ИЗНОСОСТОЙКАЯ СТАЛЬ

Название	ИЗНОСОСТОЙКАЯ СТАЛЬ
Разработчик (Авторы)	Еремин Евгений Николаевич, Лосев Александр Сергеевич, Бородихин Сергей Александрович, Пономарев Иван Андреевич
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2744600
Дата регистрации	11.03.2021
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный технический университет"(ОмГТУ)
Область применения (класс МПК)	C22C 38/14 (2006.01) C22C 38/12 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к металлургии, в частности к материалам высокой износостойкости, используемых для изготовления деталей работающих в условиях контактно-динамического нагружения с воздействием абразива, например ходовой части гусеничных машин.

Известна сталь для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного износа с незначительными ударными нагрузками (авторское свидетельство СССР SU № 1070203, C22c 38/50, опубл. Б.И. № 4, 1984), содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. %:

Сталь известного состава имеет структуру нестабильного аустенита с карбидным упрочнением. Недостатком сплава является его низкая исходная твердость (290–350 HB), что не обеспечивает его высокую износостойкость в начальный период работы.

Известна сталь для изготовления деталей криогенной техники (патент Англии GB № 1159098 C22c 39/30, опубл. 1969), содержащая компоненты в следующем соотношении, %:

Структура стали представляет собой безуглеродистый мартенсит. Специфика легирования этой стали заключается в использовании лишь незначительного эффекта дисперсионного твердения. После закалки такая сталь имеет твердость около 25 HRC, а после старения всего лишь 39 HRC, что не позволяет использовать её в качестве износостойкого материала.

Наиболее близкой по химическому составу и назначению является марганцовистая сталь для изготовления прокатных валков, деталей песковых и грязевых насосов (патент РФ RU № 2327806, C22c 38/60, опубл. Б.И. № 18, 2008), содержащая, мас. %:

Сталь известного состава имеет структуру нестабильного аустенита с карбидно-боридно-нитридным упрочнением. Недостатком сплава является низкая износостойкость при работе в условиях контактно-ударного нагружения с интенсивным абразивным воздействием. Кроме того, известная сталь склонна к образованию трещин. Поэтому получить отливки из стали подобного состава без трещин сложно.

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание стали высокого качества по содержанию вредных примесей, и повышение сопротивляемости ударным нагрузкам при высокой её стойкости против абразивного изнашивания и трещинообразования.

Технический результат достигается за счет того, что сталь включающая углерод, кремний, марганец, титан, азот, бор и железо дополнительно содержит молибден, ванадий, алюминий, серу, фосфор, кислород и водород в следующем соотношении элементов, мас. %:

В предлагаемой стали концентрация углерода установлена в пределах 0,2–0,6 %. Снижение её более, чем в два раза по сравнению с прототипом повышает стойкость стали к ударным нагрузкам и снижает склонность к трещинообразованию, а в сочетании с предложенным процентном соотношении других компонентов позволяет получить сталь с достаточно высокой твердостью и износостойкостью.

Введение 2,0–4,0 % молибдена обеспечивает образование боридной эвтектики и однородное выделение карбидов, повышение их дисперсности при старении, а также позволяет применить более высокую температуру старения для повышения пластичности и вязкости при сохранении равной твердости с составом стали без молибдена. Боридная эвтектика, располагаясь в виде каркаса по границам зерен в процессе кристаллизации, воспринимает часть энергии ударов и рассредоточивает её на большую площадь поверхности, что увеличивает стойкость металла, как к ударным нагрузкам, так и к трещинообразованию. Содержание молибдена в предлагаемой стали менее нижнего предела ведет к образованию недостаточного количества боридной эвтектики и карбидов, что не обеспечивает достаточно высокую пластичность и трещиноустойчивость такой стали. При содержании более 4% молибден, связывая значительное количество углерода в специальные карбиды, обедняет твердый раствор этим компонентом, ухудшает пластические свойства и снижает стойкость к трещинообразованию.

Введение 0,5-1,0% ванадия являющегося сильным карбидо и нитридообразователем, повышает твердость и износостойкость, что важно для изделий, работающих в условиях больших контактных нагрузок. Ванадий является хорошим модификатором, позволяющим значительно измельчить зерно, предупреждает рост крупных столбчатых кристаллов, в результате чего устраняется возможность образования трещин. В месте с тем при введении ванадия в сталь образуются комплексные титанованадиевые карбиды (TiV)C твердость, которых превышает твердость монокарбидов титана и ванадия. Повышение твердости карбидной фазы способствует повышению износостойкости стали при абразивном изнашивании. При содержании ванадия в стали до 0,5% не достигается необходимый уровень трещиноустойчивости из-за недостаточного измельчения структуры стали. При увеличении содержания ванадия более 1,0% в стали вместо специальных титанованадиевых карбидов появляются менее износостойкие карбиды цементитного типа охрупчивающие сталь.

Введение алюминия в пределах 0,2-0,8 % способствует раскислению, предлагаемой стали, обеспечивает модифицирование и усиливает эффективность дисперсионного твердения. Алюминий приводит к образованию мелкозернистой структуры за счет образования нитридов, служащих дополнительными центрами кристаллизации. В свою очередь мелкозернистая структура повышает износостойкость, так как при абразивном воздействии сопротивление частиц отрыву значительно выше, чем при крупнозернистом строении металла. Образование дополнительных центров кристаллизации приводит также к устранению столбчатости структуры, а следовательно к выравниванию свойств отливки во всех сечениях, и кроме того снижает склонность металла к образованию трещин. При концентрации алюминия менее 0,2% заметного эффекта не наблюдается. При повышении концентрации алюминия свыше 0,8% в структуре появляется ферритная составляющая, снижающая прочностные характеристики и износостойкость.

Совместное введение молибдена, ванадия и алюминия обеспечивает более эффективное дисперсионное упрочнение стали в процессе отпуска (старения) при температурах выше 500 °С, максимальная степень которого достигает 11 HRC.

Предложенная композиция элементов обеспечивает комплексное дисперсное упрочнение стали за счет образования карбидных, боридных, нитридных и интерметаллидных фаз при вторичном твердении.

Наличие в высоколегированных сплавах растворенного кислорода, водорода, серы и фосфора отрицательно влияет на механические свойства металла и устойчивость против трещин. Это объясняется тем, что в загрязненном данными элементами сплаве энергия деформации, сосредоточиваются главным образом у структурных дефектов (в основном у неметаллических включений), поэтому по сечению детали энергия распределяется неравномерно. Содержание в сплаве кислорода в пределах 0,0024-0,0044%; водорода в пределах 0,0002-0,0006%; серы 0,006-0,019%; фосфора 0,011-0,017% обеспечивает отсутствие крупных включений, что позволяет распределять энергию деформаций равномерней и значительно повышать выносливость металла в условиях ударных нагрузок.

Пример конкретного выполнения. Были выплавлены три состава предлагаемой стали на нижнем, среднем и верхнем пределах содержания компонентов, а так же два состава стали при содержании элементов ниже нижнего и выше верхнего пределов. Для сравнительной оценки была получена сталь известного состава (прототип) на среднем пределе содержания компонентов (табл. 1).

Таблица 1

Химический состав плавок по основным легирующим элементам контролировали с помощью оптического эмиссионного спектрометра ДФС-500. Содержание углерода в плавках определяли методом инфракрасной спектроскопии путем сжигания пробы при температуре 1350 °С в атмосфере кислорода с использованием анализатора МЕТАВАК-CS30. Содержание азота в плавках определяли методом плавления пробы при температуре 2500 °С в атмосфере гелия с использованием анализатора МЕТАВАК-АК.

Изучение свойств литого металла производили на образцах, вырезанных из полученных заготовок в литом состоянии и после старения (500 °С - 2 час). Твердость по Роквеллу измеряли на приборе ТК-2 (за величину твердости бралось среднее значение твердости - 5 замеров).

Испытания на износ проводили на лабораторной установке в условиях мокрого абразивного трения металла о металл (диск-кулачок) при удельном давлении на изнашиваемых поверхностях 1 МПа. Полученные результаты выражались в виде коэффициента относительной износостойкости е, численно равного отношению весовых потерь эталона (сталь 30Х13) и испытуемого металла за одинаковое время.

Испытания на стойкость состаренного литого металла к хрупкому разрушению проводили на молоте МА4129 при энергии удара
0,1 кДж. При этом количество ударов до появления первой трещины являлось критерием определения стойкости металла к хрупкому разрушению.

Результаты испытаний приведены в таблице № 2.

Таблица 2

Результаты испытаний

Приведенные в таблице 2 результаты испытаний показывают, что составы сталей NN 2-4 являются оптимальными и обеспечивают получение состаренного металла повышенной твердости и высокой износостойкости не склонного к хрупкому разрушению и трещинообразованию.

Анализ результатов испытаний показал, что, по сравнению со сталью – прототипом, предлагаемые составы новой стали позволяют увеличить коэффициент относительной износостойкости литого металла е с 2,2 до 2,4-3,1 при этом стойкость к хрупкому разрушению повышается в 2,8-4,2 раза.

Такие свойства металла заявленных составов можно объяснить тем, что вследствие введения молибдена, ванадия и алюминия удается получить новый композиционный дисперсионно-твердеющий металл с боридной эвтектикой и большим количеством высокопрочных дисперсных фаз, дополнительно упрочняющийся в результате старения, и приобретающий вследствие этого повышенную стойкость в условиях ударно-абразивного износа.

Металл отливок в зависимости от концентрации легирующих элементов имеет твердость 40ч45 HRC, после старения при 500 °С в течение 2 часов 48ч54 HRC.

Использование предложенной стали для изготовления деталей ходовой части гусеничных машин позволяет значительно повысить их износостойкость и срок службы.

Данное техническое решение создано в рамках выполнения гранта РНФ Соглашение № 17-19-01224.

Формула изобретения

Износостойкая сталь для изготовления деталей, работающих в условиях контактно-динамического нагружения с воздействием абразива, содержащая углерод, кремний, марганец, титан, азот, бор, молибден, ванадий, алюминий, серу, фосфор, кислород, водород и железо, отличающаяся тем, что она содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

Изобретение "ИЗНОСОСТОЙКАЯ СТАЛЬ" (Еремин Евгений Николаевич, Лосев Александр Сергеевич, Бородихин Сергей Александрович, Пономарев Иван Андреевич) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога