Высокопрочная бериллийсодержащая сталь



Высокопрочная бериллийсодержащая сталь
Высокопрочная бериллийсодержащая сталь

 


Владельцы патента RU 2600467:

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

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения, а именно к составам нержавеющей дисперсионно-твердеющей стали, используемой при изготовлении деталей трения прецизионных приборов, агрегатов гидросистем и топливо-регулирующей аппаратуры авиационной техники, работающих в общеклиматических условиях. Сталь содержит углерод, хром, никель, молибден, кобальт, медь, бериллий, титан, лантан, ванадий, вольфрам, неодим, диспрозий, церий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,15-0,5, хром 12,0-14,5, никель 4,5-7,5, молибден 1,5-3,5, кобальт 6,0-7,5, медь 1,0-3,0, бериллий 0,5-1,2, ванадий 0,2-0,6, вольфрам 0,2-0,6, титан 0,1-0,6, лантан 0,005-0,1, неодим 0,005-0,05, диспрозий 0,005-0,03, церий 0,005-0,1, железо - остальное. Сталь обладает прочностью 2350-2375 МПа, модулем упругости 220-221 ГПа, твердостью HRC 62-63,5 ед., износостойкостью 2,21·10-8-2,29·10-8 ед., чистотой по неметаллическим включениям - нитридам и карбонитридам - 2-3 балла и отсутствием в структуре стали δ-феррита. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области машиностроения и может использоваться при изготовлении деталей трения прецизионных приборов и агрегатов гидросистем и топливо-регулирующей аппаратуры авиационной техники, работающих в общеклиматических условиях.

В системах гидроавтоматики авиационного двигателя используются пары трения (золотниковые детали). От их бесперебойной и надежной работы зависит ресурс узлов системы автоматического управления двигателем. Для изготовления таких деталей применяют материалы со специальными свойствами: высокой износо- и коррозионной стойкостью, высокой прочностью. Выпускаемые в настоящее время отечественные стали не в полной мере отвечают требованиям, предъявляемым к деталям и узлам перспективных изделий авиационной техники, таким как: ресурсные показатели в агрессивной среде, точность и надежность работы систем топливорегулирующей аппаратуры и др. Введение в состав сталей бериллия существенно улучшает их свойства и в первую очередь износостойкость, коррозионную стойкость, модуль упругости и др.

В настоящее время бериллийсодержащие стали ЭИ928, ЭП354 и ВНС13 отечественной промышленностью не производятся, а сталь ВНС-32ВИ - наиболее современная из ранее созданных сталей.

Зарубежным аналогом приведенных выше отечественных материалов является сталь 440С (патент US 5002729, МПК С22С 38/52, С22С 38/30, опубл. 26.03.1991), имеющая при твердости готовых деталей после термообработки HRC - 59 ед., относительное удлинение δ - 2%, со следующим химическим составом, масс. %:

Углерод 0,05-0,1
Хром 11,0-15,0
Никель 1,5-3,5
Молибден 1,0-3,0
Кобальт 3-8
Ванадий 0,1-1,0
Марганец 1,5
Кремний 1,0
Азот 0,04
Железо Остальное

Указанная сталь имеет существенный недостаток: при работе в условиях топливорегулирующей аппаратуры не обеспечивается точность и надежность работы при перепаде температур от -196 до +450°C.

Известна нержавеющая коррозионностойкая сталь (ас. №1671729, МПК С22С 38/58, опубл. 23.08.1991), при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Углерод 0,39-0,45
Кремний 0,8-1,4
Марганец 1,5-1,9
Хром 11,0-13,0
Титан 0,1-0,2
Ванадий 1,8-2,5
Кальций 0,0003-0,01
Бор 0,5-0,6
Никель 4,1-4,9
Иттрий 0,3-0,4
Алюминий 0,1-0,2
Бериллий 0,4-0,6
Железо Остальное

Недостатком данной стали является отсутствие кобальта в составе стали, что ведет к нестабильному поведению твердого раствора при повышенных температурах работы изделия и снижению долговечности его работы.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является отечественная нержавеющая дисперсионно-твердеющая сталь (ас. №541374, МПК С22С 38/52, опубл. 15.05.1991), при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Углерод 0,15-0,5
Хром 12,0-14,5
Никель 4,5-7,5
Молибден 1,5-3,5
Кобальт 3,0-6,0
Медь 1,0-3,0
Ниобий 0,5-2,5
Титан 0,1-0,6
Бериллий 0,5-1,2
Лантан 0,005-0,1
Железо Оостальное

Сталь обладает прочностью 2205 МПа, модулем упругости 210 ГПа, твердостью HRC 58 ед., износостойкостью 2,76·10-8 ед. при наличии δ-феррита в количестве 5-7%.

Недостатком данной стали является наличие хрупкого δ-феррита, выпадающего в процессе деформации, что приводит к потере технологической пластичности и появлению мелких поверхностных трещин, при этом снижается прочность, твердость и износостойкость стали, а также коррозионная стойкость к окислению, что приводит к потере эксплуатационных характеристик готовых изделий.

Технической задачей и техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение ресурсных характеристик (износостойкости и твердости) высокопрочной бериллийсодержащей стали за счет легирования вольфрамом и ванадием, а также введением редкоземельных элементов диспрозия, церия и неодима, направленных на исключение из состава «мягкого» δ-феррита и повышение чистоты металла по неметаллическим включениям, тем самым повышая механические свойства (ударная вязкость, пластичность, твердость и износостойкость), причем отсутствие в составе стали ниобия, как наиболее ферритообразующего элемента, также ведет к уменьшению склонности стали к образованию δ-феррита.

Для достижения поставленного технического результата предлагается нержавеющая дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, хром, никель, молибден, кобальт, медь, бериллий, титан, лантан, железо и дополнительно содержащая ванадий, вольфрам, неодим, диспрозий и церий при следующем соотношении компонентов, масс. %:

Углерод 0,15-0,5
Хром 12,0-14,5
Никель 4,5-7,5
Молибден 1,5-3,5
Кобальт 6,0-7,5
Медь 1,0-3,0
Бериллий 0,5-1,2
Ванадий 0,2-0,6
Вольфрам 0,2-0,6
Титан 0,1-0,6
Лантан 0,005-0,1
Неодим 0,005-0,05
Диспрозий 0,005-0,03
Церий 0,005-0,1
Железо Остальное

и изделие, выполненное из этой стали.

Оптимальное легирование стали за счет увеличения аустенитообразующих элементов (кобальт), уменьшения (исключения) сильных ферритообразующих элементов (ниобий ) с введением вольфрама и ванадия в количестве 0,2-0,6% , гарантирует отсутствие фазы δ-феррита и обеспечивает высокий уровень механических свойств - введение вольфрама и ванадия в указанном соотношении приводят к повышению твердости и прочности стали, ванадий в значительной степени, измельчая структуру зерна, повышает пластичность стали. Добавкой кобальта 6,0-7,5% обеспечивается повышение вязкостных характеристик.

Введение бериллия в соотношении 0,5-1,2% за счет ограниченной и уменьшающейся с понижением температуры растворимостью вторичных бериллидов (FeBe2, NiBe2) приводит к сильному упрочнению стали вследствие дисперсионного твердения и выпадения бериллидов в виде тонкодисперсных зерен. При заявленном содержании бериллия твердость стали после термической обработки на мартенсит достигает значений выше 62 ед. HRC, что приводит к повышению в 1,2 раза износостойкости при испытаниях на трение. Благодаря введению в сплав никеля и кобальта в указанных соотношениях, за счет дисперсионного твердения, повышается прочность и твердость стали. Введение меди в заявленном соотношении позволяет повысить модуль упругости.

Сохранение никеля и хрома в заявленном соотношении усиливает эффект упрочняющего действия бериллия, препятствуя образованию диоксида углерода, приводя к повышению коррозионной стойкости стали (в том числе увеличивая срок работы в среде соляных растворов) и обеспечивая стабильность фазового состава стали. Титан в заявленном соотношении связывает газы (азот, кислород) и вредные примеси (серу) и выпадает в виде частиц, обладающих высокой термодинамической стабильностью и препятствующих укрупнению зерен и миграции границ зерна, позволяя получать высокие механические свойства.

Повышение пластичности и ударной вязкости осуществляется при помощи управления размером зерна и снижения количества приводящих к охрупчиванию паразитных фаз, что достигается дополнительными присадками редкоземельных металлов (РЗМ) диспрозия, неодима и церия, заметно уменьшающих содержание δ-феррита, неметаллических включений и повышающих пластичность металла при горячей деформации, обеспечивая рафинирование границ зерен и устраняя межзеренные ферритные прослойки (которые обычно приводят к ухудшению пластических характеристик сталей). Диспрозий, неодим и церий, соединяясь с вредными примесями (сера, фосфор, марганец и кремний), образуют легкоплавкие соединения, которые удаляются из расплава. Оставшаяся часть диспрозия, неодима и церия, обладая развитым поверхностным эффектом, измельчает зерно, изменяет природу, форму и распределение соединений с примесными элементами, уменьшает ликвацию по сере и фосфору, положительно влияет на перераспределение карбидной фазы по границам зерен, прерывая ее расположение в виде непрерывных полосок на отдельные глобули, которые располагаются на граничной поверхности аустенитных кристаллов. Без диспрозия, неодима и церия карбиды выделяются сплошными цепочками.

Использование предлагаемой высокопрочной бериллийсодержащей стали позволяет повысить ресурс деталей трения в 1,3-1,5 раза, прочность на 6-7%, модуль упругости на 5%, твердость на 6-8% и износостойкость на 17-20%, а получение металла нормированной чистоты по нитридам и карбонитридам позволяет повысить КИМ (коэффициент использования металла) за счет уменьшения брака при выплавке.

Полученная высокопрочная бериллийсодержащая сталь обладает прочностью 2350-2375 МПа, модулем упругости 220-221 ГПа, твердостью HRC 62-63,5 ед., износостойкостью 2,21·10-8-2,29·10-8 ед., чистотой по неметаллическим включениям - нитридам и карбонитридам - 2-3 балла и отсутствием в структуре стали δ-феррита.

Примеры осуществления изобретения

Шихтовую заготовку из предлагаемой стали различных составов и стали-прототипа, выплавляли из чистых шихтовых материалов в вакуумной индукционной печи с тиглем из основной футеровки. После разливки стали в чугунные изложницы отбирали стружку на химический анализ. Результаты химического анализа составов предлагаемой стали и стали-прототипа приведены в таблице 1.

Содержание легирующих элементов, газов, примесей, таких как марганец, кремний, сера и фосфор определяли по стандартным методикам.

Затем после механической обработки полученные слитки стали подвергали горячей деформации с получением кованых прутков диаметрами 16-32 мм. Далее полученные кованые прутки подвергали термообработке и изготавливали образцы для механических испытаний на растяжение с определением модуля упругости, определением твердости и износа, а также исследованием чистоты металла по неметаллическим включениям.

Содержание легирующих элементов, газов и примесей определяли по ГОСТ 12351, ГОСТ 12352, ГОСТ 12353, ГОСТ 12354, ГОСТ 12355, ГОСТ 12356, ГОСТ 12356.7, ГОСТ 12349, ГОСТ 12344, ГОСТ 12345 и ГОСТ 17745.

Механические свойства предлагаемой стали с различным соотношением компонентов и стали-прототипа определяли на стандартных образцах по ГОСТ 1497, ГОСТ 9013.

Оценку неметаллических включений на шлифах производили методом сравнения с эталонными шкалами в соответствии с ГОСТ 1778, метод Ш4.

Механические свойства предлагаемой стали с различным соотношением компонентов и стали-прототипа, полученных по одной и той же технологической схеме, приведены в таблице 2.

Из таблицы 2 видно, что механические свойства предлагаемой стали выше, чем свойства стали-прототипа: по пределу прочности при 20°C - на 6-7%, по модулю упругости при 20°C - на 5%, по твердости - на 6-8%, по износостойкости - на 17-20%.

1. Нержавеющая дисперсионно-твердеющая сталь, содержащая углерод, хром, никель, молибден, кобальт, медь, бериллий, титан, лантан, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий, вольфрам, неодим, диспрозий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,15-0,5
Хром 12,0-14,5
Никель 4,5-7,5
Молибден 1,5-3,5
Кобальт 6,0-7,5
Медь 1,0-3,0
Бериллий 0,5-1,2
Ванадий 0,2-0,6
Вольфрам 0,2-0,6
Титан 0,1-0,6
Лантан 0,005-0,1
Неодим 0,005-0,05
Диспрозий 0,005-0,03
Церий 0,005-0,1
Железо Остальное

2. Изделие, выполненное из нержавеющей дисперсионно-твердеющей стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п. 1.



 

Похожие патенты:

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.

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.%.

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.

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.
Наверх