Результат интеллектуальной деятельности: Высокопрочная коррозионно-стойкая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к высокопрочным коррозионностойким сталям для подшипников качения, обладающим высокими эксплуатационными характеристиками.

Известна коррозионностойкая сталь мартенситного класса следующего химического состава, масс. %:

(Европейский патент №ЕР 2159295 В1, опубл. 31.12.2014 г.). Разработанная сталь имеет высокую коррозионную стойкость, хорошую обрабатываемость резанием, не склонна к образованию трещин при горячей деформации и обладает высоким уровнем прочности. После термической обработки обеспечивается твердость не менее 60 HRC с формированием небольшого количества остаточного аустенита. В основном сталь применяется для изготовления различных типов подшипников, шестерен, болтов, штампов и режущих инструментов, которые требуют высокой твердости после термообработки, износостойкости и коррозионной стойкости.

Основным недостатком приведенной стали является низкая растворимость азота в твердом растворе. При выплавке стали в открытых печах и введении азота 0,25% в слитке формируются внутренние дефекты в виде пор и раковин.

Известна высокопрочная азотсодержащая коррозионностойкая сталь мартенситного класса XD15NW следующего химического состава, масс. %:

(Брошюра стали XD15NW / Дизайн: AFFINITY Aubert & Duval^© 03/2010 [сайт]. URL: https://www.aubertduval.com/wp-media/uploads/2017/05/Brochure_XD15NW_01.pdf). Коррозионностойкая сталь нашла широкое применение при изготовлении деталей подшипников различных типов. Окончательная термическая обработка стали позволяет обеспечить твердость 59,5 HRC, предел прочности 2350 МПа и предел текучести 1580 МПа.

Недостатком указанной стали является низкая ударная вязкость KV 5,5 Дж после термической обработки, что ограничивает область применения стали, в том числе при производстве различных типов подшипников, работающих в сложных условиях эксплуатации.

Наиболее близким аналогом, взятым за прототип является нержавеющая сталь марки Cronidur 30 следующего химического состава, масс. %:

(Брошюра стали Cronidur 30 / Дизайн: © Energietechnik Essen GmbH 01/12/2003 [сайт]. URL: https://www.spacematdb.com/spacemat/manudatasheets/datenblatt_cronidur30.pdf). Сталь предназначена только для холодной обработки и применяется в основном для изготовления подшипников качения, ножей, режущих инструментов, редукторов, экструдеров, сверл и различного рода креплений.

Нержавеющая сталь практически не содержит остаточного аустенита, что обеспечивает твердость 58-60 HRC и предел прочности 2150 МПа. В связи с отсутствием остаточного аустенита сталь имеет недостаточную ударную вязкость (КС 80 Дж/см²) на образцах без надреза, что не позволяет гарантировать высокую надежность и длительный срок службы изделий.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка высокопрочной коррозионностойкой стали с улучшенными механическими и эксплуатационными свойствами.

Техническим результатом является создание стали обладающей твердостью не менее 58 HRC, прочностью не менее 2250 МПа и ударной вязкостью KCU не менее 25 Дж/см², без надреза КС не менее 120 Дж/см², и мелким зерном 9-10 балла, что позволит значительно увеличить ресурс работоспособности подшипников качения.

Для достижения поставленного технического результата предложена высокопрочная коррозионностойкая сталь для подшипников качения, выплавляемая в вакуумно-индукционной печи с последующим электрошлаковым переплавом для введения азота под давлением, содержащая углерод, азот, хром, никель, молибден, кремний, марганец, железо, причем она дополнительно содержит лантан, иттрий и ванадий при следующем соотношении компонентов, масс. %::

Введение ванадия обеспечивает наряду с измельчением зерна получение высокого предела прочности и твердости не менее 58 HRC за счет образования карбонитридов ванадия. Измельчение ванадием структуры повышает способность стали к пластической деформации без образования горячих трещин. Более высокое содержание никеля (до 1%) позволяет обеспечить повышение ударной вязкости при испытании образцов с надрезом и без надреза.

Дополнительное микролегирование стали лантаном и иттрием наряду с измельчением зерна позволяет добиться повышения чистоты стали по примесям и неметаллическим включениям.

Таким образом, за счет уменьшения содержания азота, увеличения никеля, легирования ванадием, а также микролегирования лантаном и иттрием при заявленном содержании и соотношении компонентов существенно увеличивается ударная вязкость при сохранении высокой прочности, твердости и коррозионной стойкости высокопрочной стали.

Примеры осуществления

В условиях ФГУП «ВИАМ» проводили опробование предлагаемой стали, выплавленной в вакуумно-индукционной печи без легирования азотом для получения электродов под последующий электрошлаковый переплав с введением азота под давлением (ЭШПД), что позволило получить заданное высокое содержание азота без образования пор и внутренних дефектов с минимальным количеством кислорода и серы. Химический состав и механические свойства предлагаемой стали и известной стали-прототипа приведены в таблицах 1, 2.

После ЭШПД слитки подвергали высокотемпературному гомогенизирующему отжигу для уменьшения ликвационной неоднородности металла, увеличения структурной однородности и изотропности механических свойств. С целью улучшения обрабатываемости резанием при механической обработке слитки подвергали отжигу.

Для получения прутков диаметром или со стороной квадрата от 14 до 50 мм слитки и заготовки предлагаемой стали подвергали горячей пластической деформации (ковке). После отжига из прутков изготавливали образцы для определения твердости с целью контроля качества термической обработки. Перед закалкой для удаления металлургического водорода применяли отпуск. На образцах после закалки, обработки холодом и двукратного отпуска обеспечивалась твердость не менее 58 HRC, ударная вязкость KCU не менее 25 Дж/см², без надреза КС не менее 120 Дж/см², предел прочности не менее 2250 МПа и мелкое зерно 9-10 балла. Известная сталь-прототип после термической обработки имеет твердость не менее 58 HRC, предел прочности 2150 МПа и ударную вязкость на образце без надреза КС 80 Дж/см².

Сравнительный анализ данных из таблицы 2 показывает, что предлагаемая сталь превосходит известную сталь-прототип по ударной вязкости ~ в 1,5 раза.

Предлагаемая сталь обладает улучшенными эксплуатационными характеристиками, что позволяет повысить надежность и работоспособность оборудования.