Теплостойкая подшипниковая сталь


 


Владельцы патента RU 2447183:

Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию теплостойких сталей для подшипников, работающих при температуре до 500°С и используемых, например, для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и редукторов вертолетов. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, хром, вольфрам, ванадий, молибден, никель, ниобий, тантал и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,8-1,1, марганец 0,1-0,4, кремний 0,3-0,5, хром 4,5-5,5, вольфрам 1-1,5, ванадий 0,5-1,0, молибден 3,0-3,5, никель 0,15-0,4, ниобий 0,1-0,3, тантал 0,05-0,15, железо остальное. Сталь обладает повышенными характеристиками усталостной прочности, статической прочности при изгибе, высокой однородностью структуры с мелким зерном и значительно более мелкими карбидами, обеспечивающими высокие значения ударной вязкости и технологичности в производстве. 2 табл., 3 пр.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию теплостойких сталей для подшипников, работающих при температуре до 500°C и используемых, например, для авиационных газотурбинных двигателей (ГТД) и редукторов вертолетов.

Известна теплостойкая подшипниковая сталь марки 8Х4М4В2Ф1Ш следующего химического состава, мас.%:

углерод 0,75-0,85
марганец ≤0,40
кремний ≤0,40
хром 3,9-4,4
вольфрам 1,5-2,0
ванадий 0,9-1,2
молибден 3,9-4,4
никель не более 0,35
железо остальное

А.Г.Спектор, Б.М.Зельбет, С.А.Киселева. Структура и свойства подшипниковых сталей. М.: Металлургия, 1980, с.16.

Недостатком известной стали является повышенное обезуглероживание при температурах горячей деформации, отжига и закалки и повышенная чувствительность к окислению, а также нестабильность значений по ударной вязкости.

Известна также теплостойкая подшипниковая сталь марки М50 следующего химического состава, мас.%:

углерод 0,77-0,85
марганец ≤0,35
кремний ≤0,25
хром 3,75-4,25
ванадий 0,9-1,10
молибден 4,0-4,50
железо остальное

А.Г.Спектор, Б.М.Зельбет, С.А.Киселева. Структура и свойства подшипниковых сталей. М.: Металлургия, 1980, с.16.

Недостатком стали является низкая теплостойкость при длительных нагревах до 500°C. Сталь склонна к росту зерна, обладает недостаточной ударной вязкостью и чувствительна к обезуглероживанию и окислению.

Известна низкоуглеродистая цементуемая сталь для крупногабаритных подшипников следующего химического состава, мас.%:

углерод 0,1-0,3
марганец 0,2-1,0
кремний 0,2-0,6
хром не более 1,2
ванадий 0,25-0,85
молибден 4-6
никель 2,5-3,5
железо остальное (Патент США №4004952)

Увеличение содержания молибдена в известной стали до 6% способствует формированию насыщенной карбидной зоны на поверхности, препятствующей диффузии углерода вглубь слоя и понижающей ее статическую прочность при изгибе и усталостную прочность.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является теплостойкая подшипниковая сталь следующего химического состава, мас.%:

углерод 0,7-0,8
марганец 0,05-0,4
кремний 0,05-0,4
хром 4,0-4,6
вольфрам 8,5-9,5
ванадий 1,40-1,70
церий 0,005-0,10
кальций 0,005-0,10
иттрий 0,005-0,10
железо остальное (Патент РФ №2185458)

Микролегирование стали неоптимально вследствие присутствия повышенного количества вольфрама, способствующего увеличению количества карбида M6C, который при замедленном охлаждении сильно коагулирует, и в результате образуются крупные карбиды, имеющие угловатую или квадратную форму. Такие карбиды, в отличие от обычных более мелких и округлых, меньше задерживают рост зерна при нагреве под закалку, и закаленная сталь оказывается более крупнозернистой, что ведет к снижению статической прочности при изгибе, усталостной прочности, ударной вязкости и повышению уровня карбидной неоднородности по ГОСТ 19265. Карбидная неоднородность способствует выкрашиванию рабочей поверхности подшипников.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание теплостойкой подшипниковой стали, работающей до 500°C, обладающей повышенными характеристиками усталостной прочности, статической прочности при изгибе, высокой однородностью структуры с мелким зерном и значительно более мелкими карбидами, обеспечивающими высокие значения ударной вязкости.

Для решения поставленной задачи предлагается теплостойкая подшипниковая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, вольфрам, ванадий, железо, которая дополнительно содержит молибден, никель, ниобий и тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,8-1,1
марганец 0,1-0,4
кремний 0,3-0,5
хром 4,5-5,5
вольфрам 1-1,5
ванадий 0,5-1,0
молибден 3-3,5
никель 0,15-0,4
ниобий 0,1-0,3
тантал 0,05-0,15
железо остальное

Легирование стали молибденом при заявленном содержании вольфрама позволило получить значительно меньшую карбидную неоднородность и более высокие значения усталостной прочности, статической прочности при изгибе, ударной вязкости. Дополнительное легирование стали никелем позволило повысить вязкость α-матрицы, что также способствовало повышению ударной вязкости.

Введение ниобия и тантала позволило получить очень устойчивые карбиды (NbC, Tac), которые практически не растворимы в аустените, задерживающие рост зерна при нагреве под закалку. Измельчение зерна способствует повышению ударной вязкости и упрочнению.

Таким образом, снижение количества вольфрама, легирование молибденом, никелем, а также микролегирование ниобием и танталом при заявленном содержании и соотношении компонентов повышают механические свойства теплостойкой подшипниковой стали.

Примеры осуществления

В опытных лабораторных условиях проводили опробование предлагаемой стали (примеры 1-3), выплавленной в вакуумно-индукционной печи с применением электрошлакового переплава. Химический состав и механические свойства предлагаемой стали и стали-прототипа (пример 4) приведены в таблицах 1, 2.

Слитки предлагаемой стали подвергали горячей пластической деформации (ковке) с получением прутков различного сечения. После отжига из прутков изготавливали образцы для определения механических свойств. На образцах после закалки и отпусков дисперсионного твердения обеспечивалась твердость 60-65 HRC. Сталь-прототип после термической обработки обладала твердостью 59-63 HRC.

Как видно из таблицы 2, предлагаемая сталь превосходит сталь-прототип по статической прочности при изгибе ~ на 15%, ударной вязкости ~ в 2,5-3 раза, усталостной прочности ~ на 15%.

Карбидная неоднородность предлагаемой стали составляет 1 балл вместо 4 согласно прототипу, а размер карбидов 10 мкм вместо 20 мкм.

Предлагаемая сталь технологична в производстве. Возможность изготовления подшипников путем прокатки из трубной заготовки вместо ковки снижает трудоемкость на 25-30%.

Применение теплостойкой подшипниковой стали позволит повысить надежность и ресурс работы ГТД.

Таблица №1
№ стали Содержание элементов, (мас.%)
C Mn Si Cr W V Мо Ni Nb Ta Ce Са Y Fe
1 0,8 од 0,3 4,5 1,0 0,5 3,0 0,15 0,1 0,05 - - - остальное
2 0,9 0,3 0,4 5,0 1,3 0,8 3,2 0,3 0,2 0,10 - - - -//-
3 1,1 0,4 0,5 5,5 1,5 1,0 3,5 0,4 0,3 0,15 - - - -//-
прототип 0,7 0,2 0,2 4,3 9,0 1,5 - - - - 0,1 0,1 0,1 -//-
Таблица №2
№ п/п Механические свойства Балл карбидной неоднородности Размер карбидов, мкм Величина зерна, балл
Статическая прочность при изгибе σвизг, МПа Ударная вязкость КС, Дж/см2 Усталостная прочность σ-1 на базе 2×107 циклов, МПа
прототип 2100 2 700 4 20 5
1 2400 5 800 1 10 9
2 2500 5 820 1 10 10
3 2600 6 850 1 10 10

Теплостойкая подшипниковая сталь, содержащая углерод, марганец, кремний, хром, вольфрам, ванадий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит молибден, никель, ниобий и тантал при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,8-1,1
марганец 0,1-0,4
кремний 0,3-0,5
хром 4,5-5,5
вольфрам 1,0-1,5
ванадий 0,5-1,0
молибден 3,0-3,5
никель 0,15-0,4
ниобий 0,1-0,3
тантал 0,05-0,15
железо остальное


 

Похожие патенты:

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных полос толщиной 10÷16 мм, преимущественно из трубных марок стали категории прочности К56.

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к производству штрипса для магистральных подводных трубопроводов диаметром до 1420 мм, класса прочности Х70, толщиной до 40 мм.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к мартенситной нержавеющей стали для сварных конструкций, стойкой к коррозионному растрескиванию под напряжением.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированным сталям, используемым для изготовления сварных нефте- и газопроводных труб, пригодных к эксплуатации в условиях Крайнего Севера.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству толстолистового проката из обладающей улучшенной свариваемостью высокопрочной стали для корабле- и судостроения, топливно-энергетического комплекса, транспортного и тяжелого машиностроения.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к стали, используемой для изготовления железнодорожных рельсов, предназначенных для высокоскоростного движения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к разработке составов легированных мартенситных сталей, используемых для изготовления медицинского инструмента.
Изобретение относится к черной металлургии, а именно к производству стали для железнодорожных рельсов. .

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для корпусов сосудов давления реакторов гидрокрекинга и другого нефтехимического оборудования. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству толстолистового проката из высокопрочной хладостойкой свариваемой стали для кораблестроения, судостроения, топливно-энергетического комплекса, транспортного и тяжелого машиностроения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к низколегированной стали повышенной коррозионной стойкости и хладостойкости, применяемой для различного оборудования, в том числе для нефтяных резервуаров, электросварных труб повышенной коррозионной стойкости, используемых для строительства трубопроводов, транспортирующих агрессивные в коррозионном отношении жидкости, в частности водные среды, содержащие ионы хлора, сероводород, углекислый газ, механические примеси и другие компоненты

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу стали, используемой для изготовления деталей подшипников, работающих в условиях воздействия высоких контактных нагрузок

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным сплавам, используемым при производстве систем нагревателей подземных углеводородсодержащих пластов

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве толстолистового проката из стали высокой прочности и улучшенной свариваемости для применения в судостроении, топливно-энергетическом комплексе, транспортном и тяжелом машиностроении, мостостроении и других отраслях промышленности

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к получению листового проката из броневой стали, применяемой для противопульной защиты легкобронированных машин

Изобретение относится к прокатному производству и может быть использовано при производстве широких горячекатаных листов из стали класса прочности К56 для изготовления электросварных прямошовных труб сейсмостойкого исполнения С2 для магистральных нефтепроводов

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению нефтегазопромысловой бесшовной трубы из мартенситной нержавеющей стали, обладающей прочностью с пределом текучести YS на уровне 95 кфунт/кв.дюйм (665-758 МПа) и повышенной низкотемпературной ударной прочностью

Изобретение относится к области металлургии, конкретнее к прокатному производству низколегированных сталей различных классов прочности, и может быть использовано для производства готовых листов, используемых в качестве исходной заготовки для прямошовных электросварных труб большого диаметра

Изобретение относится к области металлургии, в частности стальному листу для производства магистральной трубы и способу изготовления стального листа
Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству трубных заготовок
Наверх