СТАЛЬ
STEEL

Изобретение относится к металлургии, в частности к конструкционным материалам, используемым для изготовления деталей в нефтяной, химической и других отраслях промышленности, подвергающихся ударным нагрузками с трением в условиях коррозионного и кавитационного износа: лопатки турбин, плунжеры гидропрессов, скалки насосов высокого давления, штоки и др. Для изготовления таких деталей применяют высокохромистые стали.
Известен состав коррозионностойкой высокохромистой стали (А.С. №697595), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:
углерод
0,08÷0,25
хром
12,0÷15,0
марганец
2,0÷4,0
молибден
0,5÷1,5
железо
остальное
Известная сталь обладает высокими значениями коррозионностойкости в нейтральных и кислых средах, но имеет недостаточную работоспособность при работе в условиях кавитационного износа.
Известен сплав для наплавки деталей, работающих в условиях абразивного, гидроабразивного, ударно-абразивного износа (А.С.№526471), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%:
углерод
0,3÷0,9
бор
2,0÷4,0
хром
8,0÷10,0
никель
2,0÷4,0
ванадий
0,2÷1,2
кремний
0,1÷0,25
железо
остальное
Повышенное содержание углерода в сплаве известного состава обуславливает мартенситную матрицу, слишком высокую твердость (61-65 HRC) и соответственно пониженную релаксационную способность, высокий уровень остаточных напряжений, что ограничивает ресурсы пластичности сплава при последующей деформационной обработке.
Наиболее близким по химическому составу и назначению является мартенситно-стареющий сплав для износостойкой наплавки деталей, работающих в условиях кавитационного и абразивного износа при температуре до 500°C (А.С.№349532), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %:
углерод
0,01÷0,10
азот
0,01÷0,15
хром
10,0÷13,5
никель
4,0÷10,0
молибден
0,5÷2,5
кремний
0,2÷2,5
титан
0,05÷1,5
железо
остальное
Недостатком данного сплава является сложность технологии изготовления литых деталей больших сечений, которые могут быть подвержены повышенной хрупкости из-за включений карбонитридных фаз по границам зерен после замедленного охлаждения отливок. Кроме того, после старения (отпуск при температуре 480-520°C в течение 2-4 часов) приграничные выделения интерметаллидных фаз обуславливают снижение пластичности данного сплава.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка высокохромистой стали, достигающей максимального упрочнения при температуре 500-550°C, сохраняющей высокие характеристики пластичности и вязкости. Такие свойства стали позволяют использовать ее в качестве материала для изготовления высоконагруженных ответственных деталей, подвергающихся ударным нагрузками с трением в условиях коррозионного и кавитационного износа.
Требуемые свойства достигаются за счет того, что сталь, состоящая из углерода, хрома, никеля, молибдена, титана, кремния и железа со следующим соотношением, мас.%:
углерод
0,08÷0,15
хром
13,0÷18,0
никель
3,0÷6,0
молибден
3,0÷5,0
кремний
0,8÷1,5
титан
0,5÷1,0
железо
остальное,
в состав стали дополнительно введен марганец, ниобий и бор в следующем соотношении, мас.%:
марганец
2,0÷3,0
ниобий
0,5÷1,5
бор
0,4÷0,8
Углерод в пределах 0,08-0,15% обеспечивает оптимальное сочетание твердости, износостойкости и ударной вязкости, а также ряда технологических свойств стали. При концентрации в стали углерода ниже 0,08% не обеспечивается требуемая твердость после термической обработки вследствие низкого эффекта дисперсионного твердения. При превышении 0,15% C в стали происходит уменьшение количества интерметаллидных упрочняющих фаз, вследствие связывания углерода в карбиды, что снижает твердость стали при старении, а также ухудшаются механические свойства и прежде всего пластичность и ударная вязкость.
Хром в количестве 13-18% вводится в сталь для достижения требуемой коррозионной стойкости металла. Хром способствует расширению ферритной фазы. При этом достаточно известно его количественное воздействие. Так, понижение концентрации хрома ниже 13% не позволяет достичь необхолимой сопротивляемости металла коррозионному износу. Повышение же содержания этого элемента свыше 18% мало сказывается на дальнейшем улучшении рассматриваемого свойства и может привести к понижению пластических свойств стали. Содержание хрома в указанных пределах обеспечивает образование плотно и прочно связанной с металлом окисной пленки, которая длительное время сохраняется на поверхности детали в период эксплуатации. Кроме того, хром, образуя в стали твердые карбоборидные фазы, повышает ее износостойкость.
Никель в количестве 3-6% эффективно повышает пластичность стали за счет увеличения подвижности дислокаций и снижения сопротивления движению дефектов со стороны кристаллической решетки железа. Никель также непосредственно участвует в образовании упрочняющих фаз с титаном, и усиливает эффект старения за счет уменьшения предела растворимости молибдена в твердом растворе α-железа. Понижение содержания никеля в предложенной стали по сравнению с известным сплавом вызвано необходимостью подавления процессов коагуляции интерметаллидных фаз, выделяющихся при старении, и снижения количества аустенита, образующегося в процессе термообработки.
2
3
Наличие в составе стали молибдена в количестве 3-5% является оптимальным, так как повышает температуру рекристаллизации α-твердых растворов, замедляет их разупрочнение, что повышает прочность сплава и его коррозионную стойкость. Вместе с этим молибден способствует дисперсионному твердению, за счет образования интерметаллидных фаз FeMo и NiMo, которые преимущественно выделяются на дислокациях в теле зерна, не снижая пластических свойств стали после старения. При содержании молибдена ниже 3% снижается эффект дисперсионного твердения. Содержание молибдена более 5% нецелесообразно, так как не оказывает влияния на эффект дальнейшего повышения твердости и прочности стали.
3
Титан в количестве 0,5-1,0% позволяет упрочнить сталь в процессе отпуска интерметаллидными фазами типа NiTi, что способствует увеличению твердости и износостойкости металла. Однако такое увеличение наблюдается только до содержания титана 1,0%. При большем увеличении содержания титана происходит повышение твердости, сопровождающееся охрупчиванием стали за счет того, что весь титан расходуется на связывание углерода в карбиды титана. Введение его в состав стали менее 0,5% не оказывает существенного влияния на процесс старения, вследствие малого образования интерметаллидных фаз.
Присутствие кремния в сталях, легированных молибденом и титаном, увеличивает степень упрочнения металла при старении. Кремний существенно снижает предел растворимости молибдена в твердом растворе α-железа, увеличивая количество и дисперсность выделяющейся упрочняющей фазы при старении. Введение 1% кремния равносильно дополнительному введению 2-3% молибдена. Наличие кремния в стали до 1,5% не приводит к снижению ее пластических свойств. Содержание кремния менее 0,8% не обеспечивает удовлетворительного раскисления металла, вследствие чего отливка может быть поражена газовыми порами. Содержание кремния выше 1,5% увеличивает опасность образования неметаллических включений, присутствие которых в высокопрочных сталях вызывает снижение усталостной прочности и приводит к охрупчиванию металла.
Введение марганца в количестве 2-3% обеспечивает в процессе старения значительное повышение прочности вследствие аллотропических превращений, а именно за счет повышения отпускной прочности и твердости стали. Также он повышает стойкость металла против образования кристаллизационных трещин. В то же время превышение концентрации марганца выше 3% приводит к ухудшению пластичности стали, особенно после дополнительного температурного воздействия.
Введение в состав стали ниобия в количестве 0,5-1,5% обеспечивает получение равномерно распределенных в матрице металла карбидов ниобия, обуславливая ему высокую износостойкость в условиях абразивного изнашивания и восприятия статического давления с большими контактными нагрузками. Кроме того, ниобий свыше 0,5% повышает стойкость стали против межкристаллитной коррозии. Однако увеличение содержания ниобия свыше 1,5% приводит к выделению грубых скоплений упрочняющих фаз, которые ослабляют границы зерен и приводят к снижению прочности стали.
Ведение 0,4-0,8% бора является оптимальным, так как ведет с одной стороны к выделению в матрице стали карбоборидной эвтектики, которая, располагаясь в виде каркаса, воспринимает часть нагрузки от удельных давлений и контактного взаимодействия и рассредотачивает ее на большую площадь поверхности, препятствует межкристаллитной коррозии и увеличивает стойкость против задирания. С другой стороны хром, молибден, титан и ниобий образуют мелкодисперсные труднорастворимые высокопрочные многокомпонентные карбоборидные фазы, способствующие увеличению износостойкости стали. При содержании бора менее 0,4% не обеспечивается требуемая твердость и износостойкость стали из-за малого количества упрочняющих фаз. При содержании бора более 0,8% происходит снижение пластических свойств стали.
Обычные примеси в сталях - это, как правило, сера, фосфор и медь. Суммарное содержание серы и фосфора при выплавке обычно понижают до уровня менее 0,035%, а содержание меди не более 0,3%.
Пример конкретного выполнения.
Стали выплавлялись в открытой индукционной печи. Были выплавлены три состава предлагаемой стали на нижнем, среднем и верхнем пределах содержания легирующих элементов, а также два состава стали при содержании элементов ниже нижнего и выше верхнего пределов. Для сравнительной оценки был получен сплав известного состава (прототип) на среднем пределе содержания легирующих элементов. Химический состав плавок контролировали с помощью оптического эмиссионного спектрометра ARL 3460 Quantris (табл.1).
Слитки из исследуемых сталей гомогенизировали при 1150°C в течение 10 часов и ковали при 1200÷900°C на прутки сечением 16×16 мм.
Затем из них вырезали образцы для исследования, которые подвергали закалке от 970÷1000°C на воздухе и старению при 500°C в течение 2 часов.
Таблица 1
Состав
Химический состав стали, %
C
Cr
Ni
Mo
Mn
Nb
Si
Ti
В
N
Cu
S
P
Предла
1
0,059
12,26
2,62
2,32
1,77
0,32
0,57
0,36
0,28
-
0,17
0,017
0,015
гаемый
2
0,147
13,48
3,41
3,37
2,15
0,59
0,85
0,52
0,43
-
0,13
0,014
0,015
3
0,113
15,27
4,53
4,21
2,42
0,83
1,18
0,68
0,56
-
0,13
0,016
0,013
4
0,121
17,69
5,61
4,83
2,29
1,37
1,43
0,94
0,77
-
0,16
0,014
0,014
5
0,226
19,42
6,75
5,50
3,47
1,81
1,74
1,32
1,12
-
0,12
0,015
0,012
Прото
6
0,082
11,44
7,83
1,86
-
-
1,67
0,89
-
0,081
0,16
0,015
0,012
тип
Механические свойства на растяжение и ударную вязкость определяли по стандартной методике на универсальной машине Instron-3369 и маятниковом копре MetroCom в соответствии с требованиями ГОСТов 1497-84 и 9454-78. Испытание на растяжение проводили на цилиндрических образцах типа III, имеющих диаметр и длину рабочей части 5 и 50 мм соответственно. Ударную вязкость определяли на образцах типа 1 при температуре испытания 20°C (табл.2).
Таблица 2
Состав
после закалки
после старения
δ<sub>в</sub>
δ<sub>0,2</sub>
δ
Ψ
KCU
δ<sub>в</sub>
δ<sub>0,2</sub>
δ
Ψ
KCU
МПа
%
МДж/м<sup>2</sup>
МПа
%
МДж/м<sup>2</sup>
Предлагаемый
1
1080
950
14
54
1,03
1410
1340
7
49
0,48
2
1160
1110
16
57
1,15
1640
1580
8
53
0,52
3
1280
1230
14
54
0,93
1790
1740
8
50
0,44
4
1450
1410
10
51
0,78
1870
1820
7
48
0,30
5
1630
1590
6
23
0,24
1920
1890
4
17
0,08
Прототип
6
1140
970
14
58
1,18
1620
1570
7
45
0,36
Дюрометрические исследования проводили на образцах из полученных заготовок после закалки, накатки, старения, накатки+старение: твердость измеряли на приборе Wolpert Group 402MVD по методу Виккерса при нагрузке P=100 г (за величину твердости бралось среднее значение твердости - 15 замеров). Упрочнение производили накаткой в холодном состоянии роликом диаметром 20 мм и радиусом профиля 0,85 мм за 2 прохода при давлении 500 pH, скорости накатки 16-19 м/с и подаче 0,29 мкм/об. Испытания на износ проводились по ГОСТ 23.208-79 "Обеспечение износостойкости изделий. Метод испытания материалов на износостойкость при трении о нежестко закрепленные абразивные частицы" (табл.3).
Таблица 3
Состав
Твердость стали
Относительная износостойкость
после закалки
после накатки
после старения
после накатки+старение
HV
HV
HY
HY
Предлагаемый
1
287
406
401
557
4,41
2
349
432
504
576
9,07
3
361
458
525
618
10,18
4
394
443
540
580
9,65
5
450
486
562
601
10,22
Прототип
6
344
428
476
548
3,06
Сравнительные испытания сталей к общей коррозии проводили в 50% и 65% растворе азотной кислоты методом механического взвешивания и методом AM (ГОСТ 6032-2003) (табл.4).
Таблица 4
Состав
Общая коррозионная стойкость потери веса, г/м<sup>2</sup> ч
Стойкость против МКК, метод «АМ»
50%, 80°C
50%, кип.
65%, 80°C
Провоцирующий нагрев, 650°C, 2 ч
Предлагаемый
1
0,0203
0,2741
0,0359
Не обеспечивает
0,0195
0,2689
0,0371
2
0,0147
0,1682
0,0197
Обеспечивает
0,0151
0,2115
0,0213
3
0,0106
0,1205
0,0144
Обеспечивает
0,0111
0,1199
0,0153
4
0,0099
0,1153
0,0132
Обеспечивает
0,0104
0,1159
0,0138
5
0,0108
0,1267
0,0147
Обеспечивает
0,0116
0,1246
0,0161
Прототип
6
0,0125
0,1736
0,0188
Обеспечивает
0,0137
0,1674
0,0203
Примечание. Время испытаний на общую коррозионную стойкость 100 ч.
Как видно из таблиц 2, 3 и 4, наилучшими эксплуатационными характеристиками обладает сталь состава 3. Сталь данного состава превосходит сталь-прототип по прочности и твердости 1,11-1,2 раза и по износостойкости в 2 раза, а также обладает высокой стойкостью к общей и межкристаллитной коррозии.
3
23
6
7
3
2
Как показали металлографические исследования, высокие эксплуатационные свойства стали заявленного состава можно объяснить тем, что упрочнение матрицы из высокохромистого мартенсита в данной стали происходит как за счет образования мелкодисперсных интерметаллидных фаз (Fe, Cr, Si)2(Mo, Ti) и (Ni, Fe)Ti, так и за счет дополнительного выделения высокопрочных труднорастворимых карбоборидов и карбидов (Cr, Mo, Fe, Nb, Ti)(C, B) и (Cr, Fe, Ti, Nb)C. Кроме этого, в структуре стали боридная эвтектика (Mo, Cr, Fe, Nb)B, располагающаяся по границам зерен в виде каркаса, воспринимает часть нагрузки при растяжении, рассредоточивая ее на большую площадь поверхности, и препятствует межкристаллитной коррозии (фиг.1).
Сочетание у стали заявленного состава высокой прочности и износостойкости с сохранением пластичности, характеризует ее как перспективный материал для изготовления литых высоконагруженных деталей, подвергающихся ударным нагрузками с трением в условиях коррозионного и кавитационного износа.