Патент на изобретение №2389819

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2389819 (13) C1
(51) МПК

C22C38/38 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 09.08.2010 – действует

(21), (22) Заявка: 2009117171/02, 05.05.2009

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

05.05.2009

(46) Опубликовано: 20.05.2010

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
RU 2270267 C1, 20.02.2006. SU 1101465 A1, 07.07.1984. SU 1741611 A3, 15.06.1992. JP 62-170457 A, 27.07.1987. JP 2002-256395 A, 11.09.2002. DE 19882917 T1, 04.10.2001.

Адрес для переписки:

450000, Башкортостан, г.Уфа, Главпочтамт, а/я 1031, М.Г.Падерину

(72) Автор(ы):

Падерин Михаил Григорьевич (RU),
Сагарадзе Виктор Владимирович (RU),
Белозеров Евгений Вячеславович (RU),
Кашафутдинов Варис Булатович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Падерин Михаил Григорьевич (RU),
Сагарадзе Виктор Владимирович (RU),
Белозеров Евгений Вячеславович (RU),
Кашафутдинов Варис Булатович (RU)

(54) СТАРЕЮЩАЯ АУСТЕНИТНАЯ СТАЛЬ С ПАМЯТЬЮ ФОРМЫ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стареющим сплавам на основе железа, в частности к стареющей аустенитной стали, обладающей эффектом памяти формы. Сталь содержит углерод, марганец, кремний, ванадий, молибден, галлий, бор, хром и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 0,27-0,50, марганец 14-18, кремний 2,0-3,0, ванадий 1,6-3,0, молибден 0,1-1,9, хром 0,1-4, галлий 0,1-0,5, бор 0,001-0,003, железо остальное. Отношение содержания ванадия к содержанию углерода составляет не менее 5, а суммарное содержание марганца и хрома – не менее 16 мас.%. Сталь обладает повышенными пластическими свойствами в упрочненном состоянии при сохранении высоких прочностных характеристик и величины обратимой деформации. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к стареющим сплавам на основе железа, в частности к стареющей аустенитной стали, обладающей эффектом памяти формы (ЭПФ). Изделия из сталей с ЭПФ можно использовать в качестве муфт при бесшовном соединении трубопроводов и топливопроводов, в качестве силовых блоков в различного рода охранной и противопожарной автоматике.

ЭПФ проявляется в частичном восстановлении (вспоминании) формы или размеров после нагрева предварительно деформированного, например путем изгиба, образца. Причиной таких изменений является развитие прямого мартенситного превращения при холодной деформации и обратного превращения при последующем нагреве, что вызывает полное или частичное восстановление формы, которую имел образец перед исходной холодной деформацией.

Сплавы с ЭПФ находят применение в современной технике. Особый интерес среди известных материалов вызывают сплавы на основе железа и стали как наиболее дешевые и технологичные в изготовлении.

Важными характеристиками сталей с ЭПФ являются величина обратимой деформации и усилие при разгибе в процессе восстановления формы, которое зависит от прочностных характеристик. Значение ЭПФ соответствует величине обратимой деформации при нагреве и определяется углом разгиба предварительно согнутого материала. Прочностные свойства характеризуются временным сопротивлением разрыву в и условным пределом текучести 0,2.

Другим не менее важным свойством, которым должна обладать сталь, является повышенная пластичность. Она нужна как при производстве изделий из ЭПФ-сталей с помощью холодной деформации, так и для осуществления деформационно-индуцированного превращения с целью последующей реализации эффекта памяти формы в процессе нагрева. Высокий запас пластичности (относительного удлинения ) в ЭПФ-сталях, как и в других конструкционных материалах, необходим также для предотвращения преждевременного разрушения нагруженных изделий. Необходимо, чтобы повышение пластичности стали сопровождалось сохранением достаточно высоких значений обратимой деформации и не приводило к большому снижению прочностных характеристик.

Среди известных функциональных материалов отсутствуют стали, которые одновременно обладали бы необходимыми прочностными характеристиками (в=1000-1150 МПа, 0,2=650-750 МПа), пластическими свойствами (=30-40%) и высокими значениями ЭПФ (с углом разгиба не менее 130-150°).

Известны аустенитные стареющие стали, близкие по составу к предлагаемой. Сталь, содержащая, мас.%: 0,15-0,25 С, 17-19 Mn; 2-2,5 Si; 1,1-1,5 V и Fc – остальное (авт.св. СССР 1101465), в состаренном состоянии обладает низкими прочностными характеристиками из-за недостаточного количества углерода (предел текучести 0,2=549-630 МПа) и пониженными значениями обратимой деформации (угол разгиба согнутого в кольцо образца составляет 80° и меньше при максимально возможном угле разгиба в реальных ЭПФ сталях до 150°).

Сталь, содержащая 0,4-0,6 С; 15-25 Mn; 3,5-4,5 Cr; 0,9-1,7 V; 0,05-0,15 Zr; 0,05-0,15 Nb, 0,05-0,16 N (авт.св. СССР 981436), обладает удовлетворительными механическими характеристиками (прочностью и пластичностью), но в отсутствие кремния и оптимального легирования имеет низкие значения величины обратимой деформации (угол разгиба =40-60%).

Недостатком известных сталей является отсутствие сочетания высоких механических характеристик и необходимых значений обратимой деформации. Эти стали не могут быть использованы в качестве высокопрочных материалов с ЭПФ.

Наиболее близкой к заявляемой по составу (табл 1, п.5), технической сущности и достигаемому результату является стареющая аустенитная сталь, содержащая, мас.%: 0,25-0,50 С; 16-25 Mn; 1-3 Si; 1.1-3 V; 0,1-3 W; 0,1-3 Mo; 0,1-1,0 Nb; остальное Fe (патент РФ 2270267). В этой стали достаточно велика величина обратимой деформации при нагреве, определяемая углом разгиба предварительно согнутого в цилиндр листового образца, равная 110-150 градусов (см. п.5, табл.2). Эта сталь в результате выделения карбидов VC при 650°С обладает хорошими прочностными характеристиками (в в упрочненном старением состоянии составляет обычно 1060-1194 МПа, табл.2). При максимальном количестве легирующих элементов (0,5% С, 3% W и 3% V) в этой стали в увеличивается до 1320 МПа, но резко падает пластичность (относительное удлинение ) до 15%.

Недостатком этой стали являются малые величины относительного удлинения (16-29%, см. п.5, табл.2), что снижает возможности производства и эксплуатации изделий. Таким образом, и эта сталь не обладает всем необходимым комплексом параметров, присущим ЭПФ-сталям.

В основу изобретения положена задача повышения пластических свойств стали в упрочненном состоянии при сохранении высоких прочностных характеристик и величины обратимой деформации путем оптимизации состава и дополнительного легирования.

Поставленная задача решается тем, что стареющая аустенитная сталь с памятью формы, содержащая железо, углерод, марганец, кремний, молибден и ванадий, согласно изобретению дополнительно содержит галлий, бор и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 0,27-0,50
Марганец 14-18
Кремний 2,0-3,0
Ванадий 1,6-3,0
Молибден 0,1-1,9
Хром 0,1-4,0
Галлий 0,1-0,5
Бор 0,001-0,003
Железо Остальное

причем отношение содержания ванадия к содержанию углерода в сплаве должно быть не менее 5, что необходимо для формирования нужного количества наноразмерных карбидов VC для упрочнения и повышения величины обратимой деформации, а суммарное содержание марганца и хрома – не менее 16 мас.% для получения оптимального количества -мартенсита деформации и высоких значений ЭПФ.

Для повышения пластичности сталь легировали небольшим количеством галлия, который образует галлийсодержащие частицы и уменьшает размер зерна при высокотемпературной обработке. Положительное влияние галлия на пластичность сплавов недавно было отмечено в журнале ФММ, 2008, т.106, в.5, с.489-497.

Одновременно было проведено микролегирование стали горофильным элементом бором, вытесняющим с границ зерен нежелательные примеси, что позволяет уменьшить выделение зернограничных фаз и улучшить механические свойства (см. монографию «Бор, кальций, ниобий, цирконий в чугуне и стали», Перевод с англ., 1961, Металлургиздат, Москва, 460 с.).

Было выполнено дополнительное легирование аустенитной стали хромом, который снижает энергию дефектов упаковки и способствует образованию -мартенсита при малых степенях деформации, что чрезвычайно важно для получения высоких значений обратимой деформации.

Легирование хромом позволяет снизить минимальное возможное содержание марганца до 14%, что благоприятно сказывается на улучшении экологической обстановки при выплавке стали. Кроме того, повышенное содержание Cr в стали делает эти стали более короззионностойкими.

Для дополнительного увеличения пластичности предлагаемой ЭПФ-стали (по сравнению с прототипом) из ее состава были исключены такие сильные карбидообразующие элементы, как Nb и W, а содержание молибдена было ограничено 1,9 мас.%. Для сохранения высоких прочностных характеристик в предлагаемой стареющей стали концентрация углерода должна быть не ниже 0,27 мас.%.

Свойства прототипа (п.5, табл.2) в зависимости от изменения его состава (п.5, табл.1) взяты из описания патента РФ 2270267.

В таблице 1 приведены составы предложенной аустенитной стареющей стали (1-4) и известной стали 5 (прототип), мас.%.

Таблица 1
Сталь С Mn Si V Cr Ga В W Nb Мо Fe
1 0,5 14.0 2,5 2,5 4,0 0,1 0,003 0,1 Ост
2 0,5 14,0 3,0 3,0 4,0 0,1 0,003 1,0 Ост.
3 0,27 17,0 2,5 1,6 0,1 0,15 0,002 1,9 Ост.
4 0,4 18,0 2,0 2,0 1,0 0,5 0,001 1,0 Ост.
5 (прототип) 0,25-0,5 16-25,0 1,0-3,0 1,1-3,0 0,1-3,0 0,1-1,0 0,1-3,0 Ост.

В таблице 2 приведены механические свойства (относительное удлинение %, временное сопротивление в, предел текучести 0,2) и величины ЭПФ (углы разгиба образцов при нагреве) предлагаемой стали (1-4) и прототипа (5).

Таблица 2
Сталь Относит. удлинение ,% Временное сопротивл. в, МПа Предел текучести 0,2, МПа Велич. ЭПФ (угол ), градусы Режим термообработки
1 40 1173 678 120 Закалка от 1150°С (З) + Старение (С) – 650°С, 12 ч.
2 30 1174 784 150 З+С (650°С, 12 ч.)
3 44 1080 704 146 З+С (650°С, 12 ч.)
4 31 1006 768 137 З+С (650°С, 12 ч.)
5, прототип 16-29 1060-1194 730-924 110-150 З+С (650°С, 12 ч.)
см. А.С. 2270267

Испытания предложенной стали проводили после закалки от 1150°С на воздухе с последующим старением при 650°С (выдержка 12 ч.). Предварительно, с помощью горячей и холодной прокатки, из всех сталей были изготовлены стандартные образцы для измерения механических свойств и пластины толщиной 1,35 мм, шириной 10 мм и длиной 200 мм для измерения величины обратимой деформации. Состаренные пластины загибали в кольца при комнатной температуре и нагревали до 500°С с целью измерения величины обратимой деформации (величины ЭПФ) по углу разгибания колец , аналогично ранее проведенным испытаниям на прототипе.

Механические свойства стали испытывали при 20°С на машине FP-100 на стандартных образцах. Результаты определения прочностных характеристик (в, 0,2) и пластичности (5), а также режимы термообработки приведены в таблице 2. Как видно из таблицы 2, после закалки и старения предлагаемая сталь (п.1-4) обладает заметно большей пластичностью, чем у прототипа (п.5). Относительное удлинение предложенной стали составляет 30-44% (в прототипе =16-29%). При этом сталь имеет близкие к прототипу значения обратимой деформации (угол разгиба =120-150 градусов) и достаточно высокие прочностные характеристики (в=1006-1174 МПа, 0,2=730-924 МПа).

Формула изобретения

Стареющая аустенитная сталь с памятью формы, содержащая железо, углерод, марганец, кремний, ванадий и молибден, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит галлий, бор и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,27-0,50
марганец 14-18
кремний 2,0-3,0
ванадий 1,6-3,0
молибден 0,1-1,9
хром 0,1-4
галлий 0,1-0,5
бор 0,001-0,003
железо остальное

причем отношение содержания ванадия к содержанию углерода составляет не менее 5, а суммарное содержание марганца и хрома – не менее 16 мас.%.

Categories: BD_2389000-2389999