RU2748448C1 - Цементуемая теплостойкая сталь - Google Patents
Цементуемая теплостойкая сталь Download PDFInfo
- Publication number
- RU2748448C1 RU2748448C1 RU2020118383A RU2020118383A RU2748448C1 RU 2748448 C1 RU2748448 C1 RU 2748448C1 RU 2020118383 A RU2020118383 A RU 2020118383A RU 2020118383 A RU2020118383 A RU 2020118383A RU 2748448 C1 RU2748448 C1 RU 2748448C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- steel
- chromium
- heat
- nickel
- case
- 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
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Heat Treatment Of Articles (AREA)
- Solid-Phase Diffusion Into Metallic Material Surfaces (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию цементуемой теплостойкой стали с улучшенными технологическими свойствами для производства тяжелонагруженных подшипников опор роторов газотурбинного двигателя большой тяги. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,15-0,20, кремний 0,3-0,5, марганец 0,1-0,3, хром 4,5-5,2, никель 3,8-4,3, молибден 3,2-3,8, ванадий 0,8-1,2, кобальт 0,5-1,0, вольфрам 1,0-1,4, ниобий 0,1-0,3, железо и примеси - остальное. После окончательной термической и химико-термической обработки сталь имеет сочетание высокой твердости поверхности с вязкой сердцевиной. 2 табл.
Description
Изобретение относится к области металлургии, а именно к созданию теплостойкой цементуемой стали, например, для тяжелонагруженных подшипников опор роторов газотурбинного двигателя большой тяги, работающих в условиях Динамических и ударных нагрузок.
Известна цементуемая хромоникелевая сталь 20Х2Н4А (ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия»), следующего химического состава, мас.%:
Углерод | 0,16-0,22 |
Кремний | 0,17-0,37 |
Марганец | 0,30-0,60 |
Хром | 1,25-1,65 |
Никель | 3,25-3,65 |
Железо и примеси | Остальное |
Основным недостатком стали 20Х2Н4А, которая применяется в производстве крупногабаритных авиационных подшипников, является Низкая теплостойкость (до 180°С), что ограничивает область ее применения и невысокая прочность (не более 1220 МПа при сечении 50 мм), что не обеспечивает надежность эксплуатации тяжелонагруженных авиационных подшипников.
Известна цементуемая теплостойкая сталь (Заявка на патент №JP 2002348636 А, МПК С22С 38/00; С22С 38/50, опубл. 04.12.2002) для деталей силовой трансмиссии следующего химического состава, мас.%:
Углерод | 0,15-0,40 |
Марганец | 0,2-1,5 |
Кремний | 0,5-1,5 |
Хром | 1,5-3,0 |
Никель | 0,4-4,5 |
Молибден | 0,5-2,0 |
Ванадий | 0,05-0,4 |
Титан | 0,03-0,2 |
Ниобий | 0,03-0,15 |
Алюминий | 0,01-0,1 |
Бор | 0,0005-0,003 |
Железо и примеси | Остальное |
Недостатком стали является не высокая теплостойкость (не более 300°С) и предел прочности (не более 1200 МПа), что не позволяет обеспечить надежность деталей, работающих в экстремальных условиях эксплуатации при температуре более 450°С.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип, является сталь марки M50NiL (Патент США №US 6966954, МПК C21D 1/78; C21D 6/00; С23С 8/26; F16C33/12 опубл. 22.11.2005 г.) следующего химического состава, мас.%:
Углерод | 0,11-0,15 |
Кремний | 0,10-0,25 |
Марганец | 0,15-0,35 |
Хром | 4,00-4,25 |
Никель | 3,20-3,60 |
Молибден | 4,00-4,50 |
Ванадий | 1,13-1,33 |
Кобальт, вольфрам | допускается как примесь не более 0,25 |
Железо и примеси | Остальное |
Количественное соотношение тугоплавких карбидообразующих элементов в составе известной стали не обеспечивают достаточной прочности (менее 1400 МПа) и не гарантируют теплостойкости при экстремальных температурах эксплуатации (более 450°С).
Технической проблемой, решение которой обеспечивается при осуществлении предлагаемого изобретения и не может быть реализовано при использовании прототипа, являются низкие механические и эксплуатационные свойства цементуемой теплостойкой стали.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание цементуемой теплостойкой стали с улучшенными механическими и эксплуатационными свойствами.
Техническим результатом является создание стали, обладающей высокой поверхностной твердостью, прочностью и вязкостью сердцевины, что позволит обеспечить высокую надежность работы газотурбинных двигателей нового поколения. Разработанная сталь имеет твердость цементованной поверхности 60,0-61,5 HRC, твердость сердцевины 42,5-46 HRC, прочность сердцевины 1500-1540 МПа, вязкость разрушения 69-75 и теплостойкость не менее 450°С.
Для достижения поставленного технического результата предложена цементуемая теплостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, железо, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вольфрам, кобальт и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод | 0,15-0,20 |
Кремний | 0,3-0,5 |
Марганец | 0,1-0,3 |
Хром | 4,5-5,2 |
Никель | 3,8-4,3 |
Молибден | 3,2-3,8 |
Ванадий | 0,8-1,2 |
Кобальт | 0,5-1,0 |
Вольфрам | 1,0-1,4 |
Ниобий | 0,1-0,3 |
Железо и примеси | Остальное |
Необходимые свойства предлагаемой стали обеспечиваются за счет применения комплексного легирования, при котором учитывалось воздействия легирующих элементов на процессы упрочнения и технологичность стали и на характер их взаимодействия друг с другом.
В сталь введен хром в количестве от 4,5 до 5,2, так как установлено, что при содержании в стали углерода в заявленном диапазоне, наиболее активно влияет на упрочнение стали при закалке. Хром в заявленном количестве при минимальном влиянии на металлическую основу имеет большую склонность к образованию специальных карбидов (Cr23C6, Cr7C3), которые растворяют в себе железо и легирующие элементы в неограниченном количестве. Кроме того, хром повышает прокаливаемость, что важно для крупногабаритных тяжелонагруженных деталей, так как обеспечивается структурная однородность, а следовательно, стабильность механических свойств по сечению.
В отличие от сталей-аналогов для повышения теплостойкости предлагаемая сталь легирована вольфрамом, который в заявленном количестве в сочетании с хромом и молибденом в указанных диапазонах образует сложные карбиды с формулой М6С. Карбиды этого типа растворимы в аустените, что способствует при дисперсионно-карбидном упрочнении цементованных слоев образованию специальных тугоплавких карбидов, повышающих теплостойкость.
Экспериментально установлено, что в присутствии в заявленном количестве вольфрама и молибдена на дисперсионно-карбидное упрочнение цементованного слоя усиливается положительное влияние ванадия, так как часть ванадия, при растворении сложного карбида Ме6С в аустените, переходит в аустенит и выделяется впоследствии при дисперсионном твердении в составе спецкарбидов, также повышая теплостойкость цементованного слоя. Наряду с этим ванадий улучшает свариваемость стали и увеличивает пластичность при горячей пластической деформации.
В состав стали введен ниобий, который в выбранном диапазоне способствует измельчению зерна, что положительно влияет, как на повышение пластичности, так и на эффективность процесса цементации, повышает сопротивление стали ползучести и разрушению при высоких температурах. Кроме того, ниобий является сильным карбидообразователем, при дисперсионно-карбидном упрочнении образует специальные карбиды.
Для обеспечения прочности и пластичности сердцевины, технологичности предлагаемой стали в состав введен никель, который в выбранном диапазоне способствует упрочнению за счет образования с железом растворов замещения, измельчения зерна, кроме того, снижает температуру закалки, уменьшает критическую скорость закалки.
Наряду с никелем в состав предлагаемой стали введен кобальт, который в сочетании с вольфрамом, в выбранных диапазонах повышает теплостойкость, вторичную твердость и теплопроводность. Так как сталь предполагается к применению после цементации при введении кобальта учитывалось и то, что присутствие его в составе положительно влияет на коэффициент диффузии углерода при цементации, что позволяет сократить продолжительность процесса и повысить энергоэффективность.
Таким образом, за счет увеличения содержания никеля, легирования кобальтом, вольфрамом и ниобием при заявленном содержании и соотношении компонентов сталь после окончательной термической и химико-термической обработки имеет сочетание высокой твердости поверхности с вязкой сердцевиной.
Примеры осуществления
В производственных условиях ФГУП «ВИАМ» проводили опробование предлагаемой стали выплавленной в вакуумно-индукционной установке (ВИУ), что позволило существенно уменьшить загрязненность металла неметаллическими включениями, которые негативно влияют на сопротивление контактной усталости цементуемой теплостойкой стали.
Химический состав и механические свойства предлагаемой стали и известной стали-прототипа приведены в таблицах 1, 2.
После выплавки стали, полученные слитки подвергали термической обработке с целью выравнивания структуры и снижения твердости для улучшения механической обработки.
Для изготовления полуфабрикатов (прутков) слитки подвергали горячей пластической деформации (ковке) и низкотемпературному отжигу. После отжига из прутков изготавливали образцы для определения твердости с целью контроля качества термической обработки.
На образцах из цементуемой теплостойкой стали после окончательной термической и химико-термической обработки обеспечивалась твердость цементованной поверхности 60,0-61,5 HRC, твердость сердцевины 42,546HRC, прочность сердцевины 1500-1540 МПа, вязкость разрушения 69-75 и теплостойкость не менее 450°С. Известная сталь-прототип имеет твердость 60-61 HRC, предел прочности (по результатам проверочных испытаний) 1350-1380 МПа, вязкость разрушения 60 и теплостойкость не более 450°С.
Сравнительный анализ данных из таблицы 2 показывает, что предлагаемая сталь обладает комплексом механических и эксплуатационных свойств на уровне применяемой зарубежной стали-прототипа M50Nil, что позволяет осуществить импортозамещение зарубежных теплостойких сталей при производстве авиационных тяжелонагруженных подшипников.
Claims (2)
- Цементуемая теплостойкая сталь, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, железо и примеси, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит вольфрам, кобальт и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
-
углерод 0,15-0,20 кремний 0,3-0,5 марганец 0,1-0,3 хром 4,5-5,2 никель 3,8-4,3 молибден 3,2-3,8 ванадий 0,8-1,2 кобальт 0,5-1,0 вольфрам 1,0-1,4 ниобий 0,1-0,3 железо и примеси остальное
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020118383A RU2748448C1 (ru) | 2020-06-03 | 2020-06-03 | Цементуемая теплостойкая сталь |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020118383A RU2748448C1 (ru) | 2020-06-03 | 2020-06-03 | Цементуемая теплостойкая сталь |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2748448C1 true RU2748448C1 (ru) | 2021-05-25 |
Family
ID=76034023
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020118383A RU2748448C1 (ru) | 2020-06-03 | 2020-06-03 | Цементуемая теплостойкая сталь |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2748448C1 (ru) |
Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61139652A (ja) * | 1984-12-10 | 1986-06-26 | Aichi Steel Works Ltd | 析出硬化型熱間工具鋼 |
UA66448A (en) * | 2003-02-07 | 2004-05-17 | Anatolii Leonidovych Stepanov | A high-speed carburizing steel (variants) and a method for processing the cutting tool of the high-speed carburizing steel (variants) |
RU2296177C1 (ru) * | 2005-08-15 | 2007-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Коррозионно-стойкая дисперсионно-твердеющая сталь |
RU2497974C2 (ru) * | 2008-07-15 | 2013-11-10 | Обер Э Дюваль | Закаленная мартенситная сталь с низким содержанием кобальта, способ получения детали из этой стали и деталь, полученная этим способом |
US20160305006A1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-10-20 | Hyundai Motor Company | Carburizing alloy steel having improved durability and method of manufacturing the same |
FR3078978B1 (fr) * | 2018-03-14 | 2020-03-13 | Aubert & Duval | Composition d'acier |
-
2020
- 2020-06-03 RU RU2020118383A patent/RU2748448C1/ru active
Patent Citations (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS61139652A (ja) * | 1984-12-10 | 1986-06-26 | Aichi Steel Works Ltd | 析出硬化型熱間工具鋼 |
UA66448A (en) * | 2003-02-07 | 2004-05-17 | Anatolii Leonidovych Stepanov | A high-speed carburizing steel (variants) and a method for processing the cutting tool of the high-speed carburizing steel (variants) |
RU2296177C1 (ru) * | 2005-08-15 | 2007-03-27 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Всероссийский научно-исследовательский институт авиационных материалов" (ФГУП "ВИАМ") | Коррозионно-стойкая дисперсионно-твердеющая сталь |
RU2497974C2 (ru) * | 2008-07-15 | 2013-11-10 | Обер Э Дюваль | Закаленная мартенситная сталь с низким содержанием кобальта, способ получения детали из этой стали и деталь, полученная этим способом |
US20160305006A1 (en) * | 2015-04-20 | 2016-10-20 | Hyundai Motor Company | Carburizing alloy steel having improved durability and method of manufacturing the same |
FR3078978B1 (fr) * | 2018-03-14 | 2020-03-13 | Aubert & Duval | Composition d'acier |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4390576B2 (ja) | 転動部材 | |
JP6784960B2 (ja) | マルテンサイト系ステンレス鋼部材 | |
CN109136765B (zh) | 一种热作模具钢及其制备方法 | |
JP2001073066A (ja) | 高温強度と靱性に優れた低Crフェライト系耐熱鋼およびその製造方法 | |
JP2008133499A (ja) | 高硬度マルテンサイト系ステンレス鋼 | |
JP2006213951A (ja) | 冷間加工性に優れ、浸炭時の結晶粒の粗大化を防止し、耐衝撃特性、耐衝撃疲労特性に優れた浸炭部品用鋼 | |
JP5558887B2 (ja) | 低サイクル疲労強度に優れるTi、B添加鋼を用いた高強度部品の製造方法 | |
JP5505263B2 (ja) | 低サイクル疲労特性に優れた浸炭焼入れ鋼材及び浸炭焼入れ部品 | |
RU2690059C1 (ru) | Стальной материал и стальная труба для нефтяных скважин | |
JP5767594B2 (ja) | 窒化用鋼材およびこれを用いた窒化部材 | |
JP2010007120A (ja) | 高強度浸炭部品の製造方法 | |
JP4502929B2 (ja) | 転動疲労特性および結晶粒粗大化防止特性に優れた肌焼用鋼 | |
JP2017186592A (ja) | 表層と板厚中心部の硬度に優れ、かつ表層と中心の硬度差の小さい板厚200mm超の厚鋼板およびその製造方法 | |
JP2019183215A (ja) | 浸炭機械部品及びその製造方法 | |
JP2017133052A (ja) | 浸炭時の粗大粒防止特性と疲労特性と被削性に優れた肌焼鋼およびその製造方法 | |
RU2748448C1 (ru) | Цементуемая теплостойкая сталь | |
JP7205112B2 (ja) | 浸炭窒化用鋼 | |
JP4912385B2 (ja) | 転動部材の製造方法 | |
JP5233307B2 (ja) | 耐腐食性および冷間鍛造性に優れ環境から水素が入りにくい高強度鋼および金属ボルト | |
JP2002194485A (ja) | 低合金耐熱鋼 | |
JP2019026881A (ja) | 鋼部材 | |
JP3750596B2 (ja) | マルテンサイト系ステンレス鋼 | |
Mengaroni et al. | Strengthening improvement on gear steels | |
RU2737903C1 (ru) | Высокопрочная конструкционная сталь | |
Voznesenskaya et al. | High-strength corrosion-resistant steels of the austenitic-martensitic class |
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 |