СПОСОБ ЛЕГИРОВАНИЯ ЧУГУНА ВАНАДИЕМ
CAST IRON ALLOYING WITH VANADIUM

Изобретение относится к способам легирования железоуглеродистых сплавов. Задачей изобретения является усиление эффективности легирования при повышении прочности чугунов путем введения ванадия в высокодисперсном состоянии в виде отдельных скоплений атомов. Изобретение может быть применено при получении высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, по комплексу физико-механических и технологических свойств являющихся уникальным материалом. Применение его для ответственных деталей, работающих в условиях знакопеременных нагрузок, в ряде случаев является предпочтительным (коленчатые валы, зубчатые колеса, шатуны и др.) При этом необходимое сочетание прочности и пластичности достигается за счет усложнения металлической основы сплава с переходом от перлитной к ферритно-мартенситной или бейнитно-аустенитной структуре. Однако такой подход снижает эффект от основного преимущества чугунов перед сталями - технологичности. Результаты комплексного исследования прочности и трещиностойкости чугунов с шаровидным графитом показали, что обеспечение высокого качества материала связано с большим числом факторов. Но наиболее важным показателем необходимо считать вид структуры металлической основы. Высокие значения вязкости разрушения (трещиностойкости) достигнуты при ферритной структуре. В этом случае в условиях высокой пластичности обеспечивается стремление твердого тела осуществлять наиболее эффективные каналы релаксации напряжений. Результаты исследования специфики пластического течения зарождения трещин и разрушения в условиях циклических нагрузок показали, что для пластичных материалов весьма благоприятно введение примесей, образующих стойкие химические соединения, которые затрудняют зернограничное скольжение и локализацию деформации, формируют в сплаве мелкозернистую термостабильную структуру. Введение дисперсных включений в ферритную металлическую основу чугуна повышает прочностные характеристики материала.
Одной из наиболее эффективных упрочняющих фаз являются включения карбида ванадия. По сравнению с традиционными включениями карбида хрома они лучше диспергируются в железоуглеродистом сплаве, и внедренный ванадий полностью переходит в карбид ванадия. Карбиды ванадия, являясь более жесткими материалами, чем карбиды хрома, более эффективно обеспечивают дисперсное упрочнение ферритной матрицы. Но обычный способ легирования ванадием с последующим гомогенизирующим отжигом обеспечивает равновесный размер карбидов ванадия 30 нм. Освоенный авторами метод химического диспергирования при легировании ряда металлических сплавов [1] позволил получать включения легирующего элемента значительно ниже равновесного.
2
5
2
3
2
4
Задача изобретения - реализовать процесс химического диспергирования ванадия в железоуглеродистый сплав с обеспечением полноты протекания реакции восстановления легирующего элемента и предотвращением окисления его кислородом воздуха. Надлежащее осуществление процесса достигается применением в качестве исходного соединения ванадия пятиокись VO, которая имеет сравнительно невысокую температуру плавления - 680°C (VO - 1830°C, VO - 1970°C, VO - 1530°C), а в качестве восстановителя применить кремний в виде ферросилиция. Такой способ легирования позволяет реализовать эффект химического диспергирования без технических трудностей и удорожания процесса. Применение в качестве восстановителя алюминия или углерода приводит к удорожанию процесса или необходимости увеличения температуры.
Пример осуществления.
2
5
Исходный чугун состава C - 3.31; Si - 2.30; Mn - 1.00; S - 0.03; P≤0.03 (мас.%) - плавили в индукционной печи марки ВЧИ 1-4/1,78. Сфероидизирующее модифицирование осуществляли по способу [1], который наряду с высокоэффективным диспергированием магния обеспечивал высокое раскисление и обессеривание расплава. Остаточное содержание серы и кислорода в чугуне составляло не более 0.001%. Ввод ванадия в расплав осуществлялся двумя путями: обычным с применением лигатуры ФВд35А и вводом на поверхность расплава смеси 30% VO+20%ФС75+50% CaO. Для получения ферритной структуры расплав чугуна после обработки сливали в подогреваемую форму. Полученные образцы подвергали химическому металлографическому анализу. Результаты анализов показали содержание ванадия в образцах (после обработки феррованадием и химически диспергированным ванадием) в пределах 0.1-1.1%, регулируемых количеством введенной присадки. Размер включений ванадия при его вводе в виде феррованадия составил 30 нм после гомогенизирующего отжига (до отжига в литом состоянии размер включений значительно превышал эту величину). При химическом диспергировании удавалось получить включения ванадия значительно меньших размеров в литом состоянии. Результаты механических свойств рассматриваемых образцов представлены в работе [2].
Преимущества предлагаемого способа.
Предлагаемый способ легирования позволяет без дополнительных затрат и технических трудностей получать мелкодисперсные включения ванадия в чугуне, что, как показано в работе [2], способствует резкому увеличению прочностных характеристик материала.
Литература
1. Способ модифицирования чугуна. Патент №2058396 РФ.
2. Шахназаров Т.А., Тахтарова Ю.А. Диссипативные процессы при циклическом упрочнении чугуна с шаровидным графитом. Металлы. 2006, №4 с.54-61.