Технічним завданням, на вирішення...
Винахід відноситься до металургії, зокрема до чавунів. Може застосовуватися для виготовлення виливків, що працюють в умовах абразивного зношування, що супроводжується ударними навантаженнями. Запропоновано чавун, що містить мас.%: вуглець 2,6-3,3; кремній 0,38-0,43; марганець 0,38-0,43; хром 0,7-1,1; титан 0,2-0,4; ванадій 0,4-0,7; бір 0,007-0,012; залізо інше, при цьому повинне дотримуватися співвідношення (%Cr+%Ti+%V)/%C=0,50-0,67. Технічним результатом є підвищення зносостійкості та ударостійкості. 2 табл.
Винахід відноситься до металургії і може бути використане для виготовлення виливків, що працюють в умовах абразивного зносу, що супроводжується ударними навантаженнями, наприклад, для куль, що мелють, що застосовуються в цементній, гірничозбагачувальній та інших галузях промисловості.
Відомий чавун, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, титан, ванадій, бір, мідь, алюміній, молібден, кальцій, рідкісноземельні метали, елементи групи сурми і телуру, а також залізо, при наступному співвідношенні компонентів, мас.%:
Сурма та телур 0,01-0,07
(див. а.с. СРСР №1068530, 22 37/10).
Однак зазначений чавун має низьку ударостійкість і зносостійкість через високий вміст кремнію, а також наявності алюмінію та рідкісноземельних металів, що забруднюють чавун неметалевими включеннями з високою щільністю, які важко видаляються з розплаву.
Відомий також чавун, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, титан, ванадій, бор, мідь, алюміній, нікель, барій, азот та залізо, при наступному співвідношенні компонентів, мас.%:
(див. а.с. СРСР №1744141, 22 37/10).
Відомий чавун, маючи достатню ударостійкість, не має необхідної зносостійкості внаслідок високого вмісту кремнію та марганцю.
Найбільш близьким аналогом до чавуну, що заявляється, є зносостійкий чавун, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, титан, ванадій, бір, алюміній, ніобій і залізо, при наступному співвідношенні компонентів, мас.%:
(див. а.с. СРСР №1151585, 22 37/10).
Технічним завданням, на вирішення якої спрямовано винахід, є одночасне підвищення зносостійкості та ударостійкості чавуну.
Поставлене завдання вирішується тим, що відомий чавун, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, титан, ванадій, бор і залізо, згідно винаходу містить зазначені компоненти при наступному співвідношенні, мас.%:
при цьому має дотримуватися співвідношення.
Заявляється кількісне співвідношення компонентів і відношення суми вмісту хрому, титану і ванадію до вмісту вуглецю в чавуні в межах, що заявляються, забезпечують високу зносостійкість і ударостійкість за рахунок отримання оптимальної кількості евтектики у вигляді інвертованого ледебуриту і досягнення ефекту його армування утворюються спеціальними.
При відношенні суми зазначених компонентів нижче 0,5 зносостійкість і ударостійкість знижуються, так як не досягається якісна зміна будови ледебуриту, а кількість його в чавуні значно збільшується, що призводить до крихкості чавуну. Перевищення зазначеного відношення понад 0,67 спричиняє надмірне зміцнення та втрату пластичності ледебуритом, внаслідок чого ударостійкість чавуну значно знижується. Крім того, кількість евтектики у структурі чавуну зменшується, що призводить до зниження його зносостійкості.
Відомо застосування хрому як легуючу добавку для підвищення мікротвердості карбідної фази без зміни будови крихкої ледебуритної евтектики [див., наприклад, Гарбер М.Є.Виливки з білих зносостійких чавунів. - М: Машинобудування, 1972, с.16].
Відомо також використання добавок титану та ванадію для дисперсійного зміцнення карбідної фази та металевої матриці за рахунок утворення дрібних включень спеціальних карбідів з високою твердістю [див., наприклад, Поддубний О.М., Романов Л.М. Зносостійкі виливки з білих чавунів для металургії та машинобудування. - Брянськ: Придесіння, 1999, с.24-27].
Відомо застосування бору в якості модифікуючої добавки, що зменшує швидкість зростання дендритів аустеніту і підвищує пластичність і стійкість до тріщино виливків [див., наприклад, а.с. СРСР №1611974, 22 З 37/10].
У складі чавуну, що заявляється, добавки хрому, титану, ванадію і бору також призначені для створення вищевказаних відомих технічних властивостей. Однак поряд з відомими технічними властивостями легування хромом спільно з добавками титану, ванадію і бору в заявляється співвідношення забезпечує створення нового технічного результату, що полягає в зміні будови евтектики в мікроструктурі чавуну. Присутні в карбідній фазі легуючі елементи забезпечують інвертування її будови при збереженні вихідної морфології, сприяючи перетворенню класичного ледебуриту у вигляді тендітного розгалуженого каркаса в евтектику тонкої будови з високим ступенем дисперсності цементиту і евтектоїду, що міститься в
Наявність у структурі чавуну евтектики зазначеної будови перешкоджає розвитку вибіркового зносу металевої матриці і сприяє локалізації тріщин, що з'являються в карбідній фазі на межі контакту з евтектоїдом, запобігаючи їх подальшому розвитку, що забезпечує одночасне підвищення зносостійкості і ударостійкості чавуну.
На підставівищевикладеного можна дійти невтішного висновку, що з фахівця заявляється склад чавуну не випливає явно з відомого рівня техніки, отже, відповідає умові патентоспроможності “винахідницький рівень”.
Вуглець є основним регулятором карбідів у сплаві. При вмісті вуглецю менше 2,6% знижується зносостійкість чавуну через зменшення кількості твердої карбідної фази. При вмісті вуглецю більше 3,3% відбувається крихка структури у зв'язку з виділенням значної кількості карбідної фази і появою грубих заевтектичних карбідів, що призводить до різкого зниження пластичності, опору зносу і ударним навантаженням.
Кремній є необхідною технологічною добавкою, що забезпечує при виплавці чавуну необхідну рідину металу. Вміст кремнію менше 0,38% не забезпечує рухливість розплаву та формозаповнюваність при литті чавуну. Збільшення вмісту кремнію більше 0,43% знижує прожарювання і відбілювання чавуну, а отже, його твердість і зносостійкість.
Марганець також є технологічною добавкою, так як розкислює сплав, сприяє збільшенню прожарювання, дозволяє отримати структуру необхідної стабільності. Вміст марганцю менше 0,38% не забезпечує необхідного розкислення металу, а збільшення його вмісту більше 0,43% призводить до зростання швидкості кристалізації цементитної фази з евтектичної рідини з утворенням суцільних цементитних полів, а також підвищує схильність чавуну до транскристалізації, що знижує зносо- та ударостійкість чавуну.
При вмісті хрому менше 0,7% ступінь легованості карбідів невелика, а їх мікротвердість не досягає необхідного рівня, тому приріст зносостійкості чавуну незначний. При збільшеннівмісту хрому понад 1,1% його розчинність у карбідній фазі зростає, що призводить до крихкості карбідів та їх вифарбовування при зовнішніх статичних та динамічних навантаженнях на чавунну виливок. В результаті відбувається різке зниження зносо- та ударостійкості чавуну.
Спільна присутність титану, ванадію і бору в кількостях, що заявляються, дозволяє ефективно керувати процесами кристалізації чавуну. Титан - сильний карбідоутворюючий елемент, що мікролегує і модифікує чавун. Карбіди (карбонітриди) титану, що утворюються в рідкому чавуні, відрізняються високою дисперсністю та твердістю. Вони, з одного боку, є додатковими центрами кристалізації, сприяють значному подрібненню литої структури сплаву та рівномірному розподілу карбідної фази в металевій матриці. З іншого боку, перебуваючи в цементитній евтектиці та за межами дендритів колишнього аустеніту, карбіди титану сприяють підвищенню мікротвердості. Крім того, титан вирівнює швидкості кристалізації цементиту та аустеніту, збільшуючи кількість останнього, що підвищує в'язкість чавуну. Сукупність всіх зазначених факторів забезпечує значне одночасне зростання зносо- та ударостійкості чавуну.
Вміст титану менше 0,2% не забезпечує мікролегуючий і модифікуючий ефект, а більше 0,4% - призводить до утворення великих нітридів і карбонітридів по межах зерен евтектоїду, а також газонасичення розплаву, що знижує властивості чавуну, в тому числі його тріщиностійкість. зносостійкість.
Ванадій аналогічно титану має високу спорідненість до вуглецю і утворює з ним спеціальні дисперсні монокарбіди з високою твердістю та зносостійкістю. При цьому ванадій відрізняється меншою стійкістю карбіду і більшою розчинністю в аустеніті та цементіті,отже, і переважною мікролегуючою дією в чавуні. Ванадій сприяє значному переохолодженню розплаву, що призводить до зростання частки евтектоїду та його твердості, зменшуючи кількість евтектики, що дозволяє підвищити ударостійкість чавуну.
Вміст ванадію менше 0,4% не забезпечує необхідної кількості та мікротвердості евтектоїду, що знижує рівень міцності властивостей виливків і ударостійкості, а при вмісті ванадію більше 0,7% частка евтектоїду значно перевищує кількість карбідної фази, що призводить до різкого падіння зносостійкості.
Бор є поверхнево-активною та модифікуючою (інгібуючою) добавкою в чавун. Бор подрібнює дендритну структуру сплаву, сприяє утворенню дисперсних зміцнюючих тугоплавких частинок гексаборидів, а також збільшує прожарювання чавуну, мікротвердість його структурних складових і загальну твердість, забезпечуючи високу зносостійкість виливків.
Вміст бору менше 0,007% не має значного модифікуючого впливу, а більше 0,012% - призводить до збільшення крихкості чавуну за рахунок виділення великої кількості боридів заліза та загального огрублення структури сплаву.
Приготування чавуну заявляється хімічного складу здійснюють наступним чином.
В індукційній печі тигельної ємністю 60 кг з основною футеровкою виплавляли дослідні сплави заявляється чавуну (склад 1 - 5 табл.1) і чавуну по прототипу (склад №6). Плавку чавунів здійснювали за відомою технологією, описаною у Довіднику з чавунного лиття / За ред. Н.Г.Гіршовича. - 3-тє вид., перероб. та доп.- Л.: Машинобудування, 1978, с.211-215. Титан, ванадій і бір вводили у чавун у вигляді ферротитану ФТі 32, феррованадія ФВд 40, феробору ФБ 20 у ківш під час випуску металу. Склади чавунуПроведені плавки представлені в таблиці 1.
З дослідних складів відливали кулі, що мелють діаметром 60 мм для випробувань на ударостійкість, які проводили на вериткальному бойковому копрі з енергією одиничного удару 163,0 Дж. Ударостійкість оцінювали за кількістю ударів бойком до повного руйнування кулі (і сумарної максимальної енергії ударів, сприймаємо).
Зносостійкість визначали згідно з ГОСТ 23208-79 за допомогою установки, на якій за однакових умов (постійної швидкості обертання валу та постійного навантаження) виробляли тертя зразків з досліджуваного та еталонного матеріалів про абразивні частинки. В якості еталона використовувалася сталь 45, як абразив - електрокорунд зернистістю №16-П за ГОСТ 3647-80. Зносостійкість досліджуваних зразків оцінювали шляхом порівняння їхнього зносу зі зносом еталонного зразка. Зношування визначали зважуванням до і після випробування з похибкою не більше 0,00001 г і знаходили середнє арифметичне значення втрати маси (не менше трьох випробувань) еталонного (gе) і досліджуваних (gі) зразків. Відносну зносостійкість (Кі) визначали за формулою
,
де gе і gі - середні втрати мас еталонного та досліджуваного зразків, г:
е та і - щільності еталонного та досліджуваного матеріалів, г/см 3 ;
Не і Nі - кількість обертів ролика для еталонного та досліджуваного зразків.
У таблиці 2 наведено властивості заявляється складу чавуну і взятого за прототип.
Результати випробувань показали, що склад чавуну, що заявляється, порівняно з прототипом дозволяє підвищити ударостійкість в 1,3-1,4 рази, а зносостійкість в 1,4-1,8 рази.
Чавун, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, титан, ванадій, бор і залізо, який відрізняється тим, що він містить компоненти принаступному співвідношенні, мас.%: