Вал (варианты)
Полезная модель относится к черной металлургии, в частности к изделиям из стали преимущественно мартенситной структуры, которые предназначены для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой. Изделие из дисперсионно-твердеющей стали, согласно полезной модели, выполнено в виде прутка, например, в виде вала погружного электродвигателя или гидрозащиты, из дисперсионно-твердеющей стали, содержащей химические элементы, в мас.%:
| С |  0,15, |
| Ni | 2,5÷9,0, |
| по крайней мере, один из элементов: медь, ванадий, ниобий | 0,01÷4,5, |
| железо и примеси | остальное, |
при разработанных в полезной модели условиях, ограничивающих содержание в свободном виде суммарного содержания меди, ниобия и ванадия в зависимости от содержания никеля, а для корозионно-стойких сталей в зависимости от содержания никеля и хрома. Изделие изготовлено при помощи термо- и механической обработки. Техническим результатом является изделие из дисперсионно-твердеющей стали, обладающее повышенной прочностью при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости с одновременным повышением стабильности механических свойств стали во время эксплуатации, за счет оптимально подобранных соотношений компонентов стали и, как следствие, оптимального использования механизмов карбидного и дисперсионного упрочнения стали. 3 н.п. ф-лы, 7 з.п. ф-лы.
Полезная модель относится к черной металлургии, в частности к изделиям из стали преимущественно мартенситной структуры, которые предназначены для изготовления высоконагруженных деталей, работающих на кручение и изгиб под динамической нагрузкой.
Известно изделие из стали следующего состава, в мас.%:
углерод - 0,06-0,08,
хром - 13,5-15,3,
никель - 8,5-9,5,
алюминий - 0,7-1,0,
марганец - 0,3-0,8,
ванадий - 0,05-0,1,
лантан - 0,05-0,1,
железо - остальное. (см. SU №836193, 07.06.1981 г., 3 С22С 38/46)
Из уровня техники также известны изделия из дисперсионно-твердеющей стали, содержащей углерод, кремний, хром, никель, кобальт, молибден, ванадий, ниобий, железо, и дополнительно содержащей вольфрам, церий, лантан, кальций и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 0,12-0,19,
Кремний 0,1-0,6,
Марганец 0,1-0,6,
Хром 14-15,
Никель 2,3-3,3,
Кобальт 1,0-4,0,
Молибден 1,5-2,3,
Ванадий 0,1-0,2,
Вольфрам 0,5-0,8,
Ниобий 0,06-0,12,
Церий 0,005-0,05,
Лантан 0,005-0,05,
Кальций 0,005-0,05,
Азот 0,05-0,1,
Железо Остальное.
(RU 2296177 C1, 27.03.2007, МПК С22С 38/52 (2006.01)).
Из уровня техники также известно изделия из высокопрочной нержавеющей стали. Нержавеющая сталь содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: С 0,01-0,07; Мn 0,3-1,8; Si до 1,0; Cr 14-18; Ni 2,0-5,0; Сu 1,0-4,0; Nb 0,01-1,0; N 0,01-0,12; Al+Ti 0,01-2; Fe и сопутствующие примеси - остальное. По меньшей мере, один из компонентов: алюминий, титан, образует интерметаллидные соединения с никелем. Дальнейшее повышение прочностных свойств и коррозионной стойкости стали достигается введением бора (RU 2263155 C1, 27.10.2005, МПК 7 С22С 38/50, С22С 38/54, С22С 38/58).
Недостаток известных изделий из стали состоит в недостаточном сочетании прочности и пластичности, нестабильности структуры стали, в результате чего со временем при эксплуатации механические свойства изделия из стали могут ухудшаться.
Задачей, решаемой полезной моделью, является создание изделия из дисперсионно-твердеющей стали, обладающего повышенной прочностью при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости с одновременным повышением стабильности механических свойств стали во время эксплуатации.
Указанная задача в части первого варианта изделия решается тем, что изделие из дисперсионно-твердеющей стали, согласно полезной модели, выполнено в виде прутка из дисперсионно-твердеющей стали, содержащей химические элементы, в мас.%:
| С | 0,15, |
| Ni | 2,5÷9,0, |
| по крайней мере, один из | 0,01÷4,5, |
элементов: медь, ванадий,
ниобий
| железо и примеси | остальное, |
при условии выполнения следующих соотношений:
Cu+Vэф+Nbэф2,5+0,3·Ni, где Vэф=V-4,2·
- содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nbэф Nb-7,8·С
0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, например, в виде вала погружного электродвигателя или гидрозащиты.
Указанная задача в части второго варианта изделия решается за счет того, что изделие из дисперсионно-твердеющей стали, согласно полезной модели, выполнено в виде прутка из дисперсионно-твердеющей стали, содержащей химические элементы, в мас.%:
| С | 0,15, |
| Сr | 11,5÷17,0, |
| Ni | 2,5÷9,0, |
| По крайней мере, один из | 0,01÷4,5, |
элементов: медь, ванадий,
ниобий
| железо и примеси | остальное, |
при условии выполнения следующих соотношений:
Сu+Vэф+Nbэф2,5+0,3·Ni и Ni+30-Cсв+0,3·Cu=K 1-K2·(Cr+Vэф +Nbэф), где Vэф=V-4,2·
- содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nbэф=Nb-7,8·С0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Ссв=С-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшееся после образования карбидов ванадия и ниобия, a K1=17,5±2,0; К 2=0,68±0,1, например, в виде вала погружного насоса, газосепаратора или гидрозащиты.
Указанная задача в части третьего варианта изделия решается тем, что изделие из дисперсионно-твердеющей стали, согласно полезной модели, выполнено в виде прутка из дисперсионно-твердеющей стали, содержащей химические элементы, в мас.%:
| С | 0,15, |
| Сr | 11,5÷17,0, |
| Ni | 2,5÷9,0, |
| Si | 0,2÷1,0, |
| Mn | 0,2÷3,0, |
| Mo | 0,01÷5,0, |
| Al+Ti | 0,001÷0,9, |
| В | 0,01, |
| Cа | 0,02, |
| Се | 0,02, |
| S | 0,03, |
| P | 0,03, |
| N | 0,005÷0,15, |
| по крайней мере, один из | 0,01÷4,5, |
элементов: медь, ванадий,
ниобий
| железо и примеси | остальное, |
при условии выполнения следующих соотношений:
Сu+Vэф+Nbэф2,5+0,3·Ni и
Ni+30.C св+0,3.Cu=K1 -K2·(Cr+Mo+Vэф +Nbэф), где Vэф=V-4,2·
- содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nbэф=Nb-7,8·С0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Ссв.=С-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшееся после образования карбидов ванадия и ниобия, a K1=17,5
±2,0; К2=0,68±0,1, например, в виде вала погружного насоса, газосепаратора или гидрозащиты.
Изделие может быть изготовлено с помощью термообработки при температуре (200÷600)°С с выдержкой (1÷7) часов.
Изделие может быть изготовлено при помощи механической обработки резанием поверхности изделия, которое произведено до или после термической обработки.
Изделие может иметь предел текучести (90÷165) кг/мм2 и ударную вязкость не менее 7 кг см/см2.
Окончательная обработка поверхности изделия может быть произведена методом шлифования или/и полирования.
Изделие может быть выполнено из стали, содержащей, по крайней мере, один из следующих дополнительных компонентов: барий, редкоземельные металлы, цирконий, иттрий, магний, мышьяк, селен, тантал. Каждый дополнительный компонент содержится в количестве 0,001÷0,1 мас.%.
Изделие может быть выполнено из стали, которая дополнительно содержит кобальт в количестве не более 5 мас.%.
Техническим результатом является изделие из дисперсионно-твердеющей стали, обладающее повышенной прочностью при удовлетворительной пластичности и ударной вязкости с одновременным повышением стабильности механических свойств стали во время эксплуатации, за счет оптимально подобранных соотношений компонентов стали и, как следствие, оптимального использования следующих механизмов упрочнения стали:
Высокая прочность достигается за счет двух механизмов упрочнения стали:
1) Карбидное упрочнение - в результате выделения карбидов ванадия и ниобия, которые выделяются равномерно по объему зерна, препятствуют движению дислокации и, таким образом, придают повышенную прочность стали.
Степень карбидного упрочнения определяется содержанием углерода в стали. С увеличением содержания углерода растет степень упрочнения стали, но одновременно ухудшаются пластические свойства и ударная вязкость. Превышение содержание углерода более 0,15 мас.% приведет к значительному снижению пластичности и ударной вязкости, что является неблагоприятным для условий работы изделий при динамических нагрузках.
Для изделий эксплуатирующихся в условиях значительных динамических нагрузок, необходимо получить высокую пластичность и ударную вязкость стали. В этом случае стремятся к минимальному содержанию углерода в стали, которые определяется конкретными условиями металлургического процесса выплавки стали.
В сталях образуются карбиды типа NbC, VC в соотношениях Nb=7,8·С, V=4,2·С, по которым можно определить количество Nb и V, связанных в карбидах.
2) Дисперсионное упрочнение происходит в мартенситной структуре стали в результате выделения интерметаллидов типа Ni 3Cu, Ni3V, Ni3 Nb в процессе термической обработки («старения»).
Степень упрочнения стали при дисперсионном старении будет определяться количеством выделившейся интерметаллидной фазы.
С точки зрения увеличения упрочнения стали необходимо стремиться ввести большее количество Сu, Nb и V. При избыточном легировании Сu, Nb и V эти элементы будут находиться в свободном виде. В этом случае может наблюдаться снижение пластических свойств, особенно ударной вязкости.
Cu+ Vэф +Nb эф2,5+0,3·Ni, где Vэф=V-4,2·
- содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nbэф=Nb-7,8·С0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов.
Указанное выше выражение ограничивает предельное содержание в стали Сu, Nb и V в зависимости от содержания Ni, и, как следствие, ограничивает их содержание в свободном виде.
Содержание никеля определяется из условий достижения требуемого сочетания прочности и пластичности стали. При повышении содержания никеля можно ввести в сталь больше количества меди, ниобия и ванадия тем самым, получив высокую прочность.
При содержании никеля более 9 мас.% и суммарного содержания меди, ванадия, ниобия более 4,5 мас.% сталь приобретет высокую прочность, но пониженную пластичность и ударную вязкость.
При содержании никеля менее 2,5 мас.% железо-никелевый состав стали претерпевает фазовые изменения, переходя из мартенситного состояния в ферритную фазу. В этом случае происходит значительное снижение прочности стали.
В случае эксплуатации изделий в агрессивных средах сталь должна обладать коррозионной стойкостью. Для этого в сталь вводится хром в количестве не менее 11,5 мас.%. С повышением содержания хрома коррозионные свойства стали повышаются. При содержании хрома более 17,5 мас.% получение мартенситной структуры становится невозможным, сталь переходит в двухфазное аустенитно-ферритное состояние с пониженной прочностью.
Для обеспечения мартенситной структуры ограничивают предельное содержание в стали Сu, Nb и V в зависимости от содержания Ni и Сr, то есть обеспечивают выполнение следующих соотношений легирующих элементов:
Ni+30·C св+0,3·Cu=K1-K 2·(Cr+ Vэф+Nb эф), где Vэф=V-4,2·
- содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nbэф=Nb-7,8·С0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Ccв.=C-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшееся после образования карбидов ванадия и ниобия, a K1=17,5
±2,0; К2=0,68±0,1, - коэффициенты, определенные эмпирическим путем, в мас.%, введенные для ограничения пределов содержания в стали Сu, Nb и V в зависимости от содержания Ni и Сr для обеспечения мартенситной структуры стали.
С целью повышения прочности стали в нее дополнительно вводят Аl и Ti, которые образуют, дополнительно, интерметаллиды типа Ni 3 (Al;Ti).
При содержании Аl и Ti в сумме менее 0,001 мас.% прочностные свойства стали будут снижаться, с повышением концентрации Аl и Ti прочностные свойства возрастают, при этом снижается ударная вязкость стали.
При содержании Аl и Ti в сумме более 0,9 мас.% массы ударная вязкость будет иметь неудовлетворительно низкое значение. Сталь будет невозможно использовать в изделиях работающих при значительных динамических нагрузках.
Молибден вводится в сталь в указанных пределах с целью повышения коррозионной стойкости, повышения твердости, а также для предотвращения отпускной хрупкости 2 рода, которая наблюдается при медленном охлаждении стали в процессе термообработки при температурах около 500°C.
Допускается замена молибдена вольфрамом из расчета три весовых части вольфрама на одну весовую часть молибдена. В этом смысле эти элементы эквивалентны.
Введение в сталь бора в количестве менее 0,010 мас.% способствует некоторому улучшению ударной вязкости за счет очищения границ зерен от вредных примесей. Легирование стали бором в количестве более 0,010 мас.% может привести к ухудшению пластических свойств.
Для улучшения обрабатываемости стали режущим инструментом дополнительно вводится кальций и цезий количестве не более 0,02 мас.% каждого элемента.
Введение в сталь азота способствует образованию более сложных карбонитридов ниобия, ванадия и способствует дополнительному приросту прочности.
Содержание азота менее 0,005 мас.% практического влияния на образование карбонитридов не оказывает.
При содержании азота более 0,15 мас.% возникает повышенное количество неметаллических включений нитридов алюминия, титана и др., приводящее к снижению ударной вязкости.
Сера и фосфор - вредные примеси в стали. Их содержание в стали стараются понизить до технологически приемлемого уровня - 0,03 мас.%.
Марганец и кремний в пределах от 0,2 мас.% до 1,0 мас.% каждый используется в качестве технологических добавок для раскисления стали, причем марганец в пределах от 0,2 мас.% до 3,0 мас.% используется не только для раскисления, но и для улучшения физических свойств стали, таких как ударная вязкость и твердость. При содержании марганца более 3,0 мас.% недопустимо снижается ударная вязкость.
Пример.
Сталь для изделия выплавляли в основной дуговой электропечи. Разливка стали осуществлялась в слитки 1,15 т. Слитки прокатывались на блюминге на заготовки квадрат 100 мм. Заготовки прокатывались на мелкосортном стане на прутки диаметром 20 мм и длиной 5400 мм.
Прутки подвергались термической обработке по режиму: нагрев до 600°С, выдержка четыре часа с последующим охлаждением на воздухе.
На готовых изделиях в виде прутков определялись механические свойства.
Испытания механических свойств проводили по ГОСТ 1497-84, ударной вязкости по ГОСТ 9454-78.
Стойкость стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородной среде проводили по методике стандарта NACE ТМ 0177-96 (США). Образец помещался в среду водного раствора сероводорода и к нему прикладывалось растягивающее усилие, которое создавало напряжение в металле равное 70% от предела текучести стали. Стойкость стали к коррозионному растрескиванию под напряжением в сероводородной среде
определялось как время, прошедшее с начала испытаний до полного разрушения образца. Химический состав стали, выплавленной с различным содержанием компонентов, результаты испытаний механических свойств и коррозионных испытаний приведены в таблицах 1, 2.
ERROR
Химический состав стали изделия №1 соответствует первому варианту формулы полезной модели, сталь имеет удовлетворительные механические характеристики. Состав стали изделия №2 имеет повышенное содержание углерода, ударная вязкость пониженная. Состав стали изделия №3 имеет пониженное содержание никеля, низкие прочностные свойства.
Состав стали изделия №4 соответствует второму варианту формулы полезной модели, сталь имеет удовлетворительные механические и коррозионные характеристики. Состав стали изделия №5 имеет избыточное содержание Сu, V, Nb, и, как следствие, пониженное значение ударной вязкости. Состав стали изделия №6 - повышенное содержание никеля, что в совокупности с другими элементами приводит к нарушению выполнения соотношений, указанных в формуле и, как следствие, приводит к низким прочностным свойствам изделия из стали из-за избыточного содержания аустенита. Состав стали изделия №7 - содержание никеля ниже расчетного по формуле, сталь имеет низкие прочностные свойства и ударную вязкость.
Состав стали изделия №8 соответствует третьему варианту формулы полезной модели, сталь имеет удовлетворительные механические характеристики. Состав стали изделия №9 соответствует третьему варианту формулы полезной модели, за счет повышенного содержания Аl и Ti имеет более высокую прочность, повышенное содержание Мо обеспечивает лучшую коррозионную стойкость. Состав стали изделия №10 - повышенное содержание никеля и хрома, что в совокупности с другими элементами превышает допустимое ограничение соотношения, указанного в третьем варианте формулы и, как следствие, приводит к низким прочностным свойствам стали из-за избыточного содержания аустенита.
Составы стали изделий №№1, 4, 8, 9 соответствуют полезной модели.
1. Вал, например, погружного электродвигателя или гидрозащиты, характеризующийся тем, что он выполнен из прутка из дисперсионно-твердеющей стали и содержит химические элементы, мас.%:
| C | 0,15, |
| Ni | 2,5÷9,0, |
| по крайней мере, один из | |
| элементов: медь, ванадий, | |
| ниобий | 0,01÷4,5, |
| железо и примеси | остальное, |
при условии выполнения следующих соотношений:
Cu+ Vэф+Nbэф2,5+0,3·Ni,
где Vэф=V-4,2·
- содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nbэф=Nb-7,8·С0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов,
причем изделие изготовлено при помощи термо- и механической обработки.
2. Вал, например, погружного электродвигателя или гидрозащиты, характеризующийся тем, что он выполнен из прутка из дисперсионно-твердеющей стали и содержит химические элементы, мас.%:
| C | 0,15, |
| Cr | 11,5÷17,0, |
| Ni | 2,5÷9,0, |
| по крайней мере, один из | |
| элементов: медь, ванадий, | 0,01÷4,5, |
| железо и примеси | остальное, |
при условии выполнения следующих соотношений:
Cu+ Vэф+Nbэф2,5+0,3·Ni и Ni+30·Cсв+0,3·Cu=K 1-K2·(Cr+Vэф +Nbэф),
где Vэф =V-4,2·
- содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nbэф=Nb-7,8·С0 - содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Cсв=C-Nb/7,8 -V/4,2 - содержание углерода, оставшееся после образования карбидов ванадия и ниобия, a K1=17,5±2,0; K 2=0,68±0,1,
причем изделие изготовлено при помощи термо- и механической обработки.
3. Вал, например, погружного электродвигателя или гидрозащиты, характеризующийся тем, что он выполнен из прутка из дисперсионно-твердеющей стали и содержит химические элементы, мас.%:
| C | 0,15, |
| Cr | 11,5÷17,0, |
| Ni | 2,5÷9,0, |
| Si | 0,2÷1,0, |
| Mn | 0,2÷3,0, |
| Mo | 0,01÷5,0, |
| Al+Ti | 0,001÷0,9, |
| В | 0,01, |
| Ca | 0,02, |
| Ce | 0,02, |
| S | 0,03, |
| P | 0,03, |
| N | 0,005÷0,15, |
| по крайней мере, один из | |
| элементов: медь, ванадий, | |
| ниобий | 0,01÷4,5, |
| железо и примеси | остальное, |
при условии выполнения следующих соотношений:
Cu+ Vэф+Nb эф2,5+0,3·Ni и
Ni+30·Ссв +0,3·Cu=K1-K2 ·(Cr+Mo+Vэф+Nbэф ),
где Vэф=V-4,2· содержание ванадия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов, Nbэф=Nb-7,8·С0- содержание ниобия в свободном виде, оставшееся после образования карбидов Cсв=C-Nb/7,8-V/4,2 - содержание углерода, оставшееся после образования карбидов ванадия и ниобия, a K1=17,5±2,0; K 2=0,68±0,1,
причем изделие изготовлено при помощи термо- и механической обработки.
4. Вал по п.3, отличающийся тем, что он изготовлен с помощью термообработки при температуре 200÷600°С с выдержкой 1÷7 ч.
5. Вал по п.4, отличающийся тем, что он изготовлен при помощи механической обработки резанием поверхности прутка, который произведен до или после термической обработки.
6. Вал по п.3, отличающийся тем, что окончательная обработка поверхности вала произведена методом шлифования или/и полирования.
7. Вал по п.4, отличающийся тем, что он имеет предел текучести 90÷165 кг/мм 2 и ударную вязкость не менее 7,0 кгс·м/см 2.
8. Вал по п.3, отличающийся тем, что он выполнен из стали, содержащей, по крайней мере, один из следующих дополнительных компонентов: барий, редкоземельные металлы, цирконий, иттрий, магний, мышьяк, селен, тантал.
9. Вал по п.8, отличающийся тем, что каждый дополнительный компонент содержится в количестве 0,001÷0,1 мас.%.
10. Вал по п.3, отличающийся тем, что оно выполнено из стали, которая дополнительно содержит кобальт в количестве не более 5 мас.%.
