Сталь

(51)22 38/32 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Карпенко Михаил Иванович Марукович Евгений Игнатьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, кобальт, редкоземельные металлы, кальций и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит титан, бор и иттрий или цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,86-1,44 кремний 0,15-0,75 марганец 0,15-1,10 хром 15,85-19,75 молибден 2,12-2,65 кобальт 2,02-3,20 редкоземельные металлы 0,02-0,08 кальций 0,03-0,06 титан 0,30-0,88 бор 0,002-0,020 иттрий или цирконий 0,03-0,06 железо остальное. Изобретение относится к черной металлургии, в частности к литейным теплостойким инструментальным сталям, предназначенным для изготовления деталей технологического оборудования с повышенной коррозионно-эрозионной стойкостью. Известна сталь 1, содержащая, мас.углерод 0,05-0,12 кремний 0,4-0,8 марганец 0,4-0,8 хром 20-22 никель 5,0-6,5 7969 1 2006.04.30 молибден 1,8-2,6 титан 0,05-0,3 алюминий 0,005-0,05 ванадий 0,01-0,15 кальций 0,005-0,08 магний 0,005-0,05 РЗМ 0,01-0,1 железо остальное. Известная теплостойкая сталь обладает низкими технологическими свойствами. Известна также сталь 2 следующего состава, мас.углерод 0,40-0,70 кремний 0,10-0,40 марганец 0,40-1,00 хром 0,40-1,20 молибден 0,10-0,60 никель 1,20-2,00 ванадий 0,10-0,70 алюминий 0,005-0,05 азот 0,02-0,10 кальций 0,005-0,02 железо остальное. Известная сталь только после прокатки и ковки используется для изготовления вкладышей сборных молотковых штампов диаметром 350 мм и высотой 180 мм и других деталей. После закалки с температуры 880-920 С и отпуска с температуры 350 С обладает следующими свойствами предел прочности при растяжении, МПа 1300-1600 при температуре 20 С 975-1250 при температуре 400 С 510-680,при температуре 600 С 2 ударная вязкость, МДж/м 0,39-0,44 при 20 С 0,50-0,58 при 400 С 1,25-1,34,при 600 С твердость,39-46,эксплуатационная стойкость (эталон-сталь 5 ХНМ),115-140. В литом состоянии эксплуатационные свойства низкие. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является сталь 3, содержащая, мас.углерод 0,5-0,9 кремний 0,2-0,6 марганец 0,2-0,6 хром 14,0-16,0 молибден 1,5-2,5 кобальт 1,5-5,0 редкоземельные металлы (РЗМ) 0,1-0,25 кальций 0,02-0,25 железо остальное. Жидкотекучесть стали, определенная по длине проб, полученных методом вакуумного всасывания в кварцевые трубки, составляет 311-440 мм. Герметичность стали - 550-600 МПа,а потеря упругости при нагреве до 900 С - 9,3-9,7 . 2 7969 1 2006.04.30 При повышенном содержании кальция и РЗМ снижается стабильность технологических свойств, а при высоком содержании кобальта и кальция недостаточна эксплуатационная стойкость. Задача изобретения - повышение стабильности технологических свойств стали и ее эксплуатационной стойкости. Поставленная цель достигается тем, что сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, молибден, кобальт, РЗМ, кальций и железо, дополнительно содержит титан,бор и один элемент из группы, содержащей иттрий и цирконий, при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,86-1,44 кремний 0,15-0,75 марганец 0,15-1,1 хром 15,85-19,75 молибден 2,12-2,65 кобальт 2,02-3,20 редкоземельные металлы 0,02-0,08 кальций 0,03-0,06 титан 0,30-0,88 иттрий или цирконий 0,03-0,06 бор 0,002-0,02 железо остальное. Дополнительное введение титана и других легирующих компонентов (бора, иттрия или циркония) является существенным отличием предложенной стали, которое обеспечивает значительное повышение стабильности технологических свойств и коррозионной усталости. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта. Титан в количестве 0,30-0,88 мас.микролегирует металлическую основу, повышает однородность структуры и стабильность механических и технологических свойств и коррозионной стойкости, что обеспечивает существенное повышение коррозионной усталости. При содержании титана до 0,30 мас.однородность структуры, коррозионная стойкость,технологические свойства недостаточны. При увеличении концентрации титана более 0,88 мас.снижается ударная вязкость и стабильность эксплуатационной стойкости. Введение иттрия или циркония обеспечивает улучшение формы зерен, повышение динамической прочности и стойкости при температуре до 900 С, но при концентрации более 0,06 мас.снижается стабильность технологических свойств и эксплуатационной стойкости. Введение бора (0,002-0,02 мас. ) очищает границы зерен, повышает стабильность предела коррозионной усталости и эксплуатационной стойкости, но при концентрации более 0,02 мас.он сам является источником неметаллических включений и снижает технологические свойства, усталость и эксплуатационную стойкость стали в условиях коррозионно-эрозионного изнашивания. Хром является основным легирующим компонентом теплостойких сталей, поэтому его содержание принято в пределах 15,85-19,75 мас. , выше которых снижается жидкотекучесть и технологические свойства. При концентрации его менее 15,85 мас.ухудшаются теплопрочность и стабильность свойств стали при повышенных температурах. Концентрация углерода (0,86-1,44 мас. ) и кремния (0,15-0,76 мас. ) выбрана исходя из практики производства легированных теплостойких сталей с повышенными характеристиками ударной вязкости, механической прочности и эксплуатационной стойкости. 3 7969 1 2006.04.30 При содержании углерода более 1,44 мас.и кремния более 0,75 мас.коррозионная стойкость, ударная вязкость и стойкость в условиях фреттинг-коррозионной усталости снижаются, а при содержании углерода до 0,86 мас.и кремния до 0,15 мас.недостаточны жидкотекучесть расплава и предел прочности, усталостная прочность, коррозионная усталость и теплостойкость стали. Молибден в концентрации 2,12-2,65 мас.стабилизирует и упрочняет матрицу, повышает стойкость к коррозии и к фреттинг-коррозии и ее стабильность при нагреве до 900 С. При концентрации его более 2,65 мас.снижаются технологические свойства,что обеспечивает снижение стабильности эксплуатационных свойств. Концентрация молибдена принята от содержания (2,12 мас. ), при котором существенно повышается стабильность структуры и эксплуатационной стойкости и теплопрочности. Концентрация легирующих компонентов (марганца 0,15-1,1 , кобальта 2,02-3,2 мас. ) обусловлена необходимостью поддержания твердости, прочности, технологических и эксплуатационных свойств на высоком уровне и ограничена пределами, ниже которых не достигается существенное повышение стабильности эксплуатационной стойкости и технологических свойств, а выше которых усиливается неоднородность структуры, нестабильность свойств и эксплуатационной стойкости. Кальций и РЗМ вводятся в качестве модифицирующих добавок, повышающих жидкотекучесть стали и однородность и стабильность структуры, технологических и эксплуатационных свойств, а кобальт - как микролегирующая добавка, стабилизирующая структуру. Предлагаемую теплостойкую сталь получают следующим образом. Сталь легируют кобальтом, ферромарганцем, ферромолибденом и модифицируют ферротитаном, ферробором ФБ 13, иттрием или цирконием, заливают в сухие жидкостекольные формы. Эксплуатационную стойкость стали определяли на молотах массой падающих частей 3,0 т, а технологические свойства - на стандартных образцах. Конкретные примеры оптимальных составов предлагаемой стали приведены в табл. 1. Сопоставительный анализ свойств предлагаемой стали и прототипа, определяющих получаемый технический результат, подтверждается результатами экспериментальной проверки, данные о которых приведены в табл. 2. Герметичность сталей определяли на гидростендах при испытании стандартных образцов с толщиной рабочей части 3 мм, а жидкотекучесть - по длине проб в кварцевых трубках диаметром 540,05 мм при разрежении 200 мм рт. столба. Ударную вязкость определяли на образцах типа 8 (ГОСТ 5454-78), а предел коррозионной усталости - по ГОСТ 2860-65. Как видно из табл. 2, предложенная сталь обладает более высокими и стабильными технологическими и эксплуатационными свойствами в сравнении с базовой инструментальной сталью. При использовании предложенной теплостойкой стали для изготовления деталей технологического инструмента достигается повышение теплостойкости на 118-133 . Источники информации 1. А.с. СССР 740858, МПК С 22 С 38/50, 1980. 2. А.с. СССР 924158, МПК С 22 С 38/46, 1982. 3. А.с. СССР 840185, МПК С 22 С 38/30, 1981 (прототип). Герметичность, МПа Условный предел коррозионной 380 620 658 640 усталости, МПа Ударная вязкость, Дж/см 2 65 93 97 95 Потеря упругости при 900 С,8,4 5,6 4,9 3,7 Средний износ при трении в коррозионной среде при 0,39 0,25 0,16 0,15 900 С, мг/гс Жидкотекучесть, мм 360 442 483 428 Теплостойкость при нагреве 100 118 136 132 до 900 С,Эксплуатационная стойкость, ч 850 1150 1280 1185 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5