Чугун для быстроизнашиваемых деталей турбобура и способ производства литых заготовок для быстроизнашиваемых деталей турбобура

 

Изобретение относится к машиностроительной промышленности, в частности к производству быстроизнашиваемых деталей турбобуров методами линейного производства. По данному изобретению предложен чугун для быстроизнашиваемых деталей опор турбобура следующего химического состава (мас; % ): 2,6 - 2,9 C; 17 - 19U; 0,3 - 0,8 Si; 1,0 - 1,5 Mn; 0,8 - 1,0 Ni; 0,4 - 0,6 V; 0,4 - 0,6 Mo; 0,05 - 0,1 Ti; остальное железо. Для повышения ударной вязкости и других прочностных, технологических и эксплуатационных характеристик чугун подвергают комплексной обработке расплавом (мас. % ) 30 - 80 CaF₂; 0,5 - 30 Li₂CO₃; 5 - 50 Fe₂O₃; 40 CaO в количестве 3 - 5% от массы расплава; десульфуризацию осуществляют после удаления окисленного шлака добавкой ферроцерия (мас. % ) 0,05 - 0,1 от массы расплава, модифицирование осуществляют смесью, содержащей (мас. % ) 0,6 - 2,1 Bi; 3 - 24 Al; 3 - 30 B и остальное SiCa в количестве 0,3% от массы расплава, термическую обработку проводят путем закалки с 1150 С и отпуска при 200 - 250С. Для улучшения обрабатываемости резанием деталь подвергают термической обработке, состоящей из отжига при 1150С в течение 2 ч и последующего охлаждения с печью со скоростью не свыше 20 С/ч в интервале 680 - 550 С. Результаты натурных испытаний деталей (дисков пяты), изготовленных из высокохромистого чугуна заявленного состава и способа его получения, показали, что стойкость пяты в 3 раза выше, чем серийных из стали 20Х, и ресурс их работы составил 230. 6 табл.

Изобретение относится к машиностроительной промышленности, в частности к производству быстроизнашиваемых деталей турбобура методами литейного производства.

В настоящее время быстроизнашиваемые детали турбинных и шпиндельных секций турбобура - диски пяты (осевая опора) и внутренние втулки нижних и средних опор (радиальная опора) изготавливают из катаной стали. Детали цементируют, закаливают в воде и шлифуют (аналог). Стойкость полученных таким методом деталей не превышает 75 ч наработки при ресурсе работы всего турбобура 700 ч. Низкая стойкость серийных опор приводит к большим потерям рабочего времени, связанным с подъемом-опусканием турбобура и заменой изношенных деталей. В среднем по стране турбобуры непосредственно бурением заняты 18% всего рабочего времени.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является чугун, содержащий (мас. % ) С 2,4-3,94; Si 0,45-1,26; Mn 1,1-2,9; Cr 11-21,4; Ni до 1,45; Mo 3,1-4,1; V 1,7-3,7; Ti 0,03-0,39; F остальное (1).

Основные недостатки сплава состоят в слишком широком интервале содержания компонентов, наличии в расплаве в больших количествах дорогих и дефицитных легирующих элементов, таких как V, Mo, Ni и еще в том, что не приведены технологические приемы совершенствования его свойств и характеристик.

Существуют различные способы внепечной обработки (рафинирование, модифицирование) расплава и термической обработки отливок. Но нет комплексной технологии такой обработки, целенаправленно совершенствующей характеристики ВХЧ. Поэтому из всего многообразия технологических приемов обработки расплава и отливок необходимо подобрать комплекс приемов, позволяющих получить чугун с новым сочетанием свойств, позволяющих использовать этот чугун взамен стали для ответственных высоконагруженных деталей турбобура.

Цель изобретения - повышение износостойкости, обрабатываемости резанием, ударной вязкости, прочностных, технологических и эксплуатационных свойств.

Сущность изобретения заключается в том, чтобы за счет оптимизации химического состава ВХЧ добиться наилучшего сочетания таких показателей, как ударная вязкость, обрабатываемость резанием и износостойкость, а затем за счет внепечной обработки расплава и термической обработки деталей улучшить показатели прочности и обрабатываемости до уровня, характерного для закаленных сталей. Путем оптимизации выбран состав чугуна (мас. % ): С 2,6. . . 2,9; Cr 17. . . 19; Si 0,5. . . 0,8; Mn 1,0. . . 1,5; Ni 0,8. . . 1,0; Mo и V 0,4. . . 0,6; Ti 0,05. . . 0,1; Расплав ВХЧ с целью снижения содержания фосфора обрабатывается смесью, содержащей (мас. % ) 30. . . 80 CaF₂; 0,4. . . 30 Li₂CO₃; 5. . . 50 F₂O₃ и до 40 CaO в количестве 3-5% от массы расплава, а затем для снижения содержания серы в него вводят 0,05. . . 0,1% ферроцерия или мишметалла и модифицируют комплексным модификатором, содержащим (мас. % ) 0,6. . . 2,1 висмута, 3. . . 24 алюминия, 3. . . 30 бора и силикокальция - остальное в количестве 0,3% от массы расплава. Полученные отливки подвергают для улучшения обрабатываемости резанием отжигу при 1150^оС в течение 2. . . 3 ч и затем охлаждают с печью; причем скорость охлаждения в интервале 680-550^оС не должна превышать 29^оС/ч. После механической обработки детали закаливают с температуры 1150^оС и отпускают при 200-250^оС.

В табл. 1 приведены оптимальные соотношения химических элементов сплава и сравнительный анализ влияния внепечной и термической обработки на свойства чугуна. В ходе экспериментов исследовали влияние содержания основных и примесных компонентов сплава на ударную вязкость (КС) в литом состоянии и после закалки с температуры 1150^оС с последующим отпуском при 250^оС, влияние состава на обрабатываемость резанием после отжига при температуре 1150^оС и последующего охлаждения с печью со скоростью менее 20^оС/ч в интервале 680-550^оС и влияние состава на износостойкость после закалки с 1150^оС. Обрабатываемость резанием оценивали по относительному времени стойкости инструмента из сплава ВК6 при точении. Коэффициент К₁ - отношение стойкости инстру- мента при обработке стали 20Х к стойкости при обработке чугуна. Относительная износостойкость (К₂) характеризует отношение величины потери массы при абразивном изнашивании на шлифовальной шкурке в образцах из цементированной и закаленной стали 20Х к потере массы в образцах из чугуна.

Как следует из полученных результатов в оптимизированном составе чугуна отрицательное влияние на ударную вязкость оказывает сера и в особенности фосфор. В связи с этим в технологический процесс производства деталей введена дополнительная операция по удалению фосфора (1) и серы за счет добавки 0,1 FeCe или мишметалле.

Как следует из приведенных в табл. 1 данных, увеличение содержания углерода и хрома благоприятно сказывается на износостойкости, но ударная вязкость и обрабатываемость резанием при этом снижается. Кремний ухудшает все показатели ВЧХ, но в связи с тем, что при плаве в печах с кислой футеровкой трудно добиться его содержания ниже 0,5. . . 0,8% , эти пределы рекомендованы для промышленных плавок. Никель, марганец, ванадий, титан и, особенно, молибден повышают КС и К₂, но заметно ухудшают обрабатываемость резанием, фосфор и сера должны содержаться в минимальных количествах, так как ухудшают качество чугуна как в литом состоянии, так и после термообработки. Во всех случаях высоких значений КС удается достичь только после комплексной обработки, включающей модифицирование расплава.

Результаты экспериментов для чугуна, содержащего (мас. % ), 2,7C; 18Cr; 0,6Si; 1,3Mn; 0,9Ni; 0,5V и Mo; 0,1Ti, приведены в табл. 2-6.

Как следует из полученных результатов для оптимизированного состава чугуна следует добавлять 3-5% дефосфоризирующей смеси, 0,05-0,1% ферроцерия для удаления серы, а количество комплексного модификатора, устраняющее транскристаллизацию должно находиться в пределах 0,25% -0,3% . Температуру отжига и закалки следует выдерживать на верхнем пределе (выше 1150^оС), но при температуре свыше 1170^оС наблюдается коробление отливок.

Результаты сравнительных испытаний влияния комплексной обработки расплава и оптимизированной термической обработки на величину ударной вязкости (КС) и износостойкость образцов (К₂) приведены в табл. 7. Как следует приведенных данных оптимизация химсостава ВХЧ плюс комплексная технологическая обработка позволяют значительно улучшить механические и эксплуатационные характеристики этого сплава. (56) Реферативный журнал "Металлургия", реферат N 34673, 1982.

Авторское свидетельство СССР N 865917, кл. C 21 C 1/00, 1978.

Формула изобретения

1. Чугун для быстроизнашиваемых деталей турбобура, преимущественно осевых и радиальных опор, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, титан и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения износостойкости, обрабатываемости резанием и ударной вязкости, он содержит компоненты в следующем соотношении, мас. % : Углерод 2,6 - 2,9 Кремний 0,3 - 0,8 Марганец 1,0 - 1,5 Хром 17,0 - 19,0 Никель 0,8 - 1,0 Ванадий 0,4 - 0,6 Молибден 0,4 - 0,6 Титан 0,05 - 0,1
Железо Остальное
2. Способ производства литых заготовок для быстроизнашиваемых деталей турбобура, преимущественно осевых и радиальных опор, включающий выплавку чугуна в индукционной печи, десульфурацию расплава, его модифицирование при выпуске из печи, заливку в формы и последующий отжиг, закалку и отпуск литых заготовок, отличающийся тем, что, с целью повышения прочностных, технологических и эксплуатационных характеристик, перед десульфурацией расплава осуществляют его дефосфорацию смесью, содержащей, мас. %
CaF₂, 30 - 80
Li₂CO₃, 0,4 - 30
Fe₂O₃ 5 - 50
CaC До 40
в количестве 3 - 5% от массы расплава, десульфурацию осуществляют после удаления окисленного шлака добавкой ферроцерия в количестве 0,05 - 0,1% от массы расплава, модифицирование осуществляют смесью, содержащей, мас. % :
Bi 0,6 - 2,1,
Al 3,0 - 24,0
B 3,0 - 20
Si Ca Остальное
в количестве 0,25 - 0,30% от массы расплава, отжиг проводят при 1150 - 1170^oС в течение 2 ч с последующим охлаждением с печью со скоростью не выше 20град. /ч в интервале температур 680 - 550^oС, закалку проводят после механической обработки с 1150 - 1170^oС, а отпуск - при 200 - 250^oС.