close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент РФ 2336364

код для вставки
РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ
RU
(19)
(11)
2 336 364
(13)
C1
(51) МПК
C22C 38/58
C22C 38/38
(2006.01)
(2006.01)
ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ
(21), (22) За вка: 2006145220/02, 19.12.2006
(72) Автор(ы):
Коршунов Лев Георгиевич (RU),
Гойхенберг Юрий Нафтулович (RU),
Черненко Наталь Леонидовна (RU)
(24) Дата начала отсчета срока действи патента:
19.12.2006
(45) Опубликовано: 20.10.2008 Бюл. № 29
2 3 3 6 3 6 4
(57) Реферат:
Изобретение относитс к области металлургии
и может быть использовано в машиностроении и
приборостроении дл изготовлени деталей и
наплавки на поверхность деталей, работающих в
т желых услови х контактного нагружени .
Аустенитна сталь содержит углерод, кремний,
марганец, хром, азот, молибден, ванадий, титан,
медь, никель, вольфрам, бор и железо при
следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 0,42-1,70, кремний 0,45-4,51, марганец
7,8-20,2,
хром
12,5-20,9,
азот
0,17-0,51,
молибден 0,05-0,22, ванадий 0,03-0,12, вольфрам
0,05-0,10,
титан
0,01-0,15,
медь
0,20-0,55,
никель 0,23-1,20, бор 0,0010-0,0250, железо остальное. Повышаетс абразивна стойкость при
сохранении
значительного
сопротивлени адгезионному изнашиванию и относительно низкого
коэффициента трени скольжени . 3 табл.
R U
2 3 3 6 3 6 4
(54) АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ
Страница: 1
C 1
C 1
Адрес дл переписки:
620041, г.Екатеринбург, ул. С. Ковалевской,
18, Институт физики металлов УрО РАН,
патентный отдел
RU
R U
(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске: GB 668889 А, 26.03.1952. RU 2177510
С2, 27.12.2001. SU 1694684 А1, 30.11.1991. GB
675809 А, 16.07.1952. GB 741053 А,
23.11.1955. JP 62-238353 A, 19.10.1987. JP 63035758 A, 16.02.1988. JP 06-057379 A,
01.03.1994. JP 10-068051 A, 10.03.1998. KR
940007374 B, 16.08.1994.
(73) Патентообладатель(и):
Институт физики металлов УрО РАН (RU)
RUSSIAN FEDERATION
(19)
RU
(11)
2 336 364
(13)
C1
(51) Int. Cl.
C22C 38/58
C22C 38/38
(2006.01)
(2006.01)
FEDERAL SERVICE
FOR INTELLECTUAL PROPERTY,
PATENTS AND TRADEMARKS
(12)
ABSTRACT OF INVENTION
(21), (22) Application: 2006145220/02, 19.12.2006
(72) Inventor(s):
Korshunov Lev Georgievich (RU),
Gojkhenberg Jurij Naftulovich (RU),
Chernenko Natal'ja Leonidovna (RU)
(24) Effective date for property rights: 19.12.2006
(45) Date of publication: 20.10.2008 Bull. 29
(73) Proprietor(s):
Institut fiziki metallov UrO RAN (RU)
4.51, manganese 7.8-20.2, chromium 12.5-20.9,
nitrogen
0.17-0.51,
molybdenum
0.05-0.22,
vanadium 0.03-0.12, tungsten 0.05-0.10, titanium
0.01-0.15, copper 0.20-0.55, nickel 0.23-1.20,
boron 0.0010-0.0250, iron - the rest.
EFFECT: there is achieved upgraded abrasive
resistance at maintaining significant resistance
to adhesive wear and relatively low coefficient
of sliding friction.
3 tbl
R U
2 3 3 6 3 6 4
C 1
C 1
(57) Abstract:
FIELD: metallurgy.
SUBSTANCE: invention refers to metallurgy and
can be implemented in machine and instrument
building for fabrication of parts and overlaying
welding on surface of parts operating under heavy
contact loading. Austenite steel contains carbon,
silicon,
manganese,
chromium,
nitrogen,
molybdenum, vanadium, titanium, copper, nickel
tungsten, boron and iron at a following ratio of
elements, wt %: carbon 0.42-1.70, silicon 0.45-
Страница: 2
EN
2 3 3 6 3 6 4
(54) AUSTENITE STEEL
R U
Mail address:
620041, g.Ekaterinburg, ul. S. Kovalevskoj,
18, Institut fiziki metallov UrO RAN, patentnyj otdel
RU 2 336 364 C1
5
Изобретение относитс к области металлургии и может быть использовано в
машиностроении и приборостроении дл изготовлени и наплавки поверхности деталей
(подшипники скольжени , втулки, направл ющие и др.), работающих в т желых услови х
контактного нагружени (высокие нагрузки, интенсивный нагрев, плохие услови смазки,
присутствие абразивных частиц, наличие коррозионной среды).
В насто щее врем известны следующие аналоги за вл емой стали.
Аустенитна нержавеюща сталь, стойка против заедани , содержаща (мас.%):
углерод
0,03-0,10
хром
10
14-16
никель
14-17
марганец
0,5-3,0
кремний
0,4-5,5
азот
?0,30
фосфор
?0,05
?0,05
сера
15
20
25
30
35
железо
остальное
Патент США №4146412, кл. 148/38 (С22С 38/02, С22С 38/58), за вл. 30.05.1978,
№910484, опубл. 27.03.1979.
Данна аустенитна нержавеюща сталь содержит малое количество элементов
внедрени - углерода (0,03-0,10 мас.%) и азота (?0,30 мас.%) и вследствие этого обладает
низким сопротивлением абразивному изнашиванию. Абразивное изнашивание вл етс очень распространенным и интенсивным видом изнашивани , который существенно
ограничивает срок службы многих деталей и узлов машин. Известно, что уровень
абразивной износостойкости сталей различных классов, в том числе аустенитных, сильно
зависит от содержани в них элементов внедрени - углерода и азота, которые
определ ют исходную прочность сталей и сплавов, а также их способность к
деформационному упрочнению в процессе изнашивани . Низка концентраци углерода в
твердом растворе (аустените) и малое количество высокопрочных специальных карбидов в
структуре анализируемой аустенитной стали вл ютс причинами невысокой прочности
поверхности и соответственно интенсивного изнашивани данной стали в услови х
абразивного воздействи .
Известна также высокомарганцева аустенитна хромиста нержавеюща сталь,
содержаща (мас.%):
углерод
?0,12
кремний
0,1-1,0
марганец
8,0-14,0
хром
12.0-17.0
азот
0,01-0,30
молибден 0,10-0,30
40
45
50
никель
0,50-3,50
железо
остальное
Патент Японии №53-31811, кл. 10 J-172 (МКИ С22С 38/58), опубл. 0.5.09.1978. Авторы
Соз ма Нобуо, Оака Каюки, Аракава Мотохико, Ямагути Иосинори, Исида Саки.
Сталь легирована малым количеством элементов внедрени ?0,12 мас.% углерода и
0,01-0,30 мас.% азота, вследствие чего ее абразивна износостойкость низка. Это
ограничивает область применени рассматриваемой стали в качестве износостойкого
конструкционного материала относительно небольшим кругом деталей, при эксплуатации
которых исключено попадание в зону трени твердых абразивных частиц.
Известна также аустенитна нержавеюща сталь с высокой задиростойкостью,
содержаща (мас.%):
углерод
?0,15
кремний
2,5-5,5
марганец
6-12
никель
5-15
хром
13-25
Страница: 3
DE
RU 2 336 364 C1
(1-100)?10 -4
бор
и (или) кальций (1-100)?10 -4
более одного элемента из р да:
5
титан
<2,0
ниобий
<2,0
кобальт
<4,0
вольфрам
<1,5
железо
10
15
20
25
30
остальное
Патент Японии №54-150316, кл. 10 J-172 (C22C 38/58), за вл. 18.05.1978, №55-59573,
опубл. 25.11.1979.
Сталь содержит малое количество углерода и в ней, кроме того, отсутствует азот.
Хот сталь легирована бором, оказывающим положительное вли ние на сопротивление
сталей абразивному изнашиванию, однако содержание бора в стали невелико (1-100)?10 -4
и, вследствие этого, не может в полной мере компенсировать недостаток в степени
легированности стали углеродом и азотом, которые оказывают определ ющее вли ние на
абразивную износостойкость стальных поверхностей. По этой причине абразивна износостойкость рассматриваемой стали невелика. При трении и изнашивании в
анализируемой аустенитной стали из-за отсутстви в ней азота не получает заметного
развити механизм планарного скольжени дислокации. Планарное скольжение
дислокации в аустените, как показано исследовани ми авторов предлагаемой за вки,
приводит к существенному снижению коэффициента трени нержавеющих аустенитных
сталей. Отсутствие в рассматриваемой стали активного планарного скольжени дислокации вл етс причиной ее повышенных коэффициента трени и интенсивности
адгезионного изнашивани в услови х трени скольжени .
Наиболее близкой по составу к за вл емой стали вл етс выбранна в качестве
прототипа аустенитна сталь (мас.%):
углерод
0,05-0,15
кремний
3,0-5,0
марганец
17-23
хром
14-18
азот
0,18-0,30
молибден 0.05-0,20
35
40
45
50
ванадий
0,03-0,10
титан
0,01-0,10
медь
0,25-0,50
никель
0.25-3,00
железо
остальное
Патент Российской Федерации №2207397 С2 (МКИ С22С 38/58), опубл. 27.06.2003 Бюллетень №18.
Сталь-прототип легирована небольшим количеством углерода (0,05-0,15 мас.%) и азота
(0,18-0,30 мас.%), роль которых в формировании у сталей высокого уровн абразивной
износостойкости чрезвычайно велика. В силу этого, основным недостатком прототипа, как
и приведенных выше аналогов, вл етс его низкое сопротивление абразивному
изнашиванию. В реальных услови х эксплуатации машин, механизмов, приборов, когда
имеет место проникание твердых абразивных частиц из окружающей среды в зону контакта
трущихс стальных деталей, происходит их ускоренное абразивное изнашивание,
привод щее в конечном итоге к сокращению ресурса работы узла и всего издели . По этой
причине к конструкционным материалам, предназначенным дл деталей и узлов трени скольжени , предъ вл етс также требование повышенной абразивной износостойкости.
Разработка аустенитных сталей, обладающих одновременно высоким сопротивлением
адгезионному и абразивному видам изнашивани , а также пониженным коэффициентом
трени , вл етс , таким образом, актуальной и сложной материаловедческой проблемой.
В основу изобретени была положена задача получени аустенитной стали,
Страница: 4
RU 2 336 364 C1
5
10
15
обладающей повышенной абразивной износостойкостью при сохранении значительного
сопротивлени адгезионному изнашиванию и относительно низкого коэффициента трени в
услови х скольжени пар сталь-сталь.
Поставленна задача решаетс благодар тому, что известна сталь, содержаща углерод, кремний, марганец, хром, азот молибден, ванадий, титан, медь, никель и
железо, дополнительно содержит вольфрам и бор при следующих соотношени х
компонентов (мас.%):
углерод
0,42-1,70
кремний
0,45-4,51
марганец
хром
азот
0,17-0,51
молибден
0,05-0,22
ванадий
0,03-0,12
вольфрам
0,05-0,10
титан
0,01-0,15
медь
0,20-0,55
никель
0,23-1,20
бор
20
25
30
35
40
45
50
7,8-20,2
12,5-20,9
0,001-0,025
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаема сталь отличаетс дополнительным содержанием вольфрама и бора при определенном соотношении
компонентов. Это подтверждает соответствие критерию изобретени «новизна».
С целью доказательства соответстви предлагаемого изобретени критерию
«изобретательский уровень» рассмотрим отличительные признаки объекта и других
известных технических решений данного раздела техники.
В результате исследований, проведенных авторами предлагаемого изобретени , было
впервые установлено, что наличие активного планарного скольжени дислокации в
азотсодержащих хромомарганцевых нержавеющих аустенитных стал х приводит к
существенному снижению их коэффициента трени и интенсивности адгезионного
изнашивани в услови х сухого трени скольжени пар металл-металл. Последующие
исследовани этих же авторов показали, что активное планарное скольжение дислокации,
обусловливающее снижение сопротивлени поверхностного сло пластической
деформации в направлении трени , оказывает отрицательное вли ние на абразивную
износостойкость азотсодержащих низкоуглеродистых хромомарганцевых аустенитных
сталей. Известно, что абразивна износостойкость аустенитных сталей может быть
существенно повышена за счет увеличени содержани в них таких элементов, как
углерод, азот, бор. Однако рост содержани углерода в аустените, привод щий к
увеличению энергии дефектов упаковки, преп тствует активному развитию в
азотсодержащих нержавеющих аустенитных стал х планарного скольжени дислокации.
Это должно способствовать увеличению коэффициента трени рассматриваемых сталей.
Введение азота в количестве более 0,5 мас.% часто характеризуетс ростом
коэффициента трени азотсодержащих хромомарганцевых нержавеющих аустенитных
сталей. Литературных данных, касающихс вли ни бора на развитие в аустенитных
стал х планарного скольжени дислокации, нами не было обнаружено.
Суть изобретени заключаетс в том, что предлагаемый состав азотсодержащей
нержавеющей хромомарганцевой аустенитной стали оптимизируетс таким образом, чтобы
при сохранении в аустените активного планарного скольжени дислокации,
обеспечивающего стали низкий коэффициент трени и малую интенсивность адгезионного
изнашивани , существенно повысить сопротивлени стали абразивному изнашиванию.
Увеличение абразивной износостойкости азотсодержащей хромомарганцевой аустенитной
стали достигаетс за счет повышени содержани в ней углерода и азота, а также
введени бора и вольфрама. В закаленной от 1100°С стали углерод присутствует
преимущественно в виде специальных карбидов титана, ванади , вольфрама, молибдена и
хрома. Часть углерода (?0,3%) находитс в ?-твердом растворе. Наличие в структуре
Страница: 5
RU 2 336 364 C1
5
10
стали высокопрочных специальных карбидов, а также твердорастворное упрочнение
аустенита атомами углерода, азота и бора существенно повышают сопротивление
аустенитной стали абразивному изнашиванию. Присутствие в ?-твердом растворе атомов
азота, хрома и марганца способствуют развитию в стали при пластической деформации
планарного скольжени дислокации.
Все вышеизложенное обеспечивает соответствие за вл емого объекта критерию
«изобретательский уровень».
Дл получени за вл емой стали слитки массой 2-50 кг выплавл ли в электропечи на
воздухе. Содержание серы и фосфора во всех сплавах не превышало 0,03% (мас.).
Химический состав сплавов приведен в таблице 1.
Таблица 1
Химический состав сплавов
Сплав №
Содержание элементов, мас.%
С
15
20
25
30
35
40
45
50
Si
Mn
Cr
N
Mo
V
Ti
W
-
Ni
В
0,36 1,9
Cu
-
1
0,09 4,2 21,5 15,5 0,25 0,15 0,08 0,06
2
0,35 0,32 7,36 12,0 0,11 0,04 0,01 0,01 0,02 0,15 0,15 0,0005
3
0,42 0,45 7,8 12,6 0,17 0,05 0,03 0,01 0,05 0,2 0,23 0,0010
4
0,91 3,2 16,1 16,3 0,27 0,10 0,07 0,08 0,07 0,40 0,60 0,0100
5
1,70 4,51 20,2 20,9 0,51 0,22 0,12 0,15 0,10 0,55 1,20 0,0250
6
1,78 5,50 24,0 22,3 0,55 0,30 0,15 0,22 0,15 0,60 2,00 0,0300
Сплав №1 соответствует прототипу, сплавы №№3, 4, 5 соответствуют за вл емой
стали, сплавы №№2, 6 соответствуют стал м, химический состав которых выходит за
пределы легировани за вл емой стали. Слитки отжигали при 1200°С в течение 12 часов
и ковали в прутки сечением 10Ч10 мм. Прутки закаливали от 1100°С в воде. После
указанной термообработки структура сплавов №№2-6 была аустенитно-карбидной, а
сплава №1 (прототип) - аустенитной. В микроструктуре аустенитной матрицы сплавов
присутствовали плоские скоплени дислокации - мультиполи, свидетельствующие о
склонности сталей к планарному скольжению. Из прутков сталей изготавливали образцы
размером 7Ч7Ч20 мм дл испытаний на трение и изнашивание. Испытание сталей на
абразивное изнашивание осуществл ли в услови х скольжени (возвратно-поступательное
движение) рабочей (торцовой) части образцов по поверхности закрепленного абразива шкурки марки 14А16НМ (электрокорунд зернистостью 160 мкм). Средн скорость
скольжени образца составл ла 0,175 м/с, нормальна нагрузка 49 Н, длина рабочего
хода образца 100 мм, величина поперечного смещени шкурки за один двойной ход
образца 1,2 мм, путь трени - 17,6 м. Относительную абразивную износостойкость
материала определ ли как отношение потери массы образца армко-железа (эталон) к
потере массы образца испытываемого материала. Потери массы образцов измер ли
взвешиванием на аналитических весах с точностью 0,0001 г. Абразивную износостойкость
материала определ ли по результатам 2-4 параллельных испытаний. Испытание
материалов на трение изнашивание в услови х сухого трени скольжени (адгезионный
механизм изнашивани ) выполн ли в услови х трени скольжени стальных пар в
воздушной среде по схеме палец-пластина. Данные испытани аустенитных сталей
проводили в паре со сталью 45 (пластина), термообработанной на твердость 52-54 HRC
(закалка от 850°С в масле, отпуск 200°С - 2 часа). Трение осуществл ли при возвратнопоступательном движении образца (пальца) со скоростью 0,07 м/с и нормальной нагрузке
294 Н. Путь трени образца составл л 80 м, температура в зоне трени пары не
превышала 50°С. Интенсивность изнашивани образцов рассчитывали по
формуле Ih=Q/??L?S, где Q - потери массы образца, г; ? - плотность материала образца,
г/см 3; L - путь трени , см; S - геометрическа плотность контакта, см 2. Коэффициент трени рассчитывали по формуле f=F/N, где F - сила трени , H; N - нормальна нагрузка, Н.
Микротвердость сплавов измер ли при нагрузке 1,96 Н. Результаты испытаний приведены
в таблицах 2 и 3.
Из таблицы 2 видно, что за вл ема сталь (сплавы №№3,4, 5) имеет в 1,4-1,8 раза
Страница: 6
RU 2 336 364 C1
5
более высокую абразивную износостойкость, чем прототип (сплав №1), а также
превосходит в абразивной износостойкости сплавы №№2, 6.
Из таблицы 3 следует, что при сухом трении скольжени в паре со сталью 45, когда
имеет место адгезионное изнашивание исследуемых пар, коэффициент трени и
интенсивность изнашивани за вл емой стали (сплавы №№3, 4, 5) имеют практически
такие же величины, как и прототип (сплав №1). Из данной таблицы также видно, что
коэффициент трени и интенсивность изнашивани сплавов №№2, 6 заметно выше, чем у
за вл емой стали (сплавы №№3, 4, 5).
Таблица 2
Микротвердость (Н) и абразивна износостойкость (?) сплавов
10
15
Сплав №
Н, МПа
?
1
2600
1,7
2
2800
2,4
3
3300
2,7
4
3550
2,9
5
4200
3,0
6
4250
2,6
Таблица 3
Интенсивность изнашивани (Ih) и коэффициент трени (f) сплавов при испытании в паре со сталью 45 в режиме адгезионного изнашивани 20
25
30
Сплав №
Ih
f
1
1,5 ?10 -7
0,29
2
2,5 ?10 -7
0,31
3
1,5 ?10 -7
0,29
4
1,5 ?10 -7
0,29
5
1,4 ?10 -7
0,28
6
1,7 ?10 -7
0,40
Формула изобретени Аустенитна сталь, содержаща углерод, кремний, марганец, хром, азот, молибден,
ванадий, титан, медь, никель и железо, отличающа с тем, что она дополнительно
содержит вольфрам и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
0,42-1,70
кремний
0,45-4,51
марганец
хром
35
40
7,8-20,2
12,5-20,9
азот
0,17-0,51
молибден
0,05-0,22
ванадий
0,03-0,12
вольфрам
0,05-0,10
титан
0,01-0,15
медь
0,20-0,55
никель
0,23-1,20
бор
0,0010-0,0250
железо
остальное
45
50
Страница: 7
CL
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
90 Кб
Теги
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа