RU2737903C1 - Высокопрочная конструкционная сталь - Google Patents
Высокопрочная конструкционная сталь Download PDFInfo
- Publication number
- RU2737903C1 RU2737903C1 RU2020107693A RU2020107693A RU2737903C1 RU 2737903 C1 RU2737903 C1 RU 2737903C1 RU 2020107693 A RU2020107693 A RU 2020107693A RU 2020107693 A RU2020107693 A RU 2020107693A RU 2737903 C1 RU2737903 C1 RU 2737903C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steel
- strength
- nickel
- strength structural
- molybdenum
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
- C22C—ALLOYS
- C22C38/00—Ferrous alloys, e.g. steel alloys
- C22C38/18—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium
- C22C38/40—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel
- C22C38/52—Ferrous alloys, e.g. steel alloys containing chromium with nickel with cobalt
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию высокопрочной конструкционной стали, предназначенной для изготовления крупногабаритных высоконагруженных деталей, работающих при температурах до 400-450°С в различных областях машиностроения, например в авиа- и космической технике, для валов двигателя большой тяги. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,25-0,32, хром 3,0-3,5, никель 12,0-13,0, молибден 1,3-1,5, кобальт 7,0-9,0, ванадий 0,1-0,2, ниобий не более 0,05, алюминий 1,4-2,5, бор не более 0,003, кальций не более 0,05, сера не более 0,01, фосфор не более 0,01, лантан не более 0,05, иттрий не более 0,05, церий не более 0,01, железо и примеси - остальное. Сталь обладает высокой прочностью, пластичностью и вязкостью разрушения. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию высокопрочной конструкционной стали, обладающей наряду с высокой прочностью высокими значениями пластичности и вязкости.
Сталь предназначена для изготовления крупногабаритных высоконагруженных деталей, работающих при температурах до 400-450°С, в различных областях машиностроения, например, в авиационной и космической технике для валов двигателя большой тяги.
Известна высокопрочная коррозионностойкая сталь 15Х12Н2МВФАБ (ЭП517-Ш) (ТУ 14-1-1161-75 «Прутки из жаропрочной стали марки 1Х12Н2МВФАБ-Ш (ЭП517-Ш)», опубл. 01.05.1975 г.) следующего химического состава, мас. %:
Углерод | 0,13-0,18 |
Никель | 1,7-2,1 |
Молибден | 1,35-1,65 |
Хром | 11,0-12,5 |
Вольфрам | 0,65-1,00 |
Ванадий | 0,18-0,30 |
Ниобий | 0,20-0,35 |
Азот | 0,02-0,08 |
Кремний, марганец | не более 0,5 |
Сера | не более 0,015 |
Фосфор | не более 0,030 |
Железо и примеси | остальное |
Основным недостатком стали ЭП517-Ш, которая применяется в настоящее время в производстве крупногабаритных авиационных валов, является недостаточная прочность (не более 1100 МПа) для применения ее в двигателях большой тяги, что не обеспечивает надежность и долговечность эксплуатации тяжелонагруженных деталей.
Известна ультравысокопрочная конструкционная мартенситная сталь с повышенной вязкостью разрушения (US 5268044 А, С22С 38/52, опубл. 07.12.1993 г.) следующего химического состава, мас. %:
Углерод | 0,20-0,33 |
Марганец | Не более 0,2 |
Кремний | Не более 0,1 |
Хром | 2,0-4,0 |
Никель | 10,5-15,0 |
Молибден | 0,75-1,75 |
Кобальт | 8,0-17,0 |
Церий | не более 0,03 |
Лантан | не более 0,01 |
Фосфор | не более 0,008 |
Сера | не более 0,004 |
Железо | остальное |
Недостатком данной стали является ее работоспособность только до температур не более 250°С, что не позволяет обеспечить теплостойкость деталей, работающих при температурах эксплуатации 400-450°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является закаленная мартенситная сталь (RU 2400557 С2, C21D 6/00, опубл. 27.09.2010 г.) следующего химического состава, масс. %:
Углерод | 0,18-0,30 |
Кобальт | 5,0-7,0 |
Хром | 2,0-5,0 |
Алюминий | 1,0-2,0 |
Молибден + W/2 | 1,0-4,0 |
Ванадий | Не более 0,3 |
Ниобий | Не более 0,1 |
Никель | 10,5-15,0 |
Кремний, марганец | Не более 0,4 |
Бор | Не более 0,005 |
Титан, кальций, РЗМ | Не более 0,05 |
Кислород | Не более 0,005 |
Азот | Не более 0,01 |
Сера | Не более 0,005 |
Медь | Не более 1 |
Фосфор | Не более 0,02 |
Железо и примеси | остальное |
Высокая прочность при 20°С данной стали (2200 МПа) обеспечивается за счет карбидного и интерметаллидного упрочнения, однако характеристики пластичности и вязкости разрушения (не более 40 ) не позволяют обеспечить достаточный запас пластичности высоконагруженных и особо ответственных деталей.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание высокопрочной конструкционной стали с улучшенными характеристиками прочности и пластичности и работоспособной до температур 400-450°С.
Техническим результатом является создание стали, обладающей высокой прочностью, пластичностью, вязкостью разрушения, что позволит обеспечить высокую надежность работы авиационных двигателей нового поколения. Разработанная сталь имеет прочность при 20°С не менее 1960 МПа, твердость 53,5-54,5 HRC, вязкость разрушения при 20°С не менее 40 и теплостойкость до 400-450°С.
Для достижения поставленного технического результата предложена высокопрочная конструкционная сталь, содержащая углерод, хром, никель, молибден, кобальт, ванадий, ниобий, алюминий, бор, кальций, серу, фосфор и железо, при этом она дополнительно содержит большее количество кобальта, углерода, алюминия, легирована лантаном, иттрием и церием при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Углерод | 0,25-0,32 |
Кобальт | 7,0-9,0 |
Хром | 3,0-3,5 |
Алюминий | 1,4-2,5 |
Молибден | 1,3-1,5 |
Ванадий | 0,1-0,2 |
Ниобий | Не более 0,05 |
Никель | 12,0-13,0 |
Бор | Не более 0,003 |
Кальций | Не более 0,05 |
Лантан | Не более 0,05 |
Иттрий | Не более 0,05 |
Церий | Не более 0,01 |
Сера | Не более 0,01 |
Фосфор | Не более 0,01 |
Железо и примеси | остальное |
Предпочтительно, изделие выполнено из вышеприведенной высокопрочной конструкционной стали.
В результате необходимые свойства предлагаемой стали достигаются за счет двойного упрочнения: карбидного и интерметаллидного, что обеспечивается путем комплексного легирования, при котором учитывалось воздействие легирующих элементов на процессы упрочнения и технологичность стали, а также на характер их взаимодействия друг с другом. Углерод несет основной вклад в получение высоких прочностных характеристик и твердости высокопрочной конструкционной стали за счет получения карбидов Ме2С. Содержание углерода не должно превышать 0,32 масс. % вследствие возможного опережающего хрупкого разрушения материала.
В сталь введен хром в количестве от 3,0 до 3,5 масс. %, так как установлено, что при содержании в стали углерода в выбранном диапазоне, данный легирующий элемент активно влияет на упрочнение стали при закалке, образуя специальные карбиды (Cr23C6, Cr7C3), которые растворяют в себе железо и легирующие элементы в неограниченном количестве. Кроме того, хром повышает жаростойкость стали, способствует повышению прокаливаемости и формированию оптимальной мелкодисперсной структуры, и, как следствие, получению стабильных свойств по сечению, что необходимо для крупногабаритных особо ответственных деталей.
Никель введен в состав высокопрочной конструкционной стали в количестве от 12 до 13 масс. % для обеспечения высокой прокаливаемости, прочности, пластичности и вязкости стали. Повышая растворимость многих легирующих элементов в аустените, никель снижает их растворимость в мартенсите, что позволяет фиксировать закалкой, пересыщенный α-твердый раствор, упрочняющийся при температурах около 500°С. Также никель снижает температуру γ→α превращения, что обеспечивает получение мартенситной структуры при более низких температурах. При взаимодействии с алюминием, вызывающим также измельчение структуры и повышающим жаростойкость, никель образует сложные интерметаллиды типа (βNiAl), способствующие упрочнению стали. Соблюдение соотношения никеля и алюминия обеспечивает небольшое содержание остаточного аустенита для сохранения технологичности при горячей деформации.
С целью повышения устойчивости стали при высоких температурах в сталь введен молибден, формирующий упрочняющие карбидные выделения типа Ме2С, способствующие увеличению термостойкости стали, а также повышению прокаливаемости. Поверхностно активные свойства молибдена по отношению к железу способствуют устранению отпускной хрупкости в конструкционных сталях. Содержание молибдена не должно превышать 5,5 масс. %, так как большее его содержание приводит к образованию охрупчивающих выделений, ухудшающих пластичность и вязкость сталей. Вольфрам, как еще один сильный карбидообразующий элемент, в отличие от стали-прототипа в сталь не вводится для исключения значительного повышения прочности и, как следствие, резкого падения пластичности и вязкости.
В состав введены ванадий и ниобий, являющиеся сильными карбидообразователями, улучшающими характеристики прочности и пластичности высокопрочной конструкционной стали вследствие увеличения центров кристаллизации за счет выделения карбидов и измельчения зерна. Данное явление способствует увеличению устойчивости при высоких температурах и повышает выносливость стали. Наряду с этим, ванадий также улучшает свариваемость стали, технологичность и повышает прокаливаемость.
Титан, способный также повысить прочность стали, не присутствует в разрабатываемой стали вследствие возможного появления карбидов и карбонитридов титана, возникающих по границам зерен и способных привести к резкому охрупчиванию материала.
В отличие от стали, взятой за прототип, в состав предлагаемой стали введено большее содержание кобальта, который способствует твердорастворному упрочнению, увеличивает плотность дислокаций и их подвижность, повышает количество центров кристаллизации, что обеспечивает выделение карбидов и увеличивает теплостойкость матрицы.
Повышение содержания кобальта до 7-9 масс. % позволяет увеличить сопротивление коррозионному растрескиванию, а также уменьшить количество остаточного аустенита в стали, который вызывает изменение геометрических размеров крупногабаритных деталей.
Микролегирование стали редкоземельными элементами (лантаном, иттрием и церием), а также кальцием в заданном количестве способствует рафинированию металла при выплавке, измельчению зерна, улучшению состояния границ зерен, изменению морфологии и распределения неметаллических включений в стали, что приводит к повышению вязкости и пластичности материала. К измельчению зерна и повышению технологичности стали также приводит микролегированием бором.
Количество серы и фосфора, как неизбежных примесей в стали, необходимо ограничивать до суммарного содержание не более 0,02 масс. %, что достигается за счет вакуумной выплавки и переплава.
Кремний и марганец в стали данной системы легирования, в отличие от прототипа, отсутствуют вследствие вероятности образования хрупких включений, являющихся очагами зарождения трещин, особенно при циклических нагрузках.
Таким образом, за счет увеличения содержания кобальта, углерода, алюминия и микролегированием РЗМ (лантан, иттрий, церий) при заявленном содержании и соотношении компонентов сталь после окончательной термической обработки имеет сочетание высокой прочности, пластичности и работоспособности до температур 400-450°С.
Примеры осуществления
В производственных условиях ФГУП «ВИАМ» проводили опробование предлагаемой стали, выплавленной в вакуумно-индукционной установке (ВИУ) с последующим вакуумно-дуговым переплавом, что позволило снизить загрязненность металла неметаллическими включениями, которые негативно влияют на прочность, пластичность и трещиностойкость высокопрочной конструкционной стали. Химический состав и механические свойства предлагаемой стали и известной стали-прототипа приведены в таблицах 1, 2.
После выплавки и переплава стали полученные слитки подвергали термической обработке с целью получения однородной структуры и снижения твердости для улучшения механической обработки.
Для изготовления полуфабрикатов (прутков) слитки подвергали горячей пластической деформации (ковке) и отжигу. После отжига и термической обработки из прутков изготавливали образцы для определения механических свойств стали.
На образцах из высокопрочной конструкционной стали после окончательной термической обработки обеспечивалась твердость 53,5-54,5 HRC, прочность при 20°С 2270-2310 МПа, вязкость разрушения при 20°С 40 и теплостойкость не более 450°С. Известная сталь-прототип имеет твердость 52 HRC, предел прочности при 20°С - 2200 МПа, вязкость разрушения при 20°С 40 и теплостойкость не более 450°С.
Сравнительный анализ данных из таблицы 2 показывает, что предлагаемая сталь обладает комплексом механических и эксплуатационных свойств выше зарубежной стали-прототипа, что позволяет осуществить импортозамещение зарубежных высоконагруженных сталей при производстве крупногабаритных авиационных деталей, в том числе валов газотурбинного двигателя.
Claims (3)
1. Высокопрочная конструкционная сталь, содержащая углерод, хром, никель, молибден, кобальт, ванадий, ниобий, алюминий, бор, кальций, серу, фосфор, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит лантан, иттрий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2. Изделие, выполненное из высокопрочной конструкционной стали, отличающееся тем, что оно выполнено из стали по п.1.
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020107693A RU2737903C1 (ru) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Высокопрочная конструкционная сталь |
PCT/RU2021/000071 WO2021167496A1 (ru) | 2020-02-20 | 2021-02-19 | Высокопрочная конструкционная сталь |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020107693A RU2737903C1 (ru) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Высокопрочная конструкционная сталь |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2737903C1 true RU2737903C1 (ru) | 2020-12-04 |
Family
ID=73792772
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020107693A RU2737903C1 (ru) | 2020-02-20 | 2020-02-20 | Высокопрочная конструкционная сталь |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2737903C1 (ru) |
WO (1) | WO2021167496A1 (ru) |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB375777A (en) * | 1931-01-22 | 1932-06-20 | Krupp Ag | Improvements relating to stainless iron and steel alloys |
GB825042A (en) * | 1954-07-14 | 1959-12-09 | Birmingham Small Arms Co Ltd | Improvements in or relating to steels |
EP0758025B1 (en) * | 1995-02-14 | 2000-06-07 | Nippon Steel Corporation | High-strength ferritic heat-resistant steel excellent in resistance to embrittlement caused by intermetallic compound deposition |
RU2400557C2 (ru) * | 2005-04-27 | 2010-09-27 | Обер Э Дюваль | Закаленная мартенситная сталь, способ получения детали из этой стали и получаемая таким способом деталь |
RU2600467C1 (ru) * | 2015-06-25 | 2016-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Высокопрочная бериллийсодержащая сталь |
Family Cites Families (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2017507251A (ja) * | 2014-01-27 | 2017-03-16 | ロバルマ, ソシエダッド アノニマRovalma, S.A. | 鉄系合金の遠心噴霧法 |
-
2020
- 2020-02-20 RU RU2020107693A patent/RU2737903C1/ru active
-
2021
- 2021-02-19 WO PCT/RU2021/000071 patent/WO2021167496A1/ru active Application Filing
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
GB375777A (en) * | 1931-01-22 | 1932-06-20 | Krupp Ag | Improvements relating to stainless iron and steel alloys |
GB825042A (en) * | 1954-07-14 | 1959-12-09 | Birmingham Small Arms Co Ltd | Improvements in or relating to steels |
EP0758025B1 (en) * | 1995-02-14 | 2000-06-07 | Nippon Steel Corporation | High-strength ferritic heat-resistant steel excellent in resistance to embrittlement caused by intermetallic compound deposition |
RU2400557C2 (ru) * | 2005-04-27 | 2010-09-27 | Обер Э Дюваль | Закаленная мартенситная сталь, способ получения детали из этой стали и получаемая таким способом деталь |
RU2600467C1 (ru) * | 2015-06-25 | 2016-10-20 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Высокопрочная бериллийсодержащая сталь |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2021167496A1 (ru) | 2021-08-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
WO2021169941A1 (zh) | 一种矿用链条钢及其制造方法 | |
CA3035162C (en) | Austenitic stainless steel | |
US5746843A (en) | Low Mn-low Cr ferritic heat resistant steel excellent in strength at elevated temperatures | |
US10087510B2 (en) | Non-post-heat treated steel and non-post-heat treated steel member | |
KR20130121755A (ko) | 우수한 강도 및 인성을 갖는 증기 터빈 블레이드용 강철 | |
CN111500928B (zh) | 一种低温高韧高温高强及高淬透性热模钢及制备技术 | |
EP2841612A2 (en) | High strength, high toughness steel alloy | |
CA2825146C (en) | High strength, high toughness steel alloy | |
RU2680557C1 (ru) | Экономнолегированная хладостойкая высокопрочная сталь | |
JP6547599B2 (ja) | オーステナイト系耐熱鋼 | |
RU2653954C2 (ru) | Способ производства толстолистового проката для изготовления электросварных газонефтепроводных труб большого диаметра категории прочности х42-х56, стойких против индуцированного водородом растрескивания в h2s -содержащих средах | |
RU2737903C1 (ru) | Высокопрочная конструкционная сталь | |
JP2002285290A (ja) | 高強度・高耐疲労構造用鋼及びその製造方法 | |
KR101301617B1 (ko) | 고강도 고인성 소재 및 이를 이용한 타워 플랜지 제조방법 | |
JP2016065265A (ja) | 蒸気タービン動翼用耐熱鋼および蒸気タービン動翼 | |
JP3819848B2 (ja) | 耐熱鋼及びその製造方法 | |
CN103981437B (zh) | 一种高强度、高韧性合金钢、制备方法及其在钢构中的应用 | |
WO2021251892A1 (en) | Hot work tool steel | |
JP5981357B2 (ja) | 耐熱鋼および蒸気タービン構成部品 | |
RU2748448C1 (ru) | Цементуемая теплостойкая сталь | |
RU2806682C1 (ru) | Высокопрочная коррозионностойкая азотосодержащая мартенситно-аустенитно-ферритная сталь | |
RU2807645C2 (ru) | Бесшовная труба нефтяного сортамента из высокопрочной коррозионно-стойкой стали мартенситного класса и способ ее получения | |
JP5996403B2 (ja) | 耐熱鋼およびその製造方法 | |
JP6282078B2 (ja) | 結晶粒度特性および衝撃特性に優れた機械構造用鋼からなる鋼部品の製造方法 | |
KR101191763B1 (ko) | 강도와 파괴인성이 우수한 w함유 이차 경화형 합금강 및 그 제조 방법 |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
QZ41 | Official registration of changes to a registered agreement (patent) |
Free format text: LICENCE FORMERLY AGREED ON 20180706 Effective date: 20220426 |