукционной плавки. В результате проведенных плавок получилась сталь, имеющая мелкодисперсную карбидную фазу, высокопрочную, вязкую матрицу, которая эффективно противостоит зарождению и росту микротрещин, возникающих как при внедрении частиц высокотвердого абразива в матрицу, так и при многократно повторяющихся знакопеременных нагрузках. Наиболее высокими эксплуатационными свойствами обладает сталь, в которой содержание кальция находится в зависимости от содержания углерода и молибдена и определяется по формуле В таблице приведены значения основных эксплуатационных характеристик стали, контактная выносливость в абразивной среде и усталостная долговечность. Образцы, полученные из всех исследуемых сталей (№1 - 15), подвергались термической обработке по следующему режиму: отжиг при 830°C - 4 часа; закалка в масле от 980°C; отпуск 350°C - 2 часа. Контактная выносливость в абразивной среде оценивалась по потере массы образца диска вращающегося вокруг своей оси в качестве абразивного материала использовались электрокоррундовая шкурка зернистостью 10 НМ. Усталостная долговечность оценивалась на машине Шенка при изгибе вращающегося вокруг своей оси образца. Таким образом, контактная выносливость в абразивной среде у стали заявляемого состава в 2,2 раза выше, чем у стали прототипа. Усталостная долговечность стали заявляемого состава в 1,8 раза выше, чем у стали-прототипа. Более высокие эксплуатационные характеристики заявляемой стали позволяют для данной группы материалов значительно увеличить срок службы деталей бурового инструмента, сократить расходы, связанные с ремонтом и переналадкой буровой техники.

Дивитися

Додаткова інформація

Назва патенту англійською

Starwritersteel

Автори англійською

Pettik Yurii Vladyslavovych, Piliushenko Vitalii Lavrentiiovych, Shapovalov Yurii Serhiiovych, Matiukha Petro Hryhorovych, Hordon Zinovii Leontiiovych, Leonenko Yevhen Viktorovych, Dubyna Volodymyr Stepanovych, Fedoniuk Valerii Mykhailovych, Prylepa Valentyn Tymofiiovych

Назва патенту російською

Starwriter!",

Автори російською

Петтик Юрий Владиславович, Пилюшенко Виталий Лаврентьевич, Шаповалов Юрий Сергеевич, Матюха Петр Григорьевич, Гордон Зиновий Леонтьевич, Леоненко Евгений Викторович, Дубина Владимир Степанович, Федонюк Валерий Михайлович, Прилепа Валентин Тимофеевич

МПК / Мітки

МПК: C22C 38/54

Мітки: сталь

Код посилання

<a href="https://ua.patents.su/5-18561-stal.html" target="_blank" rel="follow" title="База патентів України">Сталь</a>

Подібні патенти