БЕЛЫЙ ЧУГУН Российский патент 2009 года по МПК C22C37/08 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к белым чугунам, и может быть использовано для изготовления износостойких деталей методами литья и наплавкой изнашиваемых поверхностей. Известен сплав [1], содержащий, мас.%:

Углерод 1,42-2,33 Кремний 0,48-1,24 Марганец 1,84-4,05 Хром 4,40-8,50 Ванадий 2,93-7,42 Молибден 0,10-1,12 РЗМ 0,02-0,18 Алюминий 0,03-0,26 Железо Остальное

Этот сплав предназначен для изготовления точнолитых деталей. Он обладает высокой твердостью, износостойкостью и повышенными прочностными свойствами, причем эти свойства обеспечиваются в отливках путем их самозакалки. Поэтому механическая обработка отливок возможна в основном путем их шлифования.

К недостаткам сплава относится его плохая обрабатываемость лезвийным инструментом, так как даже в отожженном состоянии он сохраняет высокую твердость (50 HRC и более), что значительно затрудняет изготовление из него многих деталей.

Наиболее близким к предлагаемому является сплав [2], содержащий, мас.%:

Углерод 2,74-3,42 Кремний 0,61-1,88 Марганец 0,33-1,74 Хром 6,95-12,53 Ванадий 6,66-9,47 Молибден 0,21-4,48 РЗМ 0,01-0,06 Алюминий 0,04-0,22 Барий 0,01-0,08 Железо Остальное

Этот сплав предназначен для изготовления высокотвердых, износостойких и теплостойких изделий с использованием механической обработки лезвийным инструментом. В результате отжига его твердость снижается до 35-40 HRC.

К недостаткам сплава относится невозможность стабильного снижения твердости при отжиге до значений менее 35 HRC, обеспечивающих его достаточно хорошую обрабатываемость твердосплавным лезвийным инструментом. Другим недостатком является повышенное содержание молибдена (до 4,48%), необходимое для обеспечения прокаливаемости массивных изделий при термической обработке и значительно удорожающее сплав.

Задача изобретения - обеспечение пониженной твердости и удовлетворительной обрабатываемости резанием в отожженном состоянии при сохранении высокой твердости и износостойкости в термообработанном (после закалки и отпуска) состоянии, в том числе в массивных изделиях при пониженном содержании молибдена в сплаве.

Технический результат - возможность изготовления высокотвердых и износостойких изделий с использованием механической обработки твердосплавным лезвийным инструментом при снижении себестоимости массивных изделий.

Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, молибден, барий, РЗМ и железо, дополнительно содержит медь и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 1,89-2,68 Кремний 0,74-1,66 Марганец 0,27-1,69 Хром 5.90-9.77 Ванадий 5.02-7.33 Молибден 0,18-1,35 Медь 0,37-1,56 Никель 0,20-1,02 Барий 0,02-0,07 РЗМ 0,01-0,06 Железо Остальное

при этом соблюдается следующее соотношение: ∑=%Mn+%Ni+%Cu=1,54-2,92%.

В качестве примесей в сплаве могут присутствовать сера (до 0,03%) и фосфор (до 0,06%).

Состав сплава выбран исходя из следующих соображений.

Уменьшено содержание углерода как по нижнему (1,89%), так и по верхнему (2,68%) пределам с целью уменьшения количества карбидов в структуре сплава и улучшения его обрабатываемости в отожженном состоянии. При этом содержание углерода скоррелировано с содержанием карбидообразующих элементов (ванадия и хрома). При содержании углерода менее 1,89% уменьшается количество карбидов в структуре сплава, матрица (металлическая основа) сплава оказывается малоуглеродистой, что проявляется в ее плохой закаливаемости и пониженной твердости сплава. Увеличение содержания углерода более 2,68% приводит к увеличению количества карбидов М₇С₃ (типа Cr₇С₃) и снижению доли карбидов ванадия VC, что проявляется в нарушении композиционного характера структуры сплава, ухудшении его механических свойств и обрабатываемости резанием.

Содержание хрома уменьшено (по нижнему пределу до 5,90%, по верхнему - до 9,77%) для формирования в сплаве композиционной структуры на основе карбидов ванадия, что обеспечивает высокий уровень механических свойств и износостойкости сплава. При содержании хрома менее 5,90% уменьшается общее количество карбидов, что приводит к снижению твердости сплава. При увеличении содержания хрома более 9,77% уменьшается доля карбидов VC и ухудшаются механические свойства сплава и его обрабатываемость резанием.

Принятое содержание ванадия обеспечивает преобладание в сплаве карбидов VC и композиционный характер структуры. Если содержание ванадия менее 5,02%, то это условие не соблюдается. Увеличение содержания ванадия более 7,33% приводит к удорожанию сплава без повышения его свойств.

В сплаве снижен верхний предел содержания молибдена до 1,35% с целью уменьшения его себестоимости при производстве толстостенных отливок (40 мм и более). При этом необходимая прокаливаемость массивных изделий обеспечивается за счет измененного комплексного легирования.

В состав сплава дополнительно введены медь и никель. Они повышают прокаливаемость чугуна и упрочняют твердорастворные матричные фазы.

Медь введена в количестве от 0,37 до 1,56%. При нижнем содержании медь в сочетании с комплексом других легирующих элементов обеспечивает не только повышенную прокаливаемость, но и дополнительное дисперсионное упрочнение матрицы чугуна. При содержании менее 0,37% положительное влияние меди не проявляется. Верхний предел содержания меди (1,56%) обеспечивает стабилизацию остаточного аустенита в структуре чугуна (особенно в сочетании с повышенными содержаниями марганца и никеля), что отрицательно сказывается на отжигаемости чугуна и окончательной твердости изделий в термообработанном состоянии.

Аналогичное влияние оказывает и никель, чем объясняется ограничение его содержания интервалом от 0,20 до 1,02%.

Введено дополнительное ограничение суммарного содержания элементов-аустенитизаторов (параметр ∑=%Mn+%Ni+%Cu=1,54-2,92%). Нижний предел используется для тонкостенных изделий (толщиной до 20 мм), верхний предел - для более массивных изделий (сечением 40 мм и более). При значении параметра ∑=1,54-2,92% обеспечивается сквозная прокаливаемость массивных изделий при хорошей закаливаемости чугуна (более 60 HRC).

Кремний, марганец, барий и РЗМ содержатся в сплаве в пределах, аналогичных прототипу, с известным их влиянием.

Чугун выплавляли в индукционной тигельной печи ИСТ-0,06 с основной хромомагнезитовой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, передельного чугуна, электродного боя, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома, феррованадия, ферромолибдена). РЗМ в виде сплава ФЦМ-5 и силикобарий использовали в составе модифицирующей смеси. Модифицирование проводили в разливочном ковше емкостью 50 кг при температуре жидкого сплава 1520-1550°С.

Жидкий сплав разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали круглые заготовки диаметром 20 мм и длиной 200 мм (для обработки резанием) и пластины сечением 40×40 мм. Из литых заготовок изготавливали образцы для проведения испытаний на твердость и образцы для металлографического анализа. Определение твердости и металлографический анализ проводили как в литом, так и в термообработанном состояниях. Термическую обработку образцов проводили по следующим режимам:

- отжиг - температура 950°С, выдержка 4 часа;

- закалка - температура нагрева 1000°С, выдержка 30 минут, охлаждение в масле;

- отпуск после закалки - температура 200°С, выдержка 1,5 часа.

Химические составы чугунов и результаты их испытаний приведены в табл.1 и 2 в сопоставлении с прототипом.

Видно, что чугун предлагаемого состава отличается от известного более существенным снижением твердости при отжиге, что обеспечивает возможность его механической обработки твердосплавным лезвийным инструментом, но в термообработанном состоянии (после закалки и отпуска) он имеет высокую твердость, не уступая по этому показателю прототипу. При выходе за предлагаемые пределы содержаний компонентов в сплаве (сплавы 7 и 8) существенно ухудшаются его характеристики: повышается твердость в отожженном состоянии (особенно у сплава 7) и снижается твердость в термообработанном (рабочем) состоянии.

Предлагаемый сплав, как и сплав-прототип, может быть использован не только для получения изделий методами литья, но и путем наплавки изнашиваемых поверхностей изделий, в частности, при их восстановлении.

Источники информации

1. Патент РФ №2149915, кл. С22С 37/10, 2000.

2. Патент BY №7284, кл. С22С 37/10, 2005.

Таблица 1
Химические составы сплавов Сплав Содержание элементов, мас.% С Si Mn Cr V Mo Cu Ni Ba РЗМ ∑ 1 1,89 1,66 0,43 6,12 5,02 0,56 1,56 0,37 0,07 0,01 2,36 2 2,03 1,07 0,68 5,90 6,43 1,35 0,45 0,41 0,05 0,04 1,54 3 2,32 1,41 1,33 8,45 6,61 0,93 0,37 0,35 0,03 0,04 2,05 4 2,47 0,85 1,16 7,84 6,54 0,71 0,91 0,85 0,02 0,06 2,92 5 2,59 0,74 0,27 9,77 6,91 0,18 0,40 1,02 0,05 0,03 1,69 6 2,68 0,92 1,69 7,92 7,33 0,35 0,88 0,20 0,04 0,05 2,77 7 1,64 0,57 1,85 12,2 9,61 2,40 1,68 1,26 0,09 0,001 4,79 8 3,06 2,03 0,25 5,17 4,85 0,12 0,22 0,16 0,01 0,08 0,73 Прототип ^*) 3,06 1,15 0,33 9,02 8,11 3,10 - - 0,08 0,01 - ^*) В состав прототипа также входит 0,04% Al.

Таблица 2
Твердость сплавов № сплава Твердость HRC на образцах диаметром 20 мм сечением 40×41 мм в литом состоянии после отжига после закалки и отпуска в литом состоянии после отжига после закалки и отпуска 1 47-49 26-28 63-65 46-48 27-29 62-63 2 48-50 27-29 63-65 46-48 27-29 61-62 3 50-51 28-30 63-65 48-50 28-30 62-63 4 50-52 29-31 64-66 49-51 28-31 64-65 5 46-48 29-31 63-65 46-47 28-30 61-62 6 50-51 28-30 63-65 49-51 28-30 62-64 7 56-59 43-45 59-61 55-57 43-45 59-61 8 45-48 32-34 62-64 43-45 32-35 59-61 Прототип 58-60 36-38 63-65 56-58 37-40 63-65

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составам белых чугунов, и может использоваться для изготовления износостойких деталей методами литья и наплавкой изнашиваемых поверхностей. Белый чугун содержит, мас.%: углерод 1,89-2,68, кремний 0,74-1,66, марганец 0,27-1,69, хром 5,90-9,77, ванадий 5,02-7,33, молибден 0,18-1,35, медь 0,37-1,56, барий 0,02-0,07, РЗМ 0,01-0,06, железо - остальное. При этом ∑=%Mn+%Ni+%Cu=1,54-2,92%. Чугун обладает пониженной твердостью и удовлетворительной обрабатываемостью резанием в отожженном состоянии при сохранении высокой твердости и износостойкости после закалки и отпуска. 2 табл.

Белый чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, молибден, барий, РЗМ и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 1,89-2,68 кремний 0,74-1,66 марганец 0,27-1,69 хром 5,90-9,77 ванадий 5,02-7,33 молибден 0,18-1,35 медь 0,37-1,56 никель 0,20-1,02 барий 0,02-0,07 РЗМ 0,01-0,06 железо остальное