Мартенситностареющая сталь

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

691 (111

А (594 С 22 С 38 16

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ .КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

И. ABTOPCHOMV СНИДЕТЕЛЪСТВУ (21) 3821951/22-02 (22) 12.12.84 (46) 15.01.86. Бюл, М 2 (71) Уральский ордена Трудового

Красного Знамени политехнический институт им. С. M. Кирова (72) Н. В. Звигинцев, В. А. Осминкин, П. И. Сопин, Г. П. Костенков, Б. М. Могутнов, Н. Г. 11!апошников, С, К. Филатов и А. Б. Покровский (53) 669.14.018.256-194(088.8) (56) Сталь 55СМ5 ФА. ТУ 14-1-1338-75

Авторское свидетельство СССР

Р 1109462, кл. С 22 С 38/14, 1983. (54)(57) МАРТЕНСИТНЭСТАРЕКМЦАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, никель, молибден, титан, алюминий, неодим, церий, кальций, иттрий, железо, о т л и— ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения механических свойств в состаренном состоянии и в водном растворе сероводорода, она дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.X:

Углерод 0,003-0,050

Никель 17-19

Молибден 2-3

Титан 1,4-1,6

Алюминий 0,6-0,8

Неодим 0 005.— 0,010

Церий 0,001-0,008

Кальций 0,05-0,07

Иттрий О, 005-0, 01 5

Медь 0,5-1,5

Железо Остальное при выполнении следующих соотношений, мас.Ж: сумма никеля и меди меньше или равна 20,5; сумма титана и алюминия равна 2,1-2,3.

1204645

Изобретение относится к металлургии стали, в частности к изысканию высокопрочных сталей, предназначенных для изготовления тел качения шарошечных долот, работоспособность . которых, особенно при турбинном бурении, ограничена из-за весьма тяжелых условий работы долота на забое (высокие ударнь|е нагрузки, повышенная температура — свыше

200 С, большое гидростатическое давление — до 100 атм, наличие в промывочной жидкости твердых фаз разбуренной породы, агрессивных газов, химических реагентов и т.д.)

Цель изобретения — повышение механических свойств в состаренном состоянии и водном растворе сероводорода.

Введение в сталь меди увеличивает эффект дисперсионного твердения и стойкость против наводороживания.

Растворимость меди в ц, -твердом растворе составляет десятые доли процента при комнатной температуре и повышается до 1-3% при температуре около 850 С. Полученный после закалки пересьпценный твердый раствор упрочняется при температурах старения 425-470 С за счет образования обогащенных медью кластеров, когерентно связанных с матрицей.

Наряду с увеличением коэффициента дисперсионного твердения легирование медью уменьшает растворимость водорода в М -твердом растворе., а выделяющиеся при старении кластеры играют роль барьеров для проникновения водорода в металл, что способствует улучшению стойкости стали против наводороживания.

Повышение содержания меди больше 1,5% может привести к красноломкости, что затрудняет горячую обработку стали.

Увеличение содержания меди в стали более 1,5% нецелесообразно еще и потому, что иэ-за ухудшения механических характеристик, обусловленных интенсивным дисперсионным твердением выделяющейся при старении медистой фазой, ее склонность к охрупчиванию в сероводородной среде возрастает.

Введение в сталь меди менее

0,5% малоэффективно.

Введение меди в сталь сообшает ей, кроме повьппения прочностных характеристик и их стабилизации, 5

10 !

45 дополнительные свойства — уменьшает степень насьпцения стали водородом и, соответственно, водородное растрескивание в среде, насьпценной сероводородом.

Слитки стали после кристаллизао ции гомогенизируют при 1150 С 6 ч, подвергают механической обдирке, куют на заготовки и закаливают от

830 С в воду. Готовые образцы, шао рики и ролики подвергают старению при 450-470 С, 8-10 ч °

В табл. 1 приведен химический состав трех плавок предлагаемой стали (1-3), сплавов запредельных составов (4-5) и известной — состав. 6.

В табл. 2,3 и 4 представлены в сравнении механические свойства плавок в закаленном и состаренном по оптимальным режимам состоянии.

В табл. 4 представлены механические свойства сталей после упрочняюшей обработки и выдержки 30 мин в водном растворе сероводорода.

Механические испытания (табл. 4) проводят на машине HM-12A с диаграм- мной записью. Разрывные образцы изготовлены по ГОСТ 1497-61 (пятикратные) . Ударная вязкость определяется на маятниковом копре типа

MK-30 при 20 С образцы имеют стандартные размеры по ГОСТ 9454-60.

Твердость измеряют на приборе

Роквелла (шкала RC). Величина по- . грешности при определении механических характеристик составляет не более 3%.

В

Как видно из таблиц, предлагаемая сталь превосходит известную сталь по характеристикам прочности, пластичности, ударной вязкости при испытаниях в вОдном растворе сероводорода.

Применение стали в качестве высокопрочного материала в условиях бурения нефтяных и газовых скважин обеспечивает сочетание высоких прочностных и пластических свойств, уменьшение разброса механических характеристик от :плавки к плавке и от образца к образцу — повьппение надежнос:. ч и служебных характеристик.

Натурные испытания показывают., что ресурс работы долота при изготовлении тел качения из предлагаемой стали увеличивается приблизительно на 15-18%.

Полученный комплекс своиств поэыоляет применить предлагаемую сталь

1204645 4 для изготовления тел качения шарошеч- 55СМ5ФА из-эа сильной склонности к ных долот, эксплуатируемых при повы- наводороживанию, в результате чего шенных температурах (200-400 С), резко снйжаются прочностные и пласдавлениях (до 1000 ат), активных сре- тические свойства, не удовлетворяет дах е быстрорастущим требованиям к буровоПрименяемая в настоящее время му инструменту газовой и неФтяной для изготовления тел качения сталь промышленности.

1 Та блица 1

Сталь Пл

Предлагаемая

2 0,025

3 0,05

1 0 18 1 2 55 1 56

l,5 19,0 3,0 1,6

0,3 16,0 1,8 1,2

2,0 19,4 3,3 1,8

4 0,025

5 0,06

17-20 2-3 1,41,7

6 0,003-—

0,05

Известная

0,25 — 0,40,6

7 0,53- 0,3- 0,80,6 0,6 1,1

Сталь

55СМ5ФА

Продолжение табл.1

Содержание элементов,мас.

Сталь

0,6 — 0,001 0,005 0,005 0,05—

Предлагаемая

0,7 — 0,004 0,007 0,007 0,06— ю

0,8 — . 0,008 0,01 0,015 0,07—

Предлагаемая запредельные соста0,5 — 0 001 0,004 0,02 0;04—

0,85 — 0,009 0,015 0,15 0,08— вы

0,001- 0,005-0,005-0,05-—

0,008 0,01 0,01 0,07

0,60,8

Известная

0,015 0,025

0,15-—

0,25

Сталь

55СМ5ФА в

Предлагаемая (запредельные составы) as- Содержание элементов, мас.7

С Mn Si Cu Ni Mo Ti

1 0,003 — — 0 5 17,0 2,0 1,4

Al V Cl Nd 7, Ca Б Р

1204645

Таблица 2

Сталь

Механические свойства

KCU HRC бо,, МПа

Предлагаемый

Ковочные трещины

Извест62-67

1270-1330 1!70-1230

1,0-1,3 25-28,5 ная

П р и м е ч а н и е. Механические свойства сталей определялись в зака- ленном состоянии от 830 С 6 ч. о

Таблица 3

Механические свойства

ПлавСталь ка

O МПа p X

KCU

0,65-0,7 55-56

0,6-0,65 56-57

1950-1970 49-54

2250-2280

ПредлагаЖый

2270-2290 1970-1990 48-52

0,55-0,6

56-57

53-54

2280-2300 1980-2050 47-52

2050-2180 1750-1900 47- 49

0 5-0,6

Ковочные трещины

2050-2250 1750-1950 45-53 0,45-0,65 53-55

0,3-0,35 55-58

Известная 6

7 2150-2300 1900-2000 20-25

55СМ5ФА

П р и м е ч а н и е. Механические свойства сталей определены в состаренном состоянии при 480 С. 6 ч. о

Термообработка стали: закалка 880-900 С в маслоото

i пуск 200-250 С, 2,5-3 ч охлаждение на воздухе.

Предлага емая (запредельные составы) Предлагаемая (запредельные составы) 1290-1340 1190-1240

1300-1350 1200-1250

1290-1340 1190-1230

1280-!320 1,170-1210

65-67

65-66

64-66

64-65

1,3-1,4 26-27

1,1-1,3 26,5-28

1 1-1,3 27-29

1,0-1,1 25-26

1204645,Таблица 4

Сталь

Плавка

Механические свойства

HRC

08 ° МПа

6, МПа (y X KCU

0,65-0,7 55-56

0,6-0,65 56-56

Предлагаемая

0,5-0,55 56-57

0,40-0,55 52-54

2000-2150 1700,1850 45-46

Ковочные трещины

0,4-0,6

2000-2200 1700-1900 40-50

Известная 6

55СМФА 7

700-900 0

Составитель Л. Суязова

Редактор Л. Авраменко Техред А.Ач Корректор С. Шекмар

Заказ 8493/26 Тираж 582 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Предлагаемая (запредельwe составы) 2200-2230 1900-1920 47-52

2220-2240 1920-1940 48-50

2230-2250 1930-2000 42-46

53-55

55- 58