Термостійка графітизована сталь

Реферат: UA 79950 U UA 79950 U 5 10 15 20 25 30 35 Корисна модель належить до металургії, точніше до складу економнолегованих графітизованих сталей, які застосовуються в різних галузях: машинобудуванні, металургії та інших для підвищення довговічності деталей машин, які працюють в умовах високих температур та термоциклювання. Відома сталь [1], що містить (мас. %): вуглець 0,85-0,95 кремній 0,5-0,8 манган 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 решта. До недоліків відомої сталі треба віднести наявність у його складі значної кількості дорогих та дефіцитних легуючих елементів. Також вона не забезпечує необхідної термостійкості деталей при високих температурах і особливо в умовах термоциклювання. Найбільш близьким аналогом за хімічним складом і за технічною суттю до корисної моделі, що заявляється, є термостійка графітизована сталь [2], що містить (мас. %): вуглець 1,2-1,4 кремній 1,1-1,5 манган 0,3-0,6 мідь 1,2-1,8 титан 0,05-0,07 залізо решта. До недоліків цієї сталі треба віднести те, що застосування цієї сталі не забезпечує надійної та довготривалої роботи ряду деталей, які працюють в умовах термоциклювання в контакті з високотемпературними середовищами (рідким металом, розплавом скломаси), наприклад, металеві форми для розливання алюмінію, міді та їх сплавів. У зв'язку з цим підвищення термостійкості графітизованої сталі в умовах термоциклічних навантажень та зменшення у складі сталі коштовних і дефіцитних легувальних елементів є актуальною задачею. Поставлена задача вирішується тим, що термостійка графітизована сталь, яка містить вуглець, кремній, манган, мідь, залізо, згідно з корисною моделлю, додатково алюміній при наступному співвідношенні компонентів (мас. %): вуглець 1,6-1,7 кремній 2,0-2,5 манган 0,3-0,6 мідь 3,0-3,5 алюміній 0,15-0,25 залізо решта. Саме сукупність цих компонентів та їх співвідношення забезпечують досягнення нового технічного результату - підвищення термостійкості та в цілому довговічності виробів, які з неї виготовлені й працюють в умовах високих температур і термоциклічних навантажень. Склад термостійкої графітизованої сталі, що заявляється, дозволить підвищити термін експлуатації деталей, заощадити при цьому значні фінансові ресурси за рахунок економії легувальних елементів. Вміст вуглецю у кількості 1,60-1,65 % забезпечує високий рівень міцності та теплопровідності, сприяє зниженню термічних напружень, що в цілому забезпечує високу довговічність виробів при термоциклічному навантаженні. Підвищення вмісту вуглецю більш ніж 1,65 % призводить до погіршення міцності матеріалу. При вмісті вуглецю менш 1,60 % зменшується кількість графітної фази в структурі сталі, що призводе до зниження теплопровідності матеріалу. Кремній, як і вуглець, є активним графітизатором, тому для отримання структури сталі без вторинного цементиту, який погіршує механічні властивості, вміст кремнію обмежено на рівні 2,0-2,5 %. Збільшення кремнію більше за вказаний діапазон призводить до високої крихкості матеріалу, що також є не бажаним. Вміст мангану в сталі, що заявляється, збережено на рівні вимог найближчого аналога. Виконуючи роль розкислювача, він є постійним традиційним елементом в сталі. Підвищений 1 UA 79950 U 5 10 15 20 25 вміст мангану більш 0,6 мас. % знижує пластичність, рідинноплинність та перешкоджає процесу графітизації вторинного цементиту. Мідь у кількості 3,0-3,5 % забезпечує підвищення теплопровідності, границі міцності, окалиностійкості та витривалості сталі при високих температурах. Зменшення міді за вказану кількість негативно впливає на теплопровідність сталі, а її підвищений вміст більше за 3,5 % призводить до погіршення форми графітових включень й, внаслідок цього, зниження міцності й пластичності сталі. Наявність алюмінію у хімічному складі сталі, що заявляється сприяє створенню чисельних центрів графітизації, подрібненню включень графіту, його глобуляризації та рівномірному розподіленню в об'ємі металу, що дозволяє знизити швидкість окалиноутворювання, а також підвищити механічні властивості при кімнатній та високих температурах. Зменшення алюмінію менше за 0,15 % не викликає бажаного модифікуючого ефекту, а його вміст більший за 0,25 % призводить до окислювання металу під час розливання та погіршення його властивостей. Експериментальне виплавлення сталі проводили в індукційній печі марки ИСТ-60. Температура металу при випуску становила 1650 °C, а температура заливання форми 1610 °C. Заливання металу виконували в сухі піщані ливарні форми. Із виливок виготовляли зразки для досліджень структури, механічних властивостей, теплопровідності, термостійкості та окалиностійкості. Склад термостійкої графітизованої сталі, що заявляється, представлено в таблиці 1, та який містить елементи в кількості, відповідно: нижній границі, що заявляється, відповідає сплав № 2; верхній границі, що заявляється, відповідає сплав № 4; оптимальному складу відповідає сплав № 3; нижче за нижню границю - сплав № 1; вище за верхню границю - сплав № 5. Теплопровідність сталі  вимірювали на приборі ИТЭМ-1М Актюбінського заводу "Эталон". Визначення термостійкості N проводили за допомогою пристрою, описаного у патенті України UA 53976A [3], з використанням циліндричного зразка, що має два наскрізних отвори, вісі яких розташовані у взаємоперпендикулярних площинах. Термоциклювання проводили за режимом 20↔800 °C із охолодженням у проточній воді. Висновок про термостійкість матеріалу робили за кількістю циклів, що витримував зразок до появи наскрізної тріщини або до його руйнування (розділення на дві частини). 30 Таблиця 1 Хімічний склад сталей № Сплав Найближчий аналог 1 2 3 Запропонований 4 5 35 40 вуглець 1,2.-1,4 1,50 1,60 1,65 1,70 1,80 кремній 1,1-1,5 1,8 2,0 2,3 2,5 2,7 Вміст елементів, мас. % манган мідь алюміній 0,3…0,6 1.2…1.8 0,15…0,25 2,8 0,12 3,0 0,15 0,3…0,6 3,3 0,20 3,5 0,25 3,7 0,28 залізо решта решта решта решта решта решта Випробування на окалиностійкість проводили на спеціальній газодинамічній установці в потоці полум'я від згорання суміші пропану та кисню на плоских полірованих зразках розмірами 50×10×2 мм. Опір термічному руйнуванню визначали при термоциклюванні за режимом 600↔900 °C. Термін випробувань кожної партії зразків становив 100 циклів; тривалість одного циклу - 6 хвилин. Відомо, що кількісною характеристикою окалиностійкості є збільшення маси дослідних зразків в процесі окислювання при заданих температурах. Критерієм окалиностійкості служила різниця мас ∆Р кожного зразка до та після термоциклювання. Визначення маси зразків виконували на аналітичних вагах ВЛА-2000 з точністю до 0,0001 г. Результати порівняльних досліджень чавуну з кулястим графітом ВЧ40 - матеріалу, який широко застосовують при виготовленні металевих форм, найближчого аналога - сталі 130СДТЛ та графітизованої сталі, яка заявляється, наведені в таблиці 2. 2 UA 79950 U Таблиця 2 Результати порівняльних досліджень СПЛАВ ВЧ40 графітизована сталь 130СДТЛ (найближчий аналог) графітизована сталь, що заявляється (див. табл. 1) 5 10 15 в, МПа 415 648 1 950 2 943 3 930 4 880 5 720 , %  Вт/м °С N, циклів 15 45,2 34 24 35,7 49 20 36,3 49 19 38,1 50 18 42,3 52 14 43,0 47 8 43,2 42 ∆Р, г 0,48 24,3 26,2 28,2 0,31 0,33 0,44 Результати досліджень вказують, що графітизована сталь, склад якої заявляється, не містить дорогих легувальних елементів, забезпечує високі показники межі міцності в, відносного видовження  та окалиностійкості ∆Р, а також більш високі показники теплопровідності  та термостійкості N. Це дозволило підвищити термін експлуатації металевих форм, які були з неї виготовлені, а також заощадити при цьому значні фінансові ресурси за рахунок економії легувальних елементів, зменшення кількості запасних частин і ремонтів, змінного обладнання (кокілі, виливниці та інш.). Джерела інформації: 1. АС СРСР №1525229, МПК С22С38/54. Сталь [Текст] / І.П. Волчок, О.Б. Колотілкін, С.П. Шейко (Україна); Заявлено 17.05.88. Опубл. 30.11.89, Бюл. № 44.-3 с. 2. Пат.33235 Україна, Термостійка графітизована сталь [Текст]/ О.Ю. Яковлев, І.П. Волчок, О.А. Мітяєв; Заявлено 22.02.2008. Опубл. 10.06.2008, Бюл. № 11.-2 с. 3. Пат. 53976А Україна, МПК G01N3/60 Пристрій для визначення термостійкості [Текст]/О.Б. Черняк, О.Б. Колотілкін, І.П. Волчок (Україна); 12.04.2002. - Опубл. 01.02.2003, Бюл. №2, 2 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 20 Термостійка графітизована сталь, що містить вуглець, кремній, марганець, мідь, залізо, яка відрізняється тим, що додатково містить алюміній при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: вуглець 1,6-1,7 кремній 2,0-2,5 марганець 0,3-0,6 мідь 3,0-3,5 алюміній 0,15-0,25 залізо решта. Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 3