ВЫСОКОДЕМПФИРУЮЩАЯ СТАЛЬ С РЕГЛАМЕНТИРОВАННЫМ УРОВНЕМ ДЕМПФИРУЮЩИХ СВОЙСТВ И ИЗДЕЛИЕ, ВЫПОЛНЕННОЕ ИЗ НЕЁ
HIGH DAMPING STEEL WITH A SPECIFIED LEVEL OF DAMPING PROPERTIES AND AN ARTICLE MADE FROM IT

Изобретение относится к металлургии, а именно к сталям, обладающим высокой демпфирующей способностью, а также к изделиям, выполненным из них, и может быть использовано при изготовлении холодно- и горячекатаных листов, сортового проката, прутков и поковок, используемых в качестве конструкционных материалов, а также при изготовлении элементов конструкций и деталей крепежа.
Высокодемпфирующие стали и сплавы высокого демпфирования отличаются от других конструкционных металлических материалов тем, что они сочетают в себе высокие механические свойства, высокую демпфирующую способность и высокий модуль упругости. Указанное сочетание свойств позволяет изготавливать из таких сталей изделия с высокой конструкционной жесткостью и высокой демпфирующей способностью. Благодаря этому высокодемпфирующие стали могут быть эффективно использованы для борьбы с вибрацией и шумом в современных технических устройствах.
Практически любое промышленное изделие подвергается в процессе эксплуатации различным механическим воздействиям - например, ударному нагружению или воздействию вибрационной нагрузки. Как правило, ударное воздействие приводит к колебаниям изделия в диапазоне повышенных амплитуд внешней упругой деформации материала. В случае если материал в ходе эксплуатации подвергается постоянному или периодическому воздействию вибрации, связанной с вращением механизмов, то амплитуды колебаний, как правило, являются низкими. Это происходит потому, что конструкторы при проектировании изделий целенаправленно стремятся уменьшить уровень вибрации в них за счет увеличения жесткости конструкции с целью повысить долговечность изделий и снизить шум.
Для применения демпфирующей стали в промышленности является важным, чтобы материал обладал высоким уровнем демпфирующей способности в обоих диапазонах амплитуд колебаний (как в области низких, так и в области промежуточных амплитуд упругой деформации материала). Снижение демпфирующей способности хотя бы в одном из этих диапазонов приведет к сужению спектра возможных практических применений демпфирующей стали.
Другим важным требованием к высокодемпфирующим сталям, как и к любым другим конструкционным материалам, является уровень их технологических свойств, включая уровень ударной вязкости и относительное удлинение материала
-4
-4
Для большого числа индустриальных приложений, в которых демпфирующая сталь используется в качестве несущих элементов конструкции, важнейшей характеристикой сплава высокого демпфирования или высокодемпфирующей стали является уровень удельной демпфирующей способности в области малых амплитуд упругих колебаний, ограниченной величинами знакопеременной упругой деформации между 0,85×10 и 1,15×10.
-4
-4
В случае если сталь находится в более жестких условиях эксплуатации, при которых в материале возбуждаются колебания с повышенными амплитудами, весьма распространенной областью внешнего знакопеременного нагружения металла является диапазон амплитуд знакопеременных колебаний, ограниченной величинами упругой деформации материала между 2,35×10 и 2,65×10.
Известен сплав высокого демпфирования с регламентированным уровнем демпфирующих и механических свойств, содержащий углерод, алюминий, марганец, титан, медь и ниобий при следующем соотношении компонентов, масс. %: углерод 0,010-0,035; алюминий 4,0-8,0; марганец 0,25-0,95; титан 0,01-0,55; ниобий 0,01-0,15; медь 0,01-0,20; железо остальное, в котором суммарное содержание углерода и меди определено зависимостью (5С+1,5Cu)=0,06-0,45%; а содержание алюминия, марганца, титана и меди связано соотношением: [Al-(Mn+Ti+Cu)] = 3,5-6,5% [Патент RU 2158318, МПК С22С 38/16, опубликован 27.10.2000].
-4
-4
Недостатком данного сплава является то обстоятельство, что удельная демпфирующая способность этого материала в области повышенных амплитуд колебаний, а именно в диапазоне амплитуд упругой деформации от 2,35×10 до 2,65×10, не достигает высокого уровня, что ограничивает использование данного сплава для решения практических задач гашения вибраций в случае, если вибрационная нагрузка сосредоточена в области повышенных амплитуд деформации.
Известна сталь, содержащая хром, ванадий, марганец, азот, медь, серу, фосфор при следующем соотношении компонентов, масс. %: хром 2,2-21,0; ванадий 0,3-8,3; марганец 0,01-0,85; углерод 0,001-0,08; азот 0,0002-0,06; кремний 0,001-0,7; алюминий 0,001-5,2; молибден 0,001-8,1; никель 0,01-3,5; ниобий 0,001-1,5;; медь 0,003-0,45; сера 0,001-0,04; фосфор 0,001-0,04; железо остальное [Патент RU 2009262, МПК С22С 38/48, опубликован 15.03.1994].
-4
-4
К недостаткам данной стали можно отнести невысокую удельную демпфирующую способность, особенно в области малых амплитуд колебаний, в частности в диапазоне амплитуд упругой деформации от 0,85×10 до 1,15×10, а также повышенную себестоимость производства этой стали, что связано с повышенным содержанием в ней карбидо- и нитридообразующих элементов, которые необходимы для эффективного повышения поверхностной твердости стали при нитроцементации. Для большинства сталей общего назначения, которые не подвергают нитроцементации при подготовке к работе, повышенное содержание карбидо- и нитридообразующих элементов в стали не требуется. Заявляемая высокодемпфирующая сталь относится к сталям общепромышленного назначения и применение нитроцементации при ее обработке не предусматривается.
Наиболее близкой к изобретению по технической сущности и достигаемому техническому результату является демпфирующая сталь, содержащая (масс. %):
углерод
0,001-0,08;
кремний
0,01-0,5;
марганец
0,01-0,6;
алюминий
3,5-7,0;
хром
0,001-0,3;
никель
0,001-0,3;
медь
0,001-0,3;
ванадий
0,0001-0,3;
ниобий
0,0001-0,3;
молибден
0,001-0,5;
сера не более
0,02;
фосфор не более
0,02;
азот не более
0,015;
титан
0,001-0,3;
кобальт
0,0001-0,010;
железо и неизбежные примеси
- остальное.
В частных случаях сталь может дополнительно содержать (масс. %):
цирконий
0,0001-0,005;
вольфрам
0,0001-0,010;
бор
0,0001-0,010;
кальций
0,0001-0,010;
магний
0,0001-0,010;
редкоземельные элементы в количестве
0,0001-0,005;
В качестве неизбежных примесей сталь может содержать (масс. %):
мышьяк не более
0,015;
олово не более
0,015;
свинец не более
0,015;
цинк не более
0,015;
сурьма не более
0,015;
Демпфирующая сталь отличается тем, что содержание титана, молибдена и углерода в этом материале связано зависимостью: (0,2×Ti+0,1×Mo-1×С)>0,
где: Ti, Mo, С - соответствующее содержание титана, молибдена и углерода в стали, масс. %; 0,2; 0,1; 1 - безразмерные эмпирические коэффициенты, а содержание алюминия, марганца, титана и молибдена в стали связано зависимостью:
[Al-(Mn+Ti+Mo)] = 3,4-6,5%,
где: Al, Mn, Ti, Mo - соответствующее содержание алюминия, марганца, титана и молибдена в стали (масс. %).
-4
-4
-4
-4
Демпфирующая сталь также отличается тем, что средняя величина удельной демпфирующей способности этого материала, измеренная в диапазоне амплитуд упругой деформации от 0,85×10 до 1,15×10, составляет от 20 до 50%, а средняя величина удельной демпфирующей способности, измеренная в диапазоне амплитуд упругой деформации от 1,8×10 до 2,2×10 составляет от 15 до 35%. Изделие выполнено из стали любого вышеуказанного состава [Патент РФ RU 2623947 МПК С22С 38/52, опубликован 29.06.2017].
-4
-4
К недостаткам этой стали следует отнести то обстоятельство, что величина удельной демпфирующей способности в области повышенных амплитуд колебаний, а именно в диапазоне амплитуд упругой деформации от 2,35×10 до 2,65×10, не достигает высоких значений.
-4
-4
-4
-4
Техническим результатом изобретения является повышение демпфирующей способности стали и изделий, выполненных из нее, в области повышенных амплитуд колебаний (т.е. в диапазоне амплитуд упругой деформации от 2,3 5×10 до 2,65×10) при сохранении высокого уровня демпфирования в области малых амплитуд колебаний (т.е. в диапазоне амплитуд упругой деформации от 0,85×10 до 1,15×10).
Указанный технический результат достигается тем, что высокодемпфирующая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, алюминий, титан, кобальт, хром, никель, медь, молибден, серу, фосфор, азот, железо и неизбежные примеси, согласно изобретению, обладает следующим соотношением компонентов (масс. %):
углерод
0,001-0,05
кремний
0,01-0,5
марганец
0,01-0,6
алюминий
3,0-7,5
титан
0,001-0,3
кобальт
0,013-0,05
хром
0,001-0,5
никель
0,001-0,3
медь
0,001-0,3
молибден
0,001-0,5
сера не более
0,02
фосфор не более
0,02
азот не более
0,015
железо и неизбежные примеси остальное, при этом суммарное содержание титана, молибдена, кобальта и углерода определено зависимостью:
а содержание марганца, никеля и кобальта в стали связано зависимостью:
где: С, Mn, Ti, Ni, Mo, Со - соответствующее содержание углерода, марганца, титана, никеля, молибдена и кобальта в стали (масс. %); а 0,2; 0,1; 0,3; 0,01; 0,02; 1,0 - безразмерные эмпирические коэффициенты. Сталь также может содержать ванадий и/или ниобий в количестве 0,002-0,3 масс. % каждого.
-4
-4
-4
-4
Средняя величина удельной демпфирующей способности стали, измеренная в диапазоне амплитуд упругой деформации от 0,85×10 до 1,15×10 составляет от 20 до 50%, а средняя величина удельной демпфирующей способности, измеренная в диапазоне амплитуд упругой деформации от 2,35×10 до 2,65×10 составляет от 11 до 30%.
Технический результат достигается также тем, что изделие изготавливают из высокодемпфирующей стали указанных составов.
-4
-4
Технический результат достигается за счет того, что введение в сталь кобальта в количестве от 0,013 до 0,050 масс. % улучшает магнитострикционные характеристики материала, что приводит к повышению чувствительности стали к наложению внешней нагрузки и следовательно, к росту ее удельной демпфирующей способности в области повышенных амплитуд колебаний (т.е. в диапазоне амплитуд упругой деформации от 2,35×10 до 2,65×10) до уровня 11-32%. При этом положительный эффект достигается при одновременном соблюдении условий зависимостей (1) и (2).
-4
-4
Увеличение концентрации алюминия выше 7,5% в высокодемпфирующей стали, содержащей микролегирующие добавки кобальта, приводит к возникновению трудностей при термической обработке стали на высокое демпфирование (что связано с необходимостью четкого соблюдения условий охлаждения при термообработке), а также к резкому снижению технологической пластичности стали, к росту хрупкости и снижению величины ударной вязкости, что налагает ограничения на возможности применения стали на практике. Снижение содержания алюминия в материале ниже 3,0% приводит к снижению механических свойств стали и к уменьшению ее демпфирующих свойств, особенно в области повышенных амплитуд колебаний, т.е. в диапазоне амплитуд упругой деформации от 2,35×10 до 2,65×10.
-4
-4
Повышение концентрации кобальта в высокодемпфирующей стали в количестве более 0,013% благоприятно сказывается на ее свойствах, приводит к увеличению магнитострикционных характеристик стали и улучшает ее демпфирующие свойства в области повышенных амплитуд колебаний. Увеличение концентрации кобальта в количестве более 0,050% приводит к снижению пластических характеристик стали. Уменьшение содержания кобальта в стали ниже 0,013% не позволяет добиться улучшения магнитострикционных характеристик и демпфирующих свойств стали в области повышенных амплитуд колебаний, т.е. в диапазоне амплитуд упругой деформации от 2,35×10 до 2,65×10.
Повышение концентрации углерода выше 0,05% в высокодемпфирующей стали, содержащей микролегирующие добавки кобальта, приводит к снижению демпфирующих свойств в области повышенных амплитуд колебаний и к повышению хрупкости стали (особенно при пониженных температурах) за счет образования сложных карбидных фаз. Снижение содержания углерода в стали ниже 0,001% является нецелесообразным с экономической точки зрения, так как для достижения низкой концентрации углерода потребуется применять специальные технологические приемы, которые являются дорогостоящими.
Увеличение концентрации марганца в заявляемой стали выше 0,6% приводит к снижению пластичности материала. Снижение содержания марганца в стали ниже 0,01% ухудшает демпфирующие свойства стали в области повышенных амплитуд колебаний, а также ухудшает технологические свойства стали в литом состоянии.
Введение титана при условии присутствия в стали кобальта приводит к улучшению демпфирующих свойств стали как в области малых, так и в области повышенных амплитуд колебаний. Увеличение содержания титана в стали в количестве более 0,3% негативно влияет на демпфирующие и на пластические характеристики стали. Уменьшение содержания титана в стали ниже 0,001% приводит к росту себестоимости производства стали вследствие необходимости применять специальные дорогостоящие технологические приемы.
Рост концентрации кремния выше 0,5% в высокодемпфирующей стали, содержащей микролегирующие добавки кобальта, приводит к повышению ее хрупкости, что связано с нецелесообразностью одновременного введения алюминия и кремния в повышенных количествах. Снижение содержания кремния в стали ниже 0,01% является нецелесообразным с экономической точки зрения, так как вследствие высокой активности расплава стали с высоким содержанием алюминия для достижения низкой концентрации кремния потребуется использовать дорогостоящую футеровку с пониженным содержанием кремния. Кроме этого, очень низкое содержание кремния негативно отражается на демпфирующих свойствах стали в области повышенных амплитуд колебаний.
Увеличение концентрации хрома выше 0,5% в высокодемпфирующей стали, содержащей микролегирующие добавки кобальта, приводит к снижению пластических характеристик материала. Уменьшение содержания хрома в стали ниже 0,001% является нецелесообразным с экономической точки зрения вследствие необходимости использования высокочистых шихтовых материалов и специальных технологических приемов.
Увеличение содержания никеля в количестве более 0,3% в высокодемпфирующей стали, содержащей микролегирующие добавки кобальта, приводит к снижению демпфирующих свойств стали, что особенно сильно проявляется в области повышенных амплитуд колебаний. Уменьшение концентрации никеля в стали ниже 0,001% приводит к росту себестоимости производства стали вследствие необходимости применять специальные дорогостоящие технологические приемы.
Увеличение содержания меди выше 0,3% в заявляемой стали приводит к снижению демпфирующих свойств материала как в области малых, так и в области повышенных амплитуд колебаний, а также к росту хрупкости стали. Уменьшение концентрации меди в высокодемпфирующей стали ниже 0,001% приводит к росту себестоимости производства данного материала вследствие необходимости применять специальные дорогостоящие технологические приемы.
Введение молибдена приводит к улучшению демпфирующих свойств стали как в области малых, так и в области повышенных амплитуд колебаний. Увеличение содержания молибдена выше 0,5% в высокодемпфирующей стали, содержащей микролегирующие добавки кобальта, приводит к ухудшению ее пластических характеристик. Уменьшение концентрации молибдена ниже 0,001% приводит к росту себестоимости производства стали вследствие необходимости применять специальные дорогостоящие технологические приемы.
Увеличение содержания фосфора или серы выше 0,02% в высокодемпфирующей стали, содержащей микролегирующие добавки кобальта, приводит к ухудшению демпфирующих свойств как в области малых, так и в области повышенных амплитуд колебаний и отрицательно сказывается на пластических характеристиках стали.
Увеличение содержания азота в стали в количестве более 0,015% приводит к ухудшению демпфирующих характеристик и в области малых, и в области повышенных амплитуд колебаний, а также приводит к повышению хрупкости стали.
Титан, молибден, кобальт и углерод влияют на демпфирующие характеристики стали принципиально различным способом. Выполнение условий зависимости:
-4
-4
[0,2×Ti+0,1×Мо+0,3×Со-1,0×С]>0 приводит к повышению удельной демпфирующей способности стали (особенно в области амплитуд упругой деформации от 2,35×10 до 2,65×10), а в случае, если значение указанной зависимости становится отрицательным или равным нулю, демпфирующие свойства стали ухудшаются.
Марганец, никель и кобальт влияют на магнитострикционные характеристики высокодемпфирующей стали различным образом. Выполнение условий зависимости:
[1,0×Со-0,02×Mn-0,01×Ni]>0 приводит к повышению магнитострикционных характеристик материала, что вызывает рост удельной демпфирующей способности стали (особенно в области повышенных амплитуд колебаний), а в случае, если значение указанной зависимости становится отрицательным или равным нулю, магнитострикционные и демпфирующие свойства стали ухудшаются. В вышеуказанных зависимостях С, Mn, Ti, Ni, Mo, Со отражает соответствующее содержание углерода, марганца, титана, никеля, молибдена и кобальта в стали (в масс. %); а 0,2; 0,1; 0,3; 0,01; 0,02; 1,0 являются безразмерными эмпирическими коэффициентами.
Изобретение поясняется результатами проведенных экспериментов.
После выплавки стали подвергались горячей прокатке, температура нагрева под прокатку варьировалась от Т=1150°С до Т=1250°С. Образцы для исследования различных свойств материала отбирались механическим способом от горячекатаного плоского проката, после чего они подвергались термической обработке в вакуумной печи или в печи с защитной атмосферой. Исследование образцов производилось в термообработанном состоянии.
-4
-4
Демпфирующая способность образцов исследовалась на установке, собранной по схеме обратного изгибного маятника. Измерения проводились в диапазоне амплитуд упругой деформации от 0,4×10 до 5,0×10 при комнатной температуре. Механические свойства сталей исследовались с помощью испытательных машин Instron и ZD 10/90, испытания проводились при комнатной температуре. Ударная вязкость образцов исследовалась в соответствии с ГОСТ 9454-78.
Химические составы сталей с различным содержанием легирующих элементов и примесей приведены в Таблице 1. Характеристики сталей приведены в Таблице 2. Примеры №1-11 отражают свойства высокодемпфирующих сталей с соблюдением предложенных параметров. В Примерах №12-16 предложенные параметры не соблюдаются.
0,85-1,15
2,35-2,65
-4
-4
-4
-4
-4
-4
-4
-4
В Таблице 2 величина SDC представляет собой среднее значение удельной демпфирующей способности материала, измеренное в диапазоне амплитуд упругой деформации от 0,85×10 до 1,15×10, а величина SDC представляет собой среднее значение удельной демпфирующей способности материала, измеренное в диапазоне амплитуд упругой деформации от 2,35×10 до 2,65×10. Как следует из Таблицы 1 и Таблицы 2 в случае, если заявленные параметры соблюдаются, то стали обладают повышенной величиной демпфирующей способности в диапазонах амплитуд упругой деформации от 0,85×10 до 1,15×10 и от 2,35×10 до 2,65×10.
Из стали №11 были изготовлены изделия - кронштейн подвески виброактивного оборудования и направляющая для режущего инструмента.
-4
-4
-4
-4
Реализация изобретения позволяет получить высокодемпфирующую сталь, в которой средняя величина удельной демпфирующей способности, измеренная в диапазоне амплитуд упругой деформации от 0,85×10 до 1,15×10 составляет от 20 до 50%, а средняя величина удельной демпфирующей способности, измеренная в диапазоне амплитуд упругой деформации от 2,35×10 до 2,65×10 составляет от 11 до 30%. Применение заявляемой стали в промышленности позволит снизить уровень шума и вибрации изделий, выполненных из этой стали.