ВАЛ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к черной металлургии, в частности к изделиям из стали преимущественно мартенситной структуры, которые предназначены для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой.
Известно изделие из стали следующего состава, в мас.%:
углерод - 0,06-0,08,
хром - 13,5-15,3,
никель - 8,5-9,5,
алюминий - 0,7-1,0,
марганец - 0,3-0,8,
ванадий - 0,05-0,1,
лантан - 0,05-0,1,
железо - остальное. (см. SU №836193, 07.06.1981 г., 3 С22С 38/46)
Из уровня техники также известны изделия из дисперсионно-твердеющей стали, содержащей углерод, кремний, хром, никель, кобальт, молибден, ванадий, ниобий, железо, и дополнительно содержащей вольфрам, церий, лантан, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,12-0,19,
Кремний 0,1-0,6,
Марганец 0,1-0,6,
Хром 14-15,
Никель 2,3-3,3,
Кобальт 1,0-4,0,
Молибден 1,5-2,3,
Ванадий 0,1-0,2,
Вольфрам 0,5-0,8,
Ниобий 0,06-0,12,
Церий 0,005-0,05,
Лантан 0,005-0,05,
Кальций 0,005-0,05,
Азот 0,05-0,1,
Железо Остальное.
(RU 2296177 C1, 27.03.2007, МПК С22С 38/52 (2006.01)).
Из уровня техники также известно изделия из высокопрочной нержавеющей стали. Нержавеющая сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: С 0,01-0,07; Мn 0,3-1,8; Si до 1,0; Cr 14-18; Ni 2,0-5,0; Сu 1,0-4,0; Nb 0,01-1,0; N 0,01-0,12; Al+Ti 0,01-2; Fe и сопутствующие примеси - остальное. По меньшей мере, один из компонентов: алюминий, титан, образует интерметаллидные соединения с никелем. Дальнейшее повышение прочностных свойств и коррозионной стойкости стали достигается введением бора (RU 2263155 C1, 27.10.2005, МПК 7 С22С 38/50, С22С 38/54, С22С 38/58).
Недостаток известных изделий из стали состоит в недостаточном сочетании прочности и пластичности, нестабильности структуры стали, в результате чего со временем при эксплуатации механические свойства изделия из стали могут ухудшаться.
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание изделия из дисперсионно-твердеющей стали, обладающего повышенной прочностью при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости с одновременным повышением стабильности механических свойств стали во время эксплуатации.
Указанная задача в части первого варианта изделия решается тем, что изделие из дисперсионно-твердеющей стали, согласно полезной модели, выполнено в виде прутка из дисперсионно-твердеющей стали, содержащей химические элементы, в мас.%:
С
≤0,15,
Ni
2,5÷9,0,
по крайней мере, один из
0,01÷4,5,
элементов: медь, ванадий,
ниобий
железо и примеси
остальное,
при условии выполнения следующих соотношений:
эф
эф
эф
эф
Cu+V+Nb≤2,5+0,3·Ni, где V=V-4,2· - содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, NbNb-7,8·С≥0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, например, в виде вала погружного электродвигателя или гидрозащиты.
Указанная задача в части второго варианта изделия решается за счет того, что изделие из дисперсионно-твердеющей стали, согласно полезной модели, выполнено в виде прутка из дисперсионно-твердеющей стали, содержащей химические элементы, в мас.%:
С
≤0,15,
Сr
11,5÷17,0,
Ni
2,5÷9,0,
По крайней мере, один из
0,01÷4,5,
элементов: медь, ванадий,
ниобий
железо и примеси
остальное,
при условии выполнения следующих соотношений:
эф
эф
св
1
2
эф
эф
эф
эф
св
1
2
Сu+V+Nb≤2,5+0,3·Ni и Ni+30-C+0,3·Cu=K-K·(Cr+V+Nb), где V=V-4,2· - содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nb=Nb-7,8·С≥0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, С=С-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшееся после образования карбидов ванадия и ниобия, a K=17,5±2,0; К=0,68±0,1, например, в виде вала погружного насоса, газосепаратора или гидрозащиты.
Указанная задача в части третьего варианта изделия решается тем, что изделие из дисперсионно-твердеющей стали, согласно полезной модели, выполнено в виде прутка из дисперсионно-твердеющей стали, содержащей химические элементы, в мас.%:
С
≤0,15,
Сr
11,5÷17,0,
Ni
2,5÷9,0,
Si
0,2÷1,0,
Mn
0,2÷3,0,
Mo
0,01÷5,0,
Al+Ti
0,001÷0,9,
В
≤0,01,
Cа
≤0,02,
Се
≤0,02,
S
≤0,03,
P
≤0,03,
N
0,005÷0,15,
по крайней мере, один из
0,01÷4,5,
элементов: медь, ванадий,
ниобий
железо и примеси
остальное,
при условии выполнения следующих соотношений:
эф
эф
Сu+V+Nb≤2,5+0,3·Ni и
.
.
св
1
2
эф
эф
эф
эф
св.
1
Ni+30C+0,3Cu=K-K·(Cr+Mo+V+Nb), где V=V-4,2· - содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nb=Nb-7,8·С≥0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, С=С-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшееся после образования карбидов ванадия и ниобия, a K=17,5
2
±2,0; К=0,68±0,1, например, в виде вала погружного насоса, газосепаратора или гидрозащиты.
Изделие может быть изготовлено с помощью термообработки при температуре (200÷600)°С с выдержкой (1÷7) часов.
Изделие может быть изготовлено при помощи механической обработки резанием поверхности изделия, которое произведено до или после термической обработки.
2
2
Изделие может иметь предел текучести (90÷165) кг/мм и ударную вязкость не менее 7 кг см/см.
Окончательная обработка поверхности изделия может быть произведена методом шлифования или/и полирования.
Изделие может быть выполнено из стали, содержащей, по крайней мере, один из следующих дополнительных компонентов: барий, редкоземельные металлы, цирконий, иттрий, магний, мышьяк, селен, тантал. Каждый дополнительный компонент содержится в количестве 0,001÷0,1 мас.%.
Изделие может быть выполнено из стали, которая дополнительно содержит кобальт в количестве не более 5 мас.%.
Техническим результатом является изделие из дисперсионно-твердеющей стали, обладающее повышенной прочностью при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости с одновременным повышением стабильности механических свойств стали во время эксплуатации, за счет оптимально подобранных соотношений компонентов стали и, как следствие, оптимального использования следующих механизмов упрочнения стали:
Высокая прочность достигается за счет двух механизмов упрочнения стали:
1) Карбидное упрочнение - в результате выделения карбидов ванадия и ниобия, которые выделяются равномерно по объему зерна, препятствуют движению дислокации и, таким образом, придают повышенную прочность стали.
Степень карбидного упрочнения определяется содержанием углерода в стали. С увеличением содержания углерода растет степень упрочнения стали, но одновременно ухудшаются пластические свойства и ударная вязкость. Превышение содержание углерода более 0,15 мас.% приведет к значительному снижению пластичности и ударной вязкости, что является неблагоприятным для условий работы изделий при динамических нагрузках.
Для изделий эксплуатирующихся в условиях значительных динамических нагрузок, необходимо получить высокую пластичность и ударную вязкость стали. В этом случае стремятся к минимальному содержанию углерода в стали, которые определяется конкретными условиями металлургического процесса выплавки стали.
В сталях образуются карбиды типа NbC, VC в соотношениях Nb=7,8·С, V=4,2·С, по которым можно определить количество Nb и V, связанных в карбидах.
3
3
3
2) Дисперсионное упрочнение происходит в мартенситной структуре стали в результате выделения интерметаллидов типа NiCu, NiV, NiNb в процессе термической обработки («старения»).
Степень упрочнения стали при дисперсионном старении будет определяться количеством выделившейся интерметаллидной фазы.
С точки зрения увеличения упрочнения стали необходимо стремиться ввести большее количество Сu, Nb и V. При избыточном легировании Сu, Nb и V эти элементы будут находиться в свободном виде. В этом случае может наблюдаться снижение пластических свойств, особенно ударной вязкости.
эф
эф
эф
эф
Cu+ V +Nb≤2,5+0,3·Ni, где V=V-4,2· - содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nb=Nb-7,8·С≥0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов.
Указанное выше выражение ограничивает предельное содержание в стали Сu, Nb и V в зависимости от содержания Ni, и, как следствие, ограничивает их содержание в свободном виде.
Содержание никеля определяется из условий достижения требуемого сочетания прочности и пластичности стали. При повышении содержания никеля можно ввести в сталь больше количества меди, ниобия и ванадия тем самым, получив высокую прочность.
При содержании никеля более 9 мас.% и суммарного содержания меди, ванадия, ниобия более 4,5 мас.% сталь приобретет высокую прочность, но пониженную пластичность и ударную вязкость.
При содержании никеля менее 2,5 мас.% железо-никелевый состав стали претерпевает фазовые изменения, переходя из мартенситного состояния в ферритную фазу. В этом случае происходит значительное снижение прочности стали.
В случае эксплуатации изделий в агрессивных средах сталь должна обладать коррозионной стойкостью. Для этого в сталь вводится хром в количестве не менее 11,5 мас.%. С повышением содержания хрома коррозионные свойства стали повышаются. При содержании хрома более 17,5 мас.% получение мартенситной структуры становится невозможным, сталь переходит в двухфазное аустенитно-ферритное состояние с пониженной прочностью.
Для обеспечения мартенситной структуры ограничивают предельное содержание в стали Сu, Nb и V в зависимости от содержания Ni и Сr, то есть обеспечивают выполнение следующих соотношений легирующих элементов:
св
1
2
эф
эф
эф
эф
cв.
1
Ni+30·C+0,3·Cu=K-K·(Cr+ V+Nb), где V=V-4,2· - содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nb=Nb-7,8·С≥0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, C=C-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшееся после образования карбидов ванадия и ниобия, a K=17,5
2
±2,0; К=0,68±0,1, - коэффициенты, определенные эмпирическим путем, в мас.%, введенные для ограничения пределов содержания в стали Сu, Nb и V в зависимости от содержания Ni и Сr для обеспечения мартенситной структуры стали.
3
С целью повышения прочности стали в нее дополнительно вводят Аl и Ti, которые образуют, дополнительно, интерметаллиды типа Ni (Al;Ti).
При содержании Аl и Ti в сумме менее 0,001 мас.% прочностные свойства стали будут снижаться, с повышением концентрации Аl и Ti прочностные свойства возрастают, при этом снижается ударная вязкость стали.
При содержании Аl и Ti в сумме более 0,9 мас.% массы ударная вязкость будет иметь неудовлетворительно низкое значение. Сталь будет невозможно использовать в изделиях работающих при значительных динамических нагрузках.
Молибден вводится в сталь в указанных пределах с целью повышения коррозионной стойкости, повышения твердости, а также для предотвращения отпускной хрупкости 2 рода, которая наблюдается при медленном охлаждении стали в процессе термообработки при температурах около 500°C.
Допускается замена молибдена вольфрамом из расчета три весовых части вольфрама на одну весовую часть молибдена. В этом смысле эти элементы эквивалентны.
Введение в сталь бора в количестве менее 0,010 мас.% способствует некоторому улучшению ударной вязкости за счет очищения границ зерен от вредных примесей. Легирование стали бором в количестве более 0,010 мас.% может привести к ухудшению пластических свойств.
Для улучшения обрабатываемости стали режущим инструментом дополнительно вводится кальций и цезий количестве не более 0,02 мас.% каждого элемента.
Введение в сталь азота способствует образованию более сложных карбонитридов ниобия, ванадия и способствует дополнительному приросту прочности.
Содержание азота менее 0,005 мас.% практического влияния на образование карбонитридов не оказывает.
При содержании азота более 0,15 мас.% возникает повышенное количество неметаллических включений нитридов алюминия, титана и др., приводящее к снижению ударной вязкости.
Сера и фосфор - вредные примеси в стали. Их содержание в стали стараются понизить до технологически приемлемого уровня - 0,03 мас.%.
Марганец и кремний в пределах от 0,2 мас.% до 1,0 мас.% каждый используется в качестве технологических добавок для раскисления стали, причем марганец в пределах от 0,2 мас.% до 3,0 мас.% используется не только для раскисления, но и для улучшения физических свойств стали, таких как ударная вязкость и твердость. При содержании марганца более 3,0 мас.% недопустимо снижается ударная вязкость.
Пример.
Сталь для изделия выплавляли в основной дуговой электропечи. Разливка стали осуществлялась в слитки 1,15 т. Слитки прокатывались на блюминге на заготовки квадрат 100 мм. Заготовки прокатывались на мелкосортном стане на прутки диаметром 20 мм и длиной 5400 мм.
Прутки подвергались термической обработке по режиму: нагрев до 600°С, выдержка четыре часа с последующим охлаждением на воздухе.
На готовых изделиях в виде прутков определялись механические свойства.
Испытания механических свойств проводили по ГОСТ 1497-84, ударной вязкости по ГОСТ 9454-78.
Стойкость стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородной среде проводили по методике стандарта NACE ТМ 0177-96 (США). Образец помещался в среду водного раствора сероводорода и к нему прикладывалось растягивающее усилие, которое создавало напряжение в металле равное 70% от предела текучести стали. Стойкость стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородной среде
определялось как время, прошедшее с начала испытаний до полного разрушения образца. Химический состав стали, выплавленной с различным содержанием компонентов, результаты испытаний механических свойств и коррозионных испытаний приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1
Химический состав стали изделия
Хим. состав
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
С
0,02
0,20
0,15
0,05
0,05
0,10
0,05
0,15
0,05
0,15
Сr
-
-
-
16,0
16,0
16,0
16,0
11,0
11,0
11,0
Ni
9,0
7,0
2,3
4,5
4,0
8,00
2,0
2,5
4,5
9,0
Si
0,2
0,2
0,3
0,4
0,5
0,60
0,8
0,9
1,0
1,0
Mn
0,2
0,3
0,5
0,8
1,0
1,40
1,8
2,2
3,0
3,0
Мо
-
-
-
-
-
-
-
0,01
5,0
5,0
Al+Ti
-
-
-
-
-
-
-
0,1
0,9
0,9
В
-
-
-
-
-
-
-
0,005
0,005
0,005
Са
-
-
-
-
-
-
-
0,01
0,02
0,02
Се
-
-
-
-
-
-
-
0,02
0,02
0,02
S
0,01
0,02
0,01
0,02
0,01
0,02
0,01
0,02
0,01
0,01
Р
0,02
0,02
0,03
0,02
0,02
0,02
0,03
0,02
0,03
0,03
N
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
Сu
1,50
0,50
1,00
1,00
1,50
1,00
2,00
1,50
1,00
1,00
V
0,50
1,00
0,50
1,00
2,00
1,50
0,00
1,50
1,00
1,50
Nb
0,50
1,00
1,00
0,50
1,00
2,00
0,50
1,00
1,00
2,00
Cu+V+Nb
2,5
2,5
2,5
2,5
4,5
4,5
2,5
4,0
3,0
4,5
Cu+V<sub>эф</sub>+Nb<sub>эф</sub>≤2,5+0,3·Ni
+
+
+
+
-
+
+
+
+
+
Ni+30·C<sub>св</sub>+0,3·Cu=K<sub>1</sub>-K<sub>2·</sub>(Cr+Mo+ V<sub>эф</sub>+Nb<sub>эф)</sub>
+
+
-
+
+
+
-
Таблица 2
Механические и коррозионные свойства изделия из стали
Свойства
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Предел текучести, кг/мм<sup>2</sup>
120
130
70
125
127
90
88
130
165
92
Временное сопротивление разрыву
128
135
85
132
134
98
95
136
169
98
Относительное сужение, %
58
55
65
56
55
55
48
54
50
55
Относительное удлинение, %
14
11
18
13
12
12
9
12
10
12
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
110
60
180
100
70
80
70
90
80
80
Коррозионная стойкость стали под напряжением, час
880
880
930
800
920
930
930
Химический состав стали изделия №1 соответствует первому варианту формулы полезной модели, сталь имеет удовлетворительные механические характеристики. Состав стали изделия №2 имеет повышенное содержание углерода, ударная вязкость пониженная. Состав стали изделия №3 имеет пониженное содержание никеля, низкие прочностные свойства.
Состав стали изделия №4 соответствует второму варианту формулы полезной модели, сталь имеет удовлетворительные механические и коррозионные характеристики. Состав стали изделия №5 имеет избыточное содержание Сu, V, Nb, и, как следствие, пониженное значение ударной вязкости. Состав стали изделия №6 - повышенное содержание никеля, что в совокупности с другими элементами приводит к нарушению выполнения соотношений, указанных в формуле и, как следствие, приводит к низким прочностным свойствам изделия из стали из-за избыточного содержания аустенита. Состав стали изделия №7 - содержание никеля ниже расчетного по формуле, сталь имеет низкие прочностные свойства и ударную вязкость.
Состав стали изделия №8 соответствует третьему варианту формулы полезной модели, сталь имеет удовлетворительные механические характеристики. Состав стали изделия №9 соответствует третьему варианту формулы полезной модели, за счет повышенного содержания Аl и Ti имеет более высокую прочность, повышенное содержание Мо обеспечивает лучшую коррозионную стойкость. Состав стали изделия №10 - повышенное содержание никеля и хрома, что в совокупности с другими элементами превышает допустимое ограничение соотношения, указанного в третьем варианте формулы и, как следствие, приводит к низким прочностным свойствам стали из-за избыточного содержания аустенита.
Составы стали изделий №№1, 4, 8, 9 соответствуют полезной модели.