Мартенситностареющая сталь

(504 С 22 С 38 16 ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯдем ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ К. АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЪСТВУ(71) Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С. М, Кирова (72) Н. В. Звигинцев, В. А. Осминкин, П, И. Сопин, Г. П. Костенков, Б. М. Могутнов, Н. Г. 1 оапошников, С. К. Филатов и А, БПокровский (53) 669.14.018.256-194(088.8) (56) Сталь 55 СМ 5 ФА. ТУ 14-1-1338-75Авторское свидетельство СССР У 1109462, кл. С 22 С 38/14, 1983. (54)(57) МАРТЕНСИТНЭСТАРЕКМЦАЯ СТАЛЬ, содержащая углерод, никель, молибден, титан, алюминий, неодим, церий, кальций, иттрий, железо, о т л и - ч а ю щ а я с я тем, что, с целью повышения механических свойств в состаренном состоянии и в водном растворе сероводорода, она дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.7:Углерод 0,003-0,050Никель 17-9Молибден 2-3Титан 1,4-1,6Алюминий 0,6-0,8Неодим 0,005-0,010Церий 0,001-0,008Кальций0,05-0,07Иттрий 0,005-0,015Медь 0,5-1,5Железо Остальное при выполнении следующих соотношений, мас.Х: сумма никеля и меди меньше или равна 20,5; сумма титана и алюминия равна 2,1-2,3.Изобретение относится к металлургии стали, в частности к изысканиювысокопрочных сталей, предназначенных для изготовления тел каченияшарошечных долот, работоспособность. которых, особенно при турбинномбурении, ограничена из-за весьматяжелых условий работы долота назабое (высокие ударнье нагрузки,повышенная температура - свыше200 С, большое гидростатическоедавление - до 100 атм, наличие впромывочной жидкости твердых фазразбуренной породы, агрессивныхгазов, химических реагентов и т.д.)Цель изобретения - повьппениемеханических свойств в состаренномсостоянии и водном растворе сероводорода.Введение в сталь меди увеличивает эффект дисперсионного твердения истойкость против наводороживания.Растворимость меди в ц, -твердомрастворе составляет десятые долипроцента при комнатной температуреи повышается до 1-3% при температуре около 850 С. Полученный послезакалки пересьпценный твердый раствор упрочняется при температурахстарения 425-470 С за счет образования обогащенных медью кластеров,когерентно связанных с матрицей.Наряду с увеличением коэффициента дисперсионного твердения легирование медью уменьшает растворимость водорода в М -твердом растворе., а выделяющиеся при старениикластеры играют роль барьеров дляпроникновения водорода в металл,что способствует улучшению стойкости стали против наводороживания.Повышение содержания меди больше 1,5% может привести к красноломкости, что затрудняет горячуюобработку стали,Увеличение содержания меди встали более 1,5% нецелесообразноеще и потому, что иэ-за ухудшениямеханических характеристик, обусловленных интенсивным дисперсионным твердением выделяющейся пристарении медистой фазой, ее склонность к охрупчиванию в сероводородной среде возрастает.Введение в сталь меди менее0,5% малоэффективно.Введение меди в сталь сообшаетей, кроме повьппения прочностных характеристик и их стабилизации, 5 10 5 20 25 30 35 40 45 дополнительные свойства - уменьшает степень насьпцения стали водородом и, соответственно, водородноерастрескивание в среде, насьпценнойсероводородом,Слитки стали после кристаллизаоции гомогенизируют при 1150 С 6 ч,подвергают механической обдирке,куют на заготовки и закаливают от830 С в воду. Готовые образцы, шаорики и ролики подвергают старениюпри 450-470 С, 8-10 ч.В табл. 1 приведен химическийсостав трех плавок предлагаемой стали (1-3), сплавов запредельных составов (4-5) и известной - состав 6.В табл. 2,3 и 4 представлены всравнении механические свойства плавок в закаленном и состаренном пооптимальным режимам состоянии.В табл. 4 представлены механические свойства сталей после упрочняюшей обработки и выдержки 30 минв водном растворе сероводорода.Механические испытания (табл. 4)проводят на машине ИМА с диаграм-мной записью. Разрывные образцы изготовлены по ГОСТ 1497-61 (пятикратные) . Ударная вязкость определяется на маятниковом копре типаМКпри 20 С образцы имеют стандартные размеры по ГОСТ 9454-60.Твердость измеряют на прибореРоквелла (шкала КС). Величина погрешности при определении механических характеристик составляет неболее 3%.1Как видно из таблиц, предлагаемаясталь превосходит известную стальпо характеристикам прочности, пластичности, ударной вязкости при испытаниях в вОдном растворе сероводорода.Применение стали в качестве высокопрочного материала в условиях бурения нефтяных и газовых скважинобеспечивает сочетание высоких прочностных и пластических свойств,уменьшение разброса механических характеристик от:плавки к плавке и от образца к образцу - повьппениенадежнос:. ч и служебных характеристик.Натурные испытания показывают.,что ресурс работы долота при изготовлении тел качения из предлагаемой стали увеличивается приблизительно на 15-18%,Полученный комплекс свойств поэыоляет применить предлагаемую сталь1204645 4для изготовления тел качения шарошеч СМ 5 ФА из-эа сильной склонности к ных долот, эксплуатируемых при повы- наводороживанию, в результате чего шенных температурах (200-400 С), резко снйжаются прочностные и пласдавлениях (до 1000 ат), активных сре-тические свойства, не удовлетворяет дах е быстрорастущим требованиям к буровоПрименяемая в настоящее время му инструменту газовой и нефтяной для изготовления тел качения сталь промьппленности. 1 Таблица 1 Сталь Пл Предлагаемая 2 0,0253 0,05 1,0 18,1 2,55 1,56 1,5 19,0 3,0 1,6 0,3 16,0 1,8 1,2 2,0 19,4 3,3 1,8 4 0,0255 0,06 17-20 2-3 1,41,7 6 0,003- -0,05,004 0,0 едлааема запредельные соста 0,5 0,0010,004 0,0 0;04 -,015 0,02 0,15 0,25 Сталь55 СМ 5 ФА Предлагаемая (запредельные составы) ав- Содержание элементов, мас.7С Мп Яа Сц Б 1 Мо Т 1 1 0,003 -- 0,5 17,0 2,0 1,41204645 Таблица 2 Сталькавф МП ПпавМеханические свойства б , МПа КСУ НКС Предлагаемый Ковочные трещины Извест 62-67 1270-1330 170-1230 ная 1,0-1,3 25"28,5 П р и м е ч а н и е. Механические свойства сталей определялись в закаленном состоянии от 830 С 6 ч,оТаблица 3 Механические свойства ПлавСталь ка 1бМПа , Й НВ.С КСБ 0,65-0,755-56 0,6-0,65 56-57 1950-1970 49-54 2250-2280 Предла- гаЖый 2270-2290 1970-1990 48-52 0,55-0,6 2280-2300 1980-2050 47-52 56-57 53-54 2050-2180 1750-1900 47-49 0,5-0,6 Ковочные трещины 2050-2250 1750-1950 45-53 0,45-0,65 53-55 0,3-0,35 55-58Известная 6 7 2150-2300 1900-2000 20-25 55 СМ 5 ФА П р и м е ч а н и е. Механические свойства сталей определены в состаренном состоянии при 480 С. 6 ч. о1204645 Таблица 4 Сталь Плавка Механические свойства НЕС 8МПа б МПа (, Й КСц Предлагаемая 0,5-0,55 56-57 0,0-0,55 52-54 2000-2150 1700-,1850 45"46 Ковочные трещины 0,4-0,6 2000-2200 1700-1900 40-50 Известная 6 55 СМФА 7 53-55 55-58 700-900 0 0 0 Составитель Л. СуязоваРедактор Л. Авраменко ТехредА.Ач Корректор С. Шекмар Заказ 8493/26 Тираж 582 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж-З 5, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 Предлагаемая (запредельные составы) 2200-2230 1900-1920 47-52 2220"2240 1920-1940 48-50 2230-2250 1930-2000 42-46 0,65-0,7 55-56 0,6-0,65 56-56