Высокопрочная дисперсионно-твердеющая сталь


 


Владельцы патента RU 2562184:

Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию высокопрочных дисперсионно-твердеющих сталей для высоконагруженных зубчатых колес и подшипников, работающих при температуре до 500°C. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,22-0,27, кремний 0,2-0,4, марганец 0,2-0,6, хром 3,3-4,0, кобальт 8,0-9,5, никель 6,0-6,9, молибден 2,5-3,0, вольфрам 0,4-0,6, ванадий 0,20-0,24, ниобий 0,05-0,15, иттрий 0,008-0,01, лантан 0,04-0,05, церий 0,02-0,03, неодим 0,015-0,02, азот 0,03-0,04, железо - остальное. Повышаются предел текучести, ударная вязкость и теплопрочность стали при пределе прочности σB не менее 1800 МПа. 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию высокопрочных дисперсионно-твердеющих сталей для высоконагруженных зубчатых колес и подшипников, работающих при температуре до 500°C и используемых, например, для редукторов вертолетов, авиационных газотурбинных двигателей (ГТД).

Известна высокопрочная дисперсионно-твердеющая сталь AerMet-100 (патент США US 5087415, 11.02.1992 г.) следующего химического состава, мас.%:

Углерод 0,2-0,33

Хром 2,0-4,0

Никель 10,5-15,0

Молибден 0,75-1,75

Кобальт 8,0-17,0

Железо - остальное

Недостатком стали AerMet-100 является наличие избыточного количества дефицитного кобальта 8-17 мас.%, и никеля 10,5-15 мас.%, что создает трудности в термической и химико-термической обработках, не обеспечивает оптимальной структуры диффузионного слоя и сильно увеличивает общую стоимость стали.

Известна также высокопрочная дисперсионно-твердеющая сталь HY180 (Патент США US 3502462, 24.03.1970 г.) следующего состава, мас.%:

Углерод 0,1-0,16

Хром 0,5-3,0

Молибден 0,7-1,5

Кобальт 6,0-10,0

Никель 9,5-14,0

Железо - остальное

Несмотря на то, что стоимость стали HY180 ниже, чем AerMet-100 из-за более низкого содержания кобальта, недостатком стали является значительно более низкие значения прочности и пластичности, что, в первую очередь, связано с низким содержанием углерода и молибдена.

Известна сталь следующего состава (Патент США US 6176946, 23.01.2001 г.), мас.%:

Углерод 0,05-0,24

Хром 3,5-9,0

Молибден 2-2,5

Кобальт 15,0-28,0

Никель 1,5-9,5

Ванадий<0,2

Железо - остальное

Недостатком данной стали является высокое содержание хрома (до 9 мас.%), который является сильным карбидообразующим элементом, способствующим резкому увеличению концентрации углерода в диффузионном слое и формированию грубых карбидов, снижающих контактно-усталостную прочность. Кроме того, избыточное легирование стали аустенитообразующим элементом никелем (до 9,5 мас.%) приводит к формированию замкнутой карбидной сетки и резкому снижению механических свойств. Сталь также содержит излишнее количество дорогостоящего кобальта.

Наиболее близким аналогом является высокопрочная сталь следующего химического состава (Заявка на изобретение РСТ WO 2009131739 A2, 29.11.2009 г.), мас.%:

Углерод 0,20-0,33

Хром 0,8-3,0

Молибден 0,5-2,5

Кобальт 4,0-8,0

Никель 7,0-11,0

Вольфрам 0,5-5,9

Ванадий 0,05-0,2

Титан 0,02

Легирование стали неоптимально вследствие недостаточного количества карбидообразующих элементов хрома и молибдена, которые оказывают высокий упрочняющий эффект при вторичном твердении. Избыточное количество вольфрама (до 5,9 мас.%) способствует формированию карбидной фазы W6C, нерастворимой при закалке, и крупнозернистой структуры, что вызывает нестабильность значений ударной вязкости. Кроме того, сталь содержит большое количество никеля (до 11 мас.%), что увеличивает количество остаточного аустенита в слое при диффузионном насыщении, препятствует диффузии углерода вглубь, способствует выделению карбидов по границам зерен и образованию карбидной сетки. Наличие повышенного количества остаточного аустенита и карбидной сетки способствует понижению механических свойств диффузионного слоя.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение предела текучести, ударной вязкости и теплопрочности стали при пределе прочности стали σв не менее 1800 МПа.

Для достижения технического результата предлагается высокопрочная дисперсионно-твердеющая сталь, микролегированная РЗМ (редкоземельными металлами), содержащая углерод, хром, кобальт, никель, молибден, вольфрам, ванадий, железо, которая дополнительно содержит кремний, марганец, ниобий, редкоземельные элементы - иттрий, неодим, лантан, церий, азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,22-0,27

Кремний 0,2-0,4

Марганец 0,2-0,6

Хром 3,3-4,0

Кобальт 8,0-9,5

Никель 6,0-6,9

Молибден 2,5-3,0

Вольфрам 0,4-0,6

Ванадий 0,20-0,24

Ниобий 0,05-0,15

Иттрий 0,008-0,01

Лантан 0,04-0.05

Церий 0,02-0,03

Неодим 0,015-0,02

Азот 0,03-0,04

Предлагаемая сталь отличается повышенным количеством Cr и Мо. Вышеуказанные элементы задерживают карбидовыделение, удерживая при повышении температуры отпуска большое количество углерода в твердом растворе, препятствуют коагуляции цементита (Fe3C) при высоких температурах отпуска и образуют собственные мелкодисперсные фазы (Cr7C3, Ме7Сз), приводящие к повышение прочности. Повышенное содержание карбидообразующих элементов (Cr и Мо) способствует при диффузионном насыщении увеличению концентрации углерода в слое и формированию глобулярных карбидов, оказывающих блокирующее влияние на сдвиги при пластической деформации и тем самым повышают теплопрочность и механические свойства.

Кроме того, пониженное легирование стали вольфрамом и никелем позволяет наряду с прочностью повысить ее пластичность, ударную вязкость и обеспечить формирование оптимальной структуры диффузионного слоя (наличие мелкодисперсного мартенсита и карбидов). Легирование стали никелем не должно превышать ~6,9 мас.%, поскольку дальнейшее его увеличение не повышает прочность и вязкость, но увеличивает ее стоимость и понижает механические свойства диффузионного слоя.

Введение в сталь заявленного количества ванадия 0,20-0,24 мас.%, ниобия 0,05-0,15 мас.% и азота 0,03-0,04 мас.% обеспечивает формирование устойчивых карбонитридов и нитридов этих элементов, которые практически не растворимы в аустените, вследствие чего они задерживают рост зерна при нагреве под закалку и способствуют повышению ударной вязкости стали.

Церий, лантан, неодим являются поверхностно активными элементами в жидком железе. Они обладают более высокой раскислительной способностью, чем алюминий и являются хорошими десульфаторами стали, измельчают зерно и повышают ударную вязкость стали.

Таким образом, повышение количества хрома и молибдена при пониженном легировании вольфрамом и никелем, микролегирование ниобием, ванадием в сочетании с азотом, а также микролегирование редкоземельными металлами при заявленном содержании и соотношении компонентов повышают механические свойства высокопрочной дисперсионно-твердеющей стали.

Примеры осуществления

Сталь (примеры 1-3) выплавляли в вакуумно-индукционной печи. Химический состав предлагаемой стали и стали прототипа приведен в табл. 1. Слитки предлагаемой стали подвергали горячей пластической деформации (ковки) с получением прутков различного сечения для изготовления образцов с целью проведения механических испытаний. После предварительной термообработки изготавливали образцы для определения твердости (ГОСТ 9013-59) механических свойств, измеренных по ГОСТ 1497-84 (Испытания на растяжение при комнатной температуре) и ГОСТ 9454-78 (Испытания на ударную вязкость). На образцах после упрочняющей термической обработки обеспечивалась твердость 52-53 HRC. На стали-прототипе - 49 HRC.

Механические свойства предлагаемой стали и стали-прототипа приведены в табл. 2. Как видно из табл. 2, предлагаемая сталь превосходит сталь-прототип по пределу прочности, пределу текучести, по ударной вязкости и теплопрочности.

Применение предлагаемой высокопрочной дисперсионно-твердеющей стали позволит снизить массу, повысить надежность и ресурс работы изделий авиационного моторостроения.

Высокопрочная дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, хром, кобальт, никель, молибден, вольфрам, ванадий и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кремний, марганец, ниобий, иттрий, лантан, церий, неодим и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,22-0,27
кремний 0,2-0,4
марганец 0,2-0,6
хром 3,3-4,0
кобальт 8,0-9,5
никель 6,0-6,9
молибден 2,5-3,0
вольфрам 0,4-0,6
ванадий 0,20-0,24
ниобий 0,05-0,15
иттрий 0,008-0,01
лантан 0,04-0,05
церий 0,02-0,03
неодим 0,015-0,02
азот 0,03-0,04
железо остальное



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к способу получения мартенситной стали. Для повышения механических свойств и сокращения значений их разброса в стали, содержащей другие металлы, обеспечивающие её упрочнение при выделении интерметаллических соединений и карбидов, а также Al между 0,4% и 3%, указанную сталь подвергают термической обработке, включающей нагрев стали выше температуры ее аустенизации, охлаждение стали примерно до температуры окружающей среды, помещение стали в криогенную среду при температуре Т1, причем температура Т1 является более низкой, чем температура Mf мартенситного преобразования, и выдержку стали в криогенной среде с продолжительностью, по меньшей мере равной ненулевому времени t1 выдержки от момента, когда самая горячая часть стали достигла температуры ниже, чем температура Mf мартенситного преобразования, причем температура Т1 (в ºС) и время t1 выдержки (в часах) определяется уравнением Т1=ƒ(t1), причем первая производная функции ƒ по t, ƒ'(t), является положительной, и вторая производная ƒ по t, ƒ”(t), является отрицательной.
Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу сплава, используемого для изготовления штампового инструмента. Сплав содержит углерод, кремний, молибден, хром, вольфрам, кобальт, марганец, титан, никель, ванадий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,20-0,30, кремний 0,40-0,80, молибден 2,00-2,50, хром 8,00-10,00, вольфрам 2,50-3,00, кобальт 1,00-1,50, марганец 1,00-1,40, титан 0,20-0,30, никель 6,00-8,00, ванадий 0,20-0,30, железо - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству высокопрочных коррозионностойких мартенситностареющих сталей, используемых в энергетическом машиностроении для изготовления высоконагруженных упругих металлических уплотнений разъемных соединений энергетических установок, работающих в агрессивных средах при температурах от 20 до 723K.
Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения высокопрочной теплостойкой проволоки различных типоразмеров и листового материала.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким аустенитным хромоникелевым сталям, применяемым при производстве высокопрочного сортового проката.
Изобретение относится к сварочным присадочным проволокам для аргонодуговой сварки неплавящимся электродом в защитных газах легированных теплоустойчивых сталей для оборудования и трубопроводов АЭС, работающих при воздействии пароводяной смеси и ионизирующего излучения.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению закаленной мартенситной стали, используемой для изготовления различных конструкционных и приводных деталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочной стали, используемой для изготовления изделий, применяемых в различных областях техники. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к технологии получения листового проката, используемого в бронезащитных конструкциях. .

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изготовлению сварочной проволоки для сварки жаропрочных хромистых мартенситных сталей. .

Изобретение относится к области металлургии. Для повышения среднего значения усталостной прочности получают мартенситную сталь, которая имеет такое содержание других металлов, что она способна упрочняться в результате выделения интерметаллических соединений и карбидов и имеет содержание Al от 0,4 до 3 мас.%. Температура горячего формования при последнем проходе горячего формования стали ниже температуры растворимости нитридов алюминия в этой стали, и температура каждой из возможных термообработок после этого последнего прохода горячего формования ниже температуры растворимости в твердом состоянии нитридов алюминия в этой стали. 4 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил., 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к нержавеющей стали, используемой для изготовления труб для нефтяных скважин. Сталь содержит, мас.%: С не более 0,05, Si не более 1,0, Mn от 0,01 до 1,0, Р не более 0,05, S менее 0,002, Cr от 16 до 18, Mo от 1,8 до 3, Cu от 1,0 до 3,5, Ni от 3,0 до 5,5, Со от 0,01 до 1,0, Al от 0,001 до 0,1, О не более 0,05 и N не более 0,05, остальное количество составляют Fe и неизбежные примеси. Содержание компонентов в стали удовлетворяет выражениям: Cr+4Ni+3Mo+2Cu≥44 и Cr+3Ni+4Mo+2Cu/3≤46. Сталь имеет высокую стойкость к высокотемпературной коррозии и предел текучести не менее 862 МПа. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 2 табл.
Наверх