Аустенитная сталь
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для изготовления деталей и наплавки на поверхность деталей, работающих в тяжелых условиях контактного нагружения. Аустенитная сталь содержит углерод, кремний, марганец, хром, азот, молибден, ванадий, титан, медь, никель, вольфрам, бор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,42-1,70, кремний 0,45-4,51, марганец 7,8-20,2, хром 12,5-20,9, азот 0,17-0,51, молибден 0,05-0,22, ванадий 0,03-0,12, вольфрам 0,05-0,10, титан 0,01-0,15, медь 0,20-0,55, никель 0,23-1,20, бор 0,0010-0,0250, железо - остальное. Повышается абразивная стойкость при сохранении значительного сопротивления адгезионному изнашиванию и относительно низкого коэффициента трения скольжения. 3 табл.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в машиностроении и приборостроении для изготовления и наплавки поверхности деталей (подшипники скольжения, втулки, направляющие и др.), работающих в тяжелых условиях контактного нагружения (высокие нагрузки, интенсивный нагрев, плохие условия смазки, присутствие абразивных частиц, наличие коррозионной среды).
В настоящее время известны следующие аналоги заявляемой стали.
Аустенитная нержавеющая сталь, стойкая против заедания, содержащая (мас.%):
| углерод | 0,03-0,10 |
| хром | 14-16 |
| никель | 14-17 |
| марганец | 0,5-3,0 |
| кремний | 0,4-5,5 |
| азот | ≤0,30 |
| фосфор | ≤0,05 |
| сера | ≤0,05 |
| железо | остальное |
Патент США №4146412, кл. 148/38 (С22С 38/02, С22С 38/58), заявл. 30.05.1978, №910484, опубл. 27.03.1979.
Данная аустенитная нержавеющая сталь содержит малое количество элементов внедрения - углерода (0,03-0,10 мас.%) и азота (≤0,30 мас.%) и вследствие этого обладает низким сопротивлением абразивному изнашиванию. Абразивное изнашивание является очень распространенным и интенсивным видом изнашивания, который существенно ограничивает срок службы многих деталей и узлов машин. Известно, что уровень абразивной износостойкости сталей различных классов, в том числе аустенитных, сильно зависит от содержания в них элементов внедрения - углерода и азота, которые определяют исходную прочность сталей и сплавов, а также их способность к деформационному упрочнению в процессе изнашивания. Низкая концентрация углерода в твердом растворе (аустените) и малое количество высокопрочных специальных карбидов в структуре анализируемой аустенитной стали являются причинами невысокой прочности поверхности и соответственно интенсивного изнашивания данной стали в условиях абразивного воздействия.
Известна также высокомарганцевая аустенитная хромистая нержавеющая сталь, содержащая (мас.%):
| углерод | ≤0,12 |
| кремний | 0,1-1,0 |
| марганец | 8,0-14,0 |
| хром | 12.0-17.0 |
| азот | 0,01-0,30 |
| молибден | 0,10-0,30 |
| никель | 0,50-3,50 |
| железо | остальное |
Патент Японии №53-31811, кл. 10 J-172 (МКИ С22С 38/58), опубл. 0.5.09.1978. Авторы Созяма Нобуо, Оака Каюки, Аракава Мотохико, Ямагути Иосинори, Исида Саки.
Сталь легирована малым количеством элементов внедрения ≤0,12 мас.% углерода и 0,01-0,30 мас.% азота, вследствие чего ее абразивная износостойкость низка. Это ограничивает область применения рассматриваемой стали в качестве износостойкого конструкционного материала относительно небольшим кругом деталей, при эксплуатации которых исключено попадание в зону трения твердых абразивных частиц.
Известна также аустенитная нержавеющая сталь с высокой задиростойкостью, содержащая (мас.%):
| углерод | ≤0,15 |
| кремний | 2,5-5,5 |
| марганец | 6-12 |
| никель | 5-15 |
| хром | 13-25 |
| бор | (1-100)·10-4 |
| и (или) кальций | (1-100)·10-4 |
более одного элемента из ряда:
| титан | <2,0 |
| ниобий | <2,0 |
| кобальт | <4,0 |
| вольфрам | <1,5 |
| железо | остальное |
Патент Японии №54-150316, кл. 10 J-172 (C22C 38/58), заявл. 18.05.1978, №55-59573, опубл. 25.11.1979.
Сталь содержит малое количество углерода и в ней, кроме того, отсутствует азот. Хотя сталь легирована бором, оказывающим положительное влияние на сопротивление сталей абразивному изнашиванию, однако содержание бора в стали невелико (1-100)·10-4 и, вследствие этого, не может в полной мере компенсировать недостаток в степени легированности стали углеродом и азотом, которые оказывают определяющее влияние на абразивную износостойкость стальных поверхностей. По этой причине абразивная износостойкость рассматриваемой стали невелика. При трении и изнашивании в анализируемой аустенитной стали из-за отсутствия в ней азота не получает заметного развития механизм планарного скольжения дислокации. Планарное скольжение дислокации в аустените, как показано исследованиями авторов предлагаемой заявки, приводит к существенному снижению коэффициента трения нержавеющих аустенитных сталей. Отсутствие в рассматриваемой стали активного планарного скольжения дислокации является причиной ее повышенных коэффициента трения и интенсивности адгезионного изнашивания в условиях трения скольжения.
Наиболее близкой по составу к заявляемой стали является выбранная в качестве прототипа аустенитная сталь (мас.%):
| углерод | 0,05-0,15 |
| кремний | 3,0-5,0 |
| марганец | 17-23 |
| хром | 14-18 |
| азот | 0,18-0,30 |
| молибден | 0.05-0,20 |
| ванадий | 0,03-0,10 |
| титан | 0,01-0,10 |
| медь | 0,25-0,50 |
| никель | 0.25-3,00 |
| железо | остальное |
Патент Российской Федерации №2207397 С2 (МКИ С22С 38/58), опубл. 27.06.2003 - Бюллетень №18.
Сталь-прототип легирована небольшим количеством углерода (0,05-0,15 мас.%) и азота (0,18-0,30 мас.%), роль которых в формировании у сталей высокого уровня абразивной износостойкости чрезвычайно велика. В силу этого, основным недостатком прототипа, как и приведенных выше аналогов, является его низкое сопротивление абразивному изнашиванию. В реальных условиях эксплуатации машин, механизмов, приборов, когда имеет место проникание твердых абразивных частиц из окружающей среды в зону контакта трущихся стальных деталей, происходит их ускоренное абразивное изнашивание, приводящее в конечном итоге к сокращению ресурса работы узла и всего изделия. По этой причине к конструкционным материалам, предназначенным для деталей и узлов трения скольжения, предъявляется также требование повышенной абразивной износостойкости. Разработка аустенитных сталей, обладающих одновременно высоким сопротивлением адгезионному и абразивному видам изнашивания, а также пониженным коэффициентом трения, является, таким образом, актуальной и сложной материаловедческой проблемой.
В основу изобретения была положена задача получения аустенитной стали, обладающей повышенной абразивной износостойкостью при сохранении значительного сопротивления адгезионному изнашиванию и относительно низкого коэффициента трения в условиях скольжения пар сталь-сталь.
Поставленная задача решается благодаря тому, что известная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, азот молибден, ванадий, титан, медь, никель и железо, дополнительно содержит вольфрам и бор при следующих соотношениях компонентов (мас.%):
| углерод | 0,42-1,70 |
| кремний | 0,45-4,51 |
| марганец | 7,8-20,2 |
| хром | 12,5-20,9 |
| азот | 0,17-0,51 |
| молибден | 0,05-0,22 |
| ванадий | 0,03-0,12 |
| вольфрам | 0,05-0,10 |
| титан | 0,01-0,15 |
| медь | 0,20-0,55 |
| никель | 0,23-1,20 |
| бор | 0,001-0,025 |
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемая сталь отличается дополнительным содержанием вольфрама и бора при определенном соотношении компонентов. Это подтверждает соответствие критерию изобретения «новизна».
С целью доказательства соответствия предлагаемого изобретения критерию «изобретательский уровень» рассмотрим отличительные признаки объекта и других известных технических решений данного раздела техники.
В результате исследований, проведенных авторами предлагаемого изобретения, было впервые установлено, что наличие активного планарного скольжения дислокации в азотсодержащих хромомарганцевых нержавеющих аустенитных сталях приводит к существенному снижению их коэффициента трения и интенсивности адгезионного изнашивания в условиях сухого трения скольжения пар металл-металл. Последующие исследования этих же авторов показали, что активное планарное скольжение дислокации, обусловливающее снижение сопротивления поверхностного слоя пластической деформации в направлении трения, оказывает отрицательное влияние на абразивную износостойкость азотсодержащих низкоуглеродистых хромомарганцевых аустенитных сталей. Известно, что абразивная износостойкость аустенитных сталей может быть существенно повышена за счет увеличения содержания в них таких элементов, как углерод, азот, бор. Однако рост содержания углерода в аустените, приводящий к увеличению энергии дефектов упаковки, препятствует активному развитию в азотсодержащих нержавеющих аустенитных сталях планарного скольжения дислокации. Это должно способствовать увеличению коэффициента трения рассматриваемых сталей. Введение азота в количестве более 0,5 мас.% часто характеризуется ростом коэффициента трения азотсодержащих хромомарганцевых нержавеющих аустенитных сталей. Литературных данных, касающихся влияния бора на развитие в аустенитных сталях планарного скольжения дислокации, нами не было обнаружено.
Суть изобретения заключается в том, что предлагаемый состав азотсодержащей нержавеющей хромомарганцевой аустенитной стали оптимизируется таким образом, чтобы при сохранении в аустените активного планарного скольжения дислокации, обеспечивающего стали низкий коэффициент трения и малую интенсивность адгезионного изнашивания, существенно повысить сопротивления стали абразивному изнашиванию. Увеличение абразивной износостойкости азотсодержащей хромомарганцевой аустенитной стали достигается за счет повышения содержания в ней углерода и азота, а также введения бора и вольфрама. В закаленной от 1100°С стали углерод присутствует преимущественно в виде специальных карбидов титана, ванадия, вольфрама, молибдена и хрома. Часть углерода (≤0,3%) находится в γ-твердом растворе. Наличие в структуре стали высокопрочных специальных карбидов, а также твердорастворное упрочнение аустенита атомами углерода, азота и бора существенно повышают сопротивление аустенитной стали абразивному изнашиванию. Присутствие в γ-твердом растворе атомов азота, хрома и марганца способствуют развитию в стали при пластической деформации планарного скольжения дислокации.
Все вышеизложенное обеспечивает соответствие заявляемого объекта критерию «изобретательский уровень».
Для получения заявляемой стали слитки массой 2-50 кг выплавляли в электропечи на воздухе. Содержание серы и фосфора во всех сплавах не превышало 0,03% (мас.). Химический состав сплавов приведен в таблице 1.
| Таблица 1 | ||||||||||||
| Химический состав сплавов | ||||||||||||
| Сплав № | Содержание элементов, мас.% | |||||||||||
| С | Si | Mn | Cr | N | Mo | V | Ti | W | Cu | Ni | В | |
| 1 | 0,09 | 4,2 | 21,5 | 15,5 | 0,25 | 0,15 | 0,08 | 0,06 | - | 0,36 | 1,9 | - |
| 2 | 0,35 | 0,32 | 7,36 | 12,0 | 0,11 | 0,04 | 0,01 | 0,01 | 0,02 | 0,15 | 0,15 | 0,0005 |
| 3 | 0,42 | 0,45 | 7,8 | 12,6 | 0,17 | 0,05 | 0,03 | 0,01 | 0,05 | 0,2 | 0,23 | 0,0010 |
| 4 | 0,91 | 3,2 | 16,1 | 16,3 | 0,27 | 0,10 | 0,07 | 0,08 | 0,07 | 0,40 | 0,60 | 0,0100 |
| 5 | 1,70 | 4,51 | 20,2 | 20,9 | 0,51 | 0,22 | 0,12 | 0,15 | 0,10 | 0,55 | 1,20 | 0,0250 |
| 6 | 1,78 | 5,50 | 24,0 | 22,3 | 0,55 | 0,30 | 0,15 | 0,22 | 0,15 | 0,60 | 2,00 | 0,0300 |
Сплав №1 соответствует прототипу, сплавы №№3, 4, 5 соответствуют заявляемой стали, сплавы №№2, 6 соответствуют сталям, химический состав которых выходит за пределы легирования заявляемой стали. Слитки отжигали при 1200°С в течение 12 часов и ковали в прутки сечением 10×10 мм. Прутки закаливали от 1100°С в воде. После указанной термообработки структура сплавов №№2-6 была аустенитно-карбидной, а сплава №1 (прототип) - аустенитной. В микроструктуре аустенитной матрицы сплавов присутствовали плоские скопления дислокации - мультиполи, свидетельствующие о склонности сталей к планарному скольжению. Из прутков сталей изготавливали образцы размером 7×7×20 мм для испытаний на трение и изнашивание. Испытание сталей на абразивное изнашивание осуществляли в условиях скольжения (возвратно-поступательное движение) рабочей (торцовой) части образцов по поверхности закрепленного абразива - шкурки марки 14А16НМ (электрокорунд зернистостью 160 мкм). Средняя скорость скольжения образца составляла 0,175 м/с, нормальная нагрузка 49 Н, длина рабочего хода образца 100 мм, величина поперечного смещения шкурки за один двойной ход образца 1,2 мм, путь трения - 17,6 м. Относительную абразивную износостойкость материала определяли как отношение потери массы образца армко-железа (эталон) к потере массы образца испытываемого материала. Потери массы образцов измеряли взвешиванием на аналитических весах с точностью 0,0001 г. Абразивную износостойкость материала определяли по результатам 2-4 параллельных испытаний. Испытание материалов на трение изнашивание в условиях сухого трения скольжения (адгезионный механизм изнашивания) выполняли в условиях трения скольжения стальных пар в воздушной среде по схеме палец-пластина. Данные испытания аустенитных сталей проводили в паре со сталью 45 (пластина), термообработанной на твердость 52-54 HRC (закалка от 850°С в масле, отпуск 200°С - 2 часа). Трение осуществляли при возвратно-поступательном движении образца (пальца) со скоростью 0,07 м/с и нормальной нагрузке 294 Н. Путь трения образца составлял 80 м, температура в зоне трения пары не превышала 50°С. Интенсивность изнашивания образцов рассчитывали по формуле Ih=Q/ρ·L·S, где Q - потери массы образца, г; ρ - плотность материала образца, г/см3; L - путь трения, см; S - геометрическая плотность контакта, см2. Коэффициент трения рассчитывали по формуле f=F/N, где F - сила трения, H; N - нормальная нагрузка, Н. Микротвердость сплавов измеряли при нагрузке 1,96 Н. Результаты испытаний приведены в таблицах 2 и 3.
Из таблицы 2 видно, что заявляемая сталь (сплавы №№3,4, 5) имеет в 1,4-1,8 раза более высокую абразивную износостойкость, чем прототип (сплав №1), а также превосходит в абразивной износостойкости сплавы №№2, 6.
Из таблицы 3 следует, что при сухом трении скольжения в паре со сталью 45, когда имеет место адгезионное изнашивание исследуемых пар, коэффициент трения и интенсивность изнашивания заявляемой стали (сплавы №№3, 4, 5) имеют практически такие же величины, как и прототип (сплав №1). Из данной таблицы также видно, что коэффициент трения и интенсивность изнашивания сплавов №№2, 6 заметно выше, чем у заявляемой стали (сплавы №№3, 4, 5).
| Таблица 2 | ||
| Микротвердость (Н) и абразивная износостойкость (ε) сплавов | ||
| Сплав № | Н, МПа | ε |
| 1 | 2600 | 1,7 |
| 2 | 2800 | 2,4 |
| 3 | 3300 | 2,7 |
| 4 | 3550 | 2,9 |
| 5 | 4200 | 3,0 |
| 6 | 4250 | 2,6 |
| Таблица 3 | ||
| Интенсивность изнашивания (Ih) и коэффициент трения (f) сплавов при испытании в паре со сталью 45 в режиме адгезионного изнашивания | ||
| Сплав № | Ih | f |
| 1 | 1,5·10-7 | 0,29 |
| 2 | 2,5·10-7 | 0,31 |
| 3 | 1,5·10-7 | 0,29 |
| 4 | 1,5·10-7 | 0,29 |
| 5 | 1,4·10-7 | 0,28 |
| 6 | 1,7·10-7 | 0,40 |
Аустенитная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, азот, молибден, ванадий, титан, медь, никель и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вольфрам и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 0,42-1,70 |
| кремний | 0,45-4,51 |
| марганец | 7,8-20,2 |
| хром | 12,5-20,9 |
| азот | 0,17-0,51 |
| молибден | 0,05-0,22 |
| ванадий | 0,03-0,12 |
| вольфрам | 0,05-0,10 |
| титан | 0,01-0,15 |
| медь | 0,20-0,55 |
| никель | 0,23-1,20 |
| бор | 0,0010-0,0250 |
| железо | остальное |
