БЕЛЫЙ ЧУГУН
WHITE CAST IRON

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.
7
3
7
3
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 МС (типа CrС) 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 1Химические 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 <sup>*)</sup>
3,06
1,15
0,33
9,02
8,11
3,10
-
-
0,08
0,01
-
<sup>*)</sup> В состав прототипа также входит 0,04% Al.
Таблица 2Твердость 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