Инструментальная сталь

Авторы патента:

Владельцы патента RU 2611250:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) (RU)

Изобретение относится к области металлургии, а именно к инструментальным сталям, предназначенным для изготовления режущего и штампового инструмента, работающего при умеренных и высоких скоростях резания. Сталь содержит, в мас.%: углерод 0,30-0,35, кремний 1,3-1,4, марганец 1,30-1,45, хром 8,0-8,5, вольфрам 5,5-6,0, ванадий 0,7-0,8, молибден 2,0-2,5, кобальт 0,01-0,03, титан 0,01-0,02, никель 8,5-8,8, медь 0,4-0,5, алюминий 0,1-0,2, азот 0,05-0,08, железо - остальное. Повышаются прочность, ударная вязкость, твердость и теплостойкость инструментальной стали. 1 табл.

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам инструментальных сталей, используемых для изготовления режущего и штампового инструмента, работающего при умеренных и высоких скоростях резания.

Известна инструментальная сталь Р6М3, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, молибден, железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод - 0,85-0,95; кремний - менее 0,5; марганец - менее 0,4; хром - 3,0-6,0; вольфрам - 5,5-6,5; ванадий - 2,0-2,5; молибден - 3,0-3,6; железо - остальное (Позняк Л.А. Инструментальные стали: справочник / Л.А. Позняк, С.И. Тишаев, Ю.М. Скрынченко, Ю.Н. Кузьменко и др. - М.: Металлургия, 1977. - С. 129.; Геллер, Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер. - М.: Металлургия, 1975. - С. 377, табл. 83).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению (прототипом) является инструментальная сталь Р6М5, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, молибден и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод - 0,80-0,88; кремний - менее 0,5; марганец - менее 0,4; хром - 3,8-4,4; вольфрам - 5,5-6,5; ванадий - 1,7-2,1; молибден - 5,0-5,5; железо - остальное (Позняк Л.А. Инструментальные стали: справочник / Л.А. Позняк, С.И. Тишаев, Ю.М. Скрынченко, Ю.Н. Кузьменко и др. - М.: Металлургия, 1977. - С. 127-128).

Общими недостатками описанных сталей являются пониженные механические свойства, а именно прочность и ударная вязкость (Таблица).

Задачей изобретения является повышение прочности и ударной вязкости, при сохранении высокой теплостойкости.

Поставленная задача решается тем, что инструментальная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, молибден и железо, согласно изобретению дополнительно содержит кобальт, титан, никель, медь, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов мас. %:

Углерод	0,30-0,35
Кремний	1,3-1,4
Марганец	1,30-1,45
Хром	8,0-8,5
Вольфрам	5,5-6,0
Ванадий	0,7-0,8
Молибден	2,0-2,5
Кобальт	0,01-0,03
Титан	0,01-0,02
Никель	8,5-8,8
Медь	0,4-0,5
Алюминий	0,1-0,2
Азот	0,05-0,08

Повышение прочности и ударной вязкости при сохранении высокой теплостойкости (Таблица) обусловлены комплексным легированием стали предложенного состава.

Содержание углерода в количестве 0,30-0,35 мас. % является оптимальным, так как обеспечивает достаточное количество упрочняющей фазы, повышая прочность и ударную вязкость. При содержании углерода менее чем 0,30 мас. % снижается твердость. Содержание углерода выше чем 0,35 мас. % в присутствии марганца приводит к увеличению чувствительности к перегреву при закалке, снижению прочности и ударной вязкости.

Введение в сталь кремния в количестве 1,3-1,4 мас. % является оптимальным, так как при таком содержании кремния проявляется его влияние на вторичную твердость при отпуске. Повышается легированность твердого раствора, а также в присутствии хрома повышается устойчивость стали против отпуска. При содержании кремния менее 1,3 мас. % снижается его влияние на вторичную твердость. При содержании кремния более 1,4 мас. % снижается прочность и ударная вязкость стали.

Введение в состав стали марганца, в количестве 1,30-1,45 мас. % является оптимальным, так как способствует увеличению прокаливаемости стали и устойчивости к распаду аустенита, что позволяет использовать сталь для горячей обработки. При предлагаемом количестве марганца повышается устойчивость против отпуска, которая увеличивается в присутствии хрома в составе стали. При содержании марганца менее чем 1,30 мас. % снижается прокаливаемость стали, а при содержании марганца более чем 1,45 мас. % снижается прочность и ударная вязкость.

Введение в состав стали хрома в количестве 8,0-8,5 мас. % является оптимальным, так как при этом увеличивается сопротивление стали окислению при высоких температурах (окалиностойкость) и повышается способность к дисперсионному твердению; наличие хрома в указанном количестве затрудняет рост зерна при нагреве, повышает механические свойства стали при статической и ударной нагрузке, повышает прокаливаемость и жаропрочность стали. При содержании хрома ниже чем 8,0 мас. % в стали снижается количество карбидов хрома, которые участвуют в процессе упрочнения, а при содержании хрома более чем 8,5 мас. % происходит резкое снижение теплостойкости и жаропрочности стали.

Введение в состав стали вольфрама в количестве 5,5-6,0 мас. % является оптимальным, так как способствует выделению упрочняющей фазы при отпуске, что приводит к повышению твердости и теплостойкости стали. Содержание вольфрама ниже чем 5,5 мас. % приводит к снижению количества упрочняющей фазы при отпуске, что уменьшает теплостойкость и твердость стали. Содержание в стали вольфрама более чем 6,0 мас. % увеличивает количество упрочняющей фазы при отпуске, что уменьшает прочность и пластичность стали.

Введение в состав стали ванадия в количестве 0,7-0,8 мас. % является оптимальным, так как способствует измельчению зерна и повышению окалиностойкости стали. При содержании ванадия ниже чем 0,7 мас. % его влияние на измельчение зерна проявляется незначительно, а содержание ванадия выше чем 0,8 мас. % ухудшает шлифуемость стали и снижает прочность.

Введение в состав стали молибдена в количестве 2,0-2,5 мас. % в присутствии предлагаемого количества вольфрама является оптимальным, так как способствует повышению температуры рекристаллизации γ - твердого раствора и замедляет разупрочнение стали, а также приводит к увеличению пластичности и прочности стали, повышает твердость, участвуя в образовании упрочняющей фазы при высоких температурах. Применение предлагаемого количества молибдена с предлагаемым количеством ванадия и хрома значительно повышает окалиностойкость стали. Содержание молибдена ниже чем 2,0 мас. % и выше чем 2,5 мас. % нецелесообразно, так как не оказывает влияния на повышение прочностных свойств и пластичности стали.

Введение в состав стали кобальта в количестве 0,01-0,03 мас. % является оптимальным, так как способствует выделению интерметаллидов при высоких температурах отпуска, повышая твердость, теплостойкость, и улучшает жаропрочность стали. Содержание кобальта менее чем 0,01 мас. % нецелесообразно, так как не приводит к повышению теплостойкости и твердости стали. Содержание кобальта более чем 0,03 мас. % увеличивает количество упрочняющей фазы, что отрицательно влияет на пластичность стали.

Введение в состав стали титана в количестве 0,01-0,02 мас. % является оптимальным, препятствующим возникновению межкристаллитной коррозии, с одновременным увеличением карбидной фазы. Снижение содержания титана меньше чем 0,01 мас. % нецелесообразно, так как при этом не оказывается влияние на межкристаллитную коррозию. Увеличение содержания титана свыше 0,02 мас. % приводит к снижению вязкости стали.

Введение в состав стали никеля в количестве 8,5-8,8 мас. % является оптимальным, так как способствует повышению вязкости, усиливает противодействие росту зерна, улучшает прокаливаемость и механические свойства стали, повышает окалиностойкость и жаропрочность. Снижение содержания никеля ниже чем 8,5 мас. % и повышение содержания никеля более чем 8,8 мас. % нецелесообразно, так как не приводит к положительному влиянию на механические свойства стали. Кроме того, содержание никеля более чем 8,8 мас. % может привести к расслоению.

Введение в состав стали меди в количестве 0,4-0,5 мас. % является оптимальным, так как способствует улучшению прокаливаемости и полируемости стали. Содержание меди менее чем 0,4 мас. % не приводит к повышению прокаливаемости, а при введении меди более чем 0,5 мас. % ухудшается ковкость стали.

Введение в состав стали алюминия в количестве 0,1-0,2 мас. % является оптимальным, так как приводит к увеличению упрочняющей фазы и повышению твердости стали. Снижение количества алюминия менее чем 0,1 мас. % не оказывает положительного эффекта на прочностные свойства стали. При содержании количества алюминия выше чем 0,2 мас. % происходит снижение пластических свойств и ухудшается ковкость стали.

Введение в состав стали азота в количестве 0,05-0,08 мас. % является оптимальным, так как увеличивает прокаливаемость, снижает чувствительность к перегреву, повышает стабильность карбидной фазы; сохраняется значительное преимущество в прочности и вязкости. Введение в состав стали азота в количестве менее 0,05 мас. % снижает прочность, а увеличение количеств азота более 0,08 мас. % приводит к снижению пластичности стали.

Изобретение поясняется таблицей, в которой приведены механические свойства предлагаемой инструментальной стали и известных сталей марок Р6М5 и Р6М3 (закалка на зерно балла 10), отпуск при 560°C, 3 раза.

Изобретение иллюстрируется следующим примером. Предлагаемая инструментальная сталь выплавлялась в открытой индукционной печи. Слитки массой от 12 кг ковались на прутки сечением 12×12 мм для лабораторных исследований. Степень деформации составила 85%. Температура начала ковки равна 1200°C, температура конца ковки - 900°C. Охлаждение после ковки выполнялось до 700°C на воздухе, далее - в песке. Сталь исследовали на механические свойства в холодном и горячем состоянии после закалки и отпуска. Закалка осуществлялась при температуре 1075-1100°C с последующим охлаждением в масле. Твердость после закалки составила HRC54-54. Отпуск осуществлялся нагревом до температуры 560°C три раза, твердость составила HRC 66. Теплостойкость предлагаемой стали составила 630°C.

Для сравнительной оценки использовалась сталь Р6М5 (прототип), твердость которой после закалки и трехразового отпуска при 560°C составила HRC63 (Геллер, Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер. - М.: Металлургия, 1975. - С. 377, табл. 83). Теплостойкость стали Р6М5 для твердости HRC58 составила 620°C (Позняк Л.А. Инструментальные стали: справочник / Л.А. Позняк, С.И. Тишаев, Ю.М. Скрынченко, Ю.Н. Кузьменко и др. - М.: Металлургия, 1977. - С. 128).

Для сравнительной оценки использовалась также сталь Р6М3, твердость которой после закалки и трехразового отпуска при 560°C составила HRC 62,5 (Геллер, Ю.А. Инструментальные стали / Ю.А. Геллер. - М.: Металлургия, 1975. - С. 377, табл. 83). Теплостойкость стали Р6М3 для твердости HRC58 составила 620°C (Позняк Л.А. Инструментальные стали: справочник / Л.А. Позняк, С.И. Тишаев, Ю.М. Скрынченко, Ю.Н. Кузьменко и др. - М.: Металлургия, 1977. - С. 129).

Проведенные испытания показали, что предлагаемая инструментальная сталь обладает оптимальными свойствами, обеспечивает лучшую теплостойкость и механические свойства, такие как твердость, износостойкость и ударная вязкость, по сравнению со сталью Р6М5 - прототипом.

Исследования показали увеличение в 0,9-1,3 раза стойкости инструмента, в частности пуансонов, резцов, сверл, выполненных из предлагаемой инструментальной стали, по сравнению со стойкостью инструмента, выполненного из стали Р6М5 - прототипа. Это позволяет использовать предлагаемую сталь для изготовления, например, матриц и пуансонов выдавливания, режущего инструмента, рабочая поверхность которых нагревается до 650°C.

Таким образом, использование предлагаемого изобретения повышает эксплуатационную стойкость инструмента вследствие увеличения твердости, прочности, ударной вязкости, теплостойкости и окалиностойкости инструментальной стали.

Инструментальная сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, вольфрам, ванадий, молибден и железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит кобальт, титан, никель, медь, алюминий и азот при следующем соотношении компонентов мас.%:

Углерод	0,30-0,35
Кремний	1,3-1,4
Марганец	1,30-1,45
Хром	8,0-8,5
Вольфрам	5,5-6,0
Ванадий	0,7-0,8
Молибден	2,0-2,5
Кобальт	0,01-0,03
Титан	0,01-0,02
Никель	8,5-8,8
Медь	0,4-0,5
Алюминий	0,1-0,2
Азот	0,05-0,08
Железо	Остальное

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.

Нержавеющая сталь для нефтяных скважин и труба из нержавеющей стали для нефтяных скважин // 2583207

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.

Способ получения мартенситной стали со смешанным упрочнением // 2566688

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.%.

Высокопрочная дисперсионно-твердеющая сталь // 2562184

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.

Криогенная обработка мартенситной стали со смешанным упрочнением // 2554836

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.

Штамповый сплав // 2550071

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.

Коррозионностойкая мартенситностареющая сталь // 2532785

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.

Аустенитно-ферритная сталь с высокой прочностью // 2522914

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения высокопрочной теплостойкой проволоки различных типоразмеров и листового материала.

Коррозионностойкая высокопрочная сталь // 2519337

Изобретение относится к области металлургии, а именно к коррозионно-стойким аустенитным хромоникелевым сталям, применяемым при производстве высокопрочного сортового проката.

Сварочная проволока // 2511382

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.

Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь // 2611464

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным коррозионно-стойким сталям аустенитно-мартенситного класса, предназначенным для изготовления высоконагруженных силовых деталей планера, силового крепежа, деталей шасси авиационной техники. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,16-0,19, хром 11,5-12,5, никель 3,5-4,0, молибден 2,3-2,5, кремний 1,5-2,0, кобальт 5,5-6,5, азот 0,07-0,10, марганец 0,2-0,4, иттрий 0,00001-0,05, церий 0,00001-0,05, лантан 0,00001-0,05, неодим 0,00001-0,05, железо – остальное. Сумма концентраций углерода и азота составляет 0,26-0,29 мас.%. Повышается ударная вязкость и сопротивление повторным нагрузкам, снижается скорость развития трещины усталости при сохранении высокого значения предела прочности. 2 табл.

Сплав на основе железа // 2615931

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам сплавов на основе железа, используемых в машиностроении. Сплав содержит, мас.%: углерод 0,2-0,4, кремний 0,2-0,4, никель 4,0-6,0, хром 0,2-0,4, кобальт 0,3-0,8, медь 0,6-0,8, рений 0,05-0,1, ванадий 1,0-1,5, алюминий 1,0-1,5, железо - остальное. Сплав обладает высокой ударной вязкостью. 1 табл.

Демпфирующая сталь и изделие, выполненное из нее // 2623947

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сталям, обладающим высокой демпфирующей способностью, используемым при изготовлении холодно- и горячекатаных листов и полос, сортового проката, прутков и поковок. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,001-0,08, кремний 0,01-0,5, марганец 0,01-0,6, алюминий 3,5-7,0, хром 0,001-0,3, никель 0,001-0,3, медь 0,001-0,3, ванадий 0,0001-0,3, ниобий 0,0001-0,3, молибден 0,001-0,5, сера не более 0,02, фосфор не более 0,02, азот не более 0,015, титан 0,001-0,3, кобальт 0,0001-0,010, железо и неизбежные примеси - остальное. Повышается демпфирующая способность стали и выполненных из нее изделий в области малых (от 0,85×10-4 до 1,15×10-4) и средних (от 1,8×10-4 до 2,2×10-4) амплитуд упругой деформации при сохранении технологических свойств. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 табл.

Теплостойкая и радиационно-стойкая сталь // 2633408

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к сталям для основного оборудования атомных энергетических установок. Теплостойкая радиационно-стойкая сталь содержит, мас. %: углерод 0,10-0,20; кремний 0,02-0,12; марганец 0,02-0,12; хром 1,70-2,10; никель 3,2-5,00; молибден 0,35-0,70; ванадий 0,010-0,15; медь 0,005-0,03; кобальт 0,001-0,03; сера 0,0005- 0,03; фосфор 0,0005-0,003; мышьяк 0,001-0,004; сурьма 0,001-0,004; олово 0,001-0,004; водород 0,00001-0,0001; алюминий 0,015-0,035; висмут 0,001-0,004; свинец 0,001-0,003; азот 0,0001-0,008; кислород 0,0001-0,0030; ниобий 0,005-0,08; цирконий 0,005-0,04, по меньшей мере один редкоземельный металл, выбранный из группы, включающей иттрий, неодим и празеодим 0,005-0,12; железо остальное. Сталь характеризуется высокими значениями предела текучести и предела прочности при температуре эксплуатации до 400°C. Обеспечиваются низкие значения критической температуры хрупкости, высокая стойкость к охрупчиванию при термическом воздействии и нейтроном облучении. 1 з.п. ф-лы.

Теплостойкая и радиационно-стойкая сталь // 2634867

Изобретение относится к области металлургии, а именно к теплостойким радиационно-стойким сталям, используемым для изготовления основного оборудования атомных энергетических установок. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,10-0,20, кремний 0,02-0,40, марганец 0,02-0,6, хром 2,0-2,5, никель 1,25-2,0, молибден 0,35-0,7, ванадий 0,10-0,15, медь 0,005-0,03, кобальт 0,001-0,03, сера 0,0005-0,003, фосфор 0,0005-0,004, мышьяк 0,001-0,004, сурьма 0,001-0,004, олово 0,001-0,004, водород 0,00001-0,00012, алюминий 0,015-0,035, азот 0,0001-0,008, кислород 0,0001-0,0030, висмут 0,001-0,004, свинец 0,001-0,004, железо - остальное. Повышаются служебные и технологические характеристики стали, а именно предел текучести и предел прочности при температуре эксплуатации до 400°C, обеспечиваются гарантированно низкие значения критической температуры хрупкости, повышается стойкость к охрупчиванию при термическом воздействии и нейтронном облучении. 3 з.п. ф-лы.

Сплав на основе железа // 2647958

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам сплавов на основе железа, которые могут быть использованы в машиностроении. Сплав на основе железа содержит, мас. %: углерод 0,2-0,4; кремний 0,03-0,05; никель 14,0-16,0; хром 0,2-0,4; кобальт 1,0-1,8; ванадий 24,0-26,0; алюминий 4,0-6,0; железо - остальное. Сплав характеризуется высокой ударной вязкостью. 1 табл.