Мартенситностареющая сталь

 

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составу мартенситностареющей высокопрочной стали для нагруженных ответственных деталей. Технический эффект изобретения - повышение прочности, пластичности, вязкости и сопротивления ударным нагрузкам. Сталь содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 0,005 - 0,03; никель 17,5 - 19,0; кобальт 7,5 - 9,0, молибден 4,0 - 5,0; кремний 0,75 - 1,10; ванадий 0,05 - 0,15; вольфрам 0,10 - 0,25; железо - остальное. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к изысканию мартенситностареющих сталей, содержащих в качестве основы железо, никель, кобальт, молибден, а также кремний, и используемых для изготовления ответственных деталей изделий, от которых требуются повышенные прочностные характеристики, пластичность, вязкость и сопротивление ударным циклическим нагрузкам.

Известна мартенситностареющая сталь следующего химического состава, мас.

Углерод 0,04 0,07 Никель 8 14 Кобальт 6 10 Молибден 3,5 10 Титан 0,1 1,7 Кремний 1,5 2,5 Железо остальное (а.с. СССР N 952989, кл. C 22 C 38/14).

Данная сталь используется в инструментальном производстве для деталей, от которых требуются высокие твердость, прочность, износостойкость. Достижение высокого уровня указанных характеристик стали осуществляется в результате старения (нагрева до температуры 500^oC, время выдержки 4 6 часов), сопровождающегося выделением дисперсных частиц упрочняющих интерметаллидных фаз, содержащих железо, молибден, никель, титан, кремний.

На этой стали может быть достигнут высокий уровень прочности σ_в≥ 2200 МПа. Однако вязкость стали, если рассматривать перспективность ее применения в качестве конструкционного материала ответственных деталей изделий, испытывающих при эксплуатации воздействие интенсивных нагрузок, в том числе ударного характера, мала. Так, значения ударной вязкости стали не превышает KCV 0,12 0,35 МДж/м².

Из описанных в патентной и информационной литературе сталей подобного типа, которые могут использоваться в качестве конструкционных, а не инструментальных, наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является сталь, содержащая, мас.

Углерод до 0,03 Никель 15 19 Титан 0,1 1,0
Кремний 0,55 2,0
Молибден 4 10
Кобальт 0,1 5,0
Железо остальное
Сталь может содержать также примеси, мас.

Фосфор до 0,01
Сера до 0,01
Алюминий до 0,15
Марганец до 0,10
(а.с. СССР N 282660, кл. C 22 C 38/14)
Сталь 2 в термически упрочненном состоянии (старение при температуре 480 500^oC) обеспечивает следующие механические свойства:
σ_в=2180 МПа;
σ_0,2= 2060 МПа;
δ= 7 % ;
Ψ = 34%, 14
KCV=0,35 МДж/м²
Прочностные свойства данной стали для тяжелонагруженных деталей являются недостаточными, что сдерживает возможность уменьшения габаритных размеров изготавливаемых из нее деталей, а следовательно и металлоемкости изделий.

Пластичность и вязкость стали также не столь высока, чтобы гарантировать надежность эксплуатации изготавливаемых из нее деталей при таком сложном виде нагружения, как ударное циклическое. Малый запас пластичности и вязкости обуславливает недостаточное сопротивление развитию трещин ударной усталости.

Целью изобретения является повышение прочности, пластичности, вязкости и сопротивления ударным циклическим нагрузкам стали.

Для достижения указанной цели в сталь, содержащую углерод, никель, кобальт, молибден, кремний и железо, дополнительно вводят ванадий и вольфрам, при этом содержание всех указанных ингредиентов должно быть в следующих соотношениях, мас.

Углерод 0,005 0,03
Никель 17,5 19,0
Кобальт 7,5 9,0
Молибден 4,0 5,0
Кремний 0,75 1,10
Ванадий 0,05 0,15
Вольфрам 0,10 0,25
Железо остальное
В качестве примеси сталь может содержать марганец до 0,20% серу до 0,010% фосфор до 0,010% алюминий 0,20%
Ниже, в табл. 1, приведены варианты осуществления изобретения, не исключающие других вариантов в объеме формулы изобретения, а также составы при соотношениях ингредиентов, выходящих за граничные значения.

Сталь выплавляли в вакуумно-индукционной печи на технически чистых шихтовых материалах. Старение проводили при температуре 490^oC, время выдержки 4 часа, охлаждение на воздухе.

Пределы легирования предлагаемой стали определяются характером влияния ингредиентов на фазовый состав и структурное состояние и обеспечивают достижение новых положительных свойств.

Упрочнение предлагаемой стали при старении является следствием распада пересыщенного твердого раствора мартенсита с выделением частиц интерметаллидных фаз, содержащих железо, никель, молибден, кремний.

Содержание никеля в пределах 17,5 19,0% позволяет с одной стороны обеспечить достаточную для существенного упрочнения степень пересыщения твердого раствора, а с другой сохранить мартенситную структуру сталью (без остаточного аустенита, наличие которого снижает прочность и ухудшает стабильность свойства стали).

Молибден и кремний являются основными упрочнителями стали. Оптимальное их содержание в стали составляет 4,0 5,0% и 0,75 1,10% соответственно. При меньших, чем указанные, содержаниях молибдена и кремния эффект упрочнения стали при старении не столь велик, а при больших наблюдается ухудшение характеристик вязкости, пластичности, сопротивления ударным циклическим нагрузкам. Кроме того, при большем содержании молибдена увеличивается вероятность образования труднорастворимой μ-фазы, отрицательно влияющей на пластичность и технологичность стали.

Кобальт в количестве 7,5 9,0% усиливает эффект упрочнения стали при старении за счет увеличения объемной доли выделений интерметаллидной фазы на основе железа, никеля и молибдена, повышает дисперсность выделений, что благоприятно влияет на пластичность и вязкость.

При меньшем содержании кобальт не оказывает требуемого влияния на прочностные свойства. При этом возникает также опасность образования в стали остаточного аустенита. При большем его содержании, хотя и происходит увеличение прочности стали, одновременно имеет место и снижение пластичности и сопротивления ударным циклическим нагрузкам.

Легирование стали ванадием в количестве 0,05 0,15% и вольфрамом в количестве 0,10 0,25% позволяет существенно повысить пластичность, вязкость и сопротивление стали разрушению при ударных циклических нагрузках. Указанное содержание ванадия и вольфрама является необходимым и достаточным для улучшения пластичности, вязкости и ударно-усталостной прочности. При меньшем их содержании положительного влияния на данные свойства практически слабо выявляется, а при большем эффект дополнительного прироста пластичности, вязкости, сопротивления ударным циклическим нагрузкам очень мал.

Положительное влияние ванадия и вольфрама проявляется через измельчение зерна и устранение выделения частиц охрупчивающих фаз по границам зерен.

В табл. 2 приведены значения характеристик прочности, пластичности, вязкости, сопротивления ударным циклическим нагрузкам в сравнении с прототипом.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что предлагаемая сталь проявляет требуемые свойства только в заявляемой совокупности ингредиентов и в заявляемом их соотношении (составы 1 5, табл. 1, 2).

По патентной и научно-технической литературе стали с заявляемой совокупностью ингредиентов и их соотношением, проявляющей новые положительные свойства (повышенные прочность, пластичность, вязкость и сопротивление ударным циклическим нагрузкам), не обнаружено.

Использование предлагаемой стали в качестве конструкционного материала деталей специзделий, работающих при интенсивных динамических нагрузках, позволит повысить их конструктивную прочность, эксплуатационную надежность и уменьшить габаритные размеры деталей.

Формула изобретения

Мартенситностареющая стань, содержащая углерод, никель, кобальт, молибден, кремний, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит ванадий и вольфрам при следующем соотношений компонентов, мас.

Углерод 0,005 0,03
Никель 17,5 19,0
Кобальт 7,5 9,0
Молибден 4 5
Кремний 0,75 1,1
Ванадий 0,05 0,15
Вольфрам 0,1 0,25
Железо Остальноещ

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2