Способ получения изделий из сплава железа с углеродом

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве изделий, к которым предъявляются повышенные требования по прочности и твердости. Для повышения твердости и прочности получают изделия из сплава железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14 мас.% путем плавления, нагрева расплава до температуры на 400-600°С выше эвтектической температуры, выдержки при ней не менее 10 минут, пластической деформации слитка при температуре выше 600° и последующего охлаждения до температуры окружающей среды в воде. Содержание серы в сплаве обеспечивают не превышащим 0,001 мас.%, фосфора не превышающим 0,01 мас.%. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве изделий, к которым предъявляются повышенные требования по прочности и твердости.

Для повышения прочностных характеристик, твердости, износостойкости изделий из сплавов железа за счет упрочнения их поверхностных слоев в технике широко известен и применяется целый ряд способов пластической деформации, термической и химико-термической обработки металла: наклеп, поверхностная закалка, цементация, фосфотирование, плазменная и лазерная обработка и т.п. (Термическая обработка в машиностроении. Справочник под ред. Ю.М.Лахтина и А.Е.Рахштадта. - М., "Машиностроение", 1980. - 783 с., ил. [1]), каждый из которых, имея свои достоинства, обладает и определенными недостатками. Так, для поверхностного упрочнения путем наклепа необходимо обеспечить наличие в поверхностных слоях содержания связанного углерода (в виде цементита) не более 0,3%, помимо этого, поскольку наклеп осуществляется путем пластической деформации изделия, то в результате деформации неизбежно изменяется форма (размеры) готового изделия, что требует в дальнейшем его дополнительной обработки для обеспечения требуемых габаритов.

Термическая, термомеханическая, химико-термическая и т.п. обработка изделий требуют энергозатрат, а в ряде случаев и затрат на создание специальных газовых или иных сред и соответствующего оборудования для проведения обработки. Это неизбежно удорожает стоимость продукции, а в ряде случаев требует последующей дополнительной обработки изделий.

Известен способ производства отливок из железоуглеродистых сплавов с содержанием углерода более 1%, включающий заливку расплава в литейную форму, затвердевание, охлаждение отливки и термообработку отливки на зернистый перлит, которую осуществляют отжигом отливки при 730-800°С.

При этом затвердевание расплава осуществляют под давлением (RU 2077771 [2]).

Недостатком известного способа является то, что в результате осуществления технологического процесса получаются изделия с недостаточно высокой твердостью.

Известен способ выплавки сплава на основе железа, содержащего свободный и связанный углерод, включающий выплавку низкоуглеродистого полупродукта, его перегрев выше температуры ликвидуса, раскисление, науглероживание и доводку, выпуск, разливку, кристаллизацию и обработку сплава давлением; при этом науглероживание осуществляют дисперсным углеродом в виде частиц сажи (или сажистого железа) с размерами углеродных частиц 10^-5-10^-7 см, которые вводят в расплав перед выпуском из плавильного агрегата либо в процессе разливки (RU 2135617 [3]).

Техническим результатом этого способа является повышение пластичности материала изделий. Недостатком известного способа является пониженная прочность из-за малой доли связанного в цементит углерода в матрице сплава и отсутствие возможности ее регулирования после окончания обработки сплава давлением и изготовления изделия.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому и достигаемому результату является способ получения изделий из сплава на основе железа, содержащего свободный и связанный углерод, заключающийся в выплавке сплава, обработке давлением и получении изделия с последующим переводом свободного углерода в количестве 1-100% в связанное с железом состояние, путем нагрева при температуре 723-1100°С и выдержки при этой температуре в течение 0,1-100 ч. При этом упрочнению подвергают отдельные зоны на поверхности и в объеме материала сплава или изделия, выполняющие роль армирующих элементов за счет придания им гетерогенной структуры с различным соотношением прочностных и пластических свойств путем перевода свободного углерода в связанное состояние на части материала, составляющей 1-99% его массы при местном нагреве материала в соответствующих зонах и последующей выдержке (RU 2219271 [3]).

Недостатком известного способа является то, что изделия, получаемые по нему из сплава железа с углеродом с относительно высоким содержанием углерода, обладают недостаточно высокой твердостью и прочностью.

Заявляемый способ получения изделий из сплава железа с углеродом направлен на повышение их твердости и прочности.

Указанный результат достигается тем, что способ получения изделий из сплава железа с углеродом с содержанием углерода в количестве более 2,14% по массе включает его плавление, нагрев расплава до температур на 400-600°С выше эвтектической температуры, выдержку при ней не менее 10 минут, пластическую деформацию слитка при температуре выше 600°С и последующее охлаждение до температуры окружающей среды.

Указанный результат достигается также тем, что содержание серы в сплаве обеспечивают не превышающим 0,001% по массе.

Указанный результат достигается также тем, что содержание фосфора в сплаве обеспечивают не превышающим 0,01% по массе.

Указанный результат достигается также тем, что охлаждение до температуры окружающей среды осуществляют водой.

Как показали опыты, если сплав железа с углеродом с содержанием углерода в количестве более 2,14% по массе расплавить, обеспечить нагрев расплава до температур на 400-600°С выше эвтектической температуры и выдержку при ней не менее 10 минут, затем охладить слиток до температуры не ниже 600°С (или охладить его до температуры окружающей среды и нагреть до температуры выше 600°С), затем подвергнуть слиток пластической деформации при температуре выше 600°С и охладить до температуры окружающей среды, то в результате получается изделие, обладающее высокой прочностью (предел прочности при разрыве σ_В до 2420 МПа) и высокой твердостью (твердость по шкале Виккерса HV до 1210 ед.).

В структуре изделия при содержании углерода ниже эвтектического присутствует мелкий, равномерно распределенный по сечению изделия ледебурит, высокодисперсный перлит, высокодисперсный цементит и дисперсный мартенсит; при содержании углерода выше эвтектического - ледебурит и цементит.

При этом, как показали опыты, заявленный технический результат для сплава железа с углеродом с содержанием углерода в количестве более 2,14% по массе достигается только при выполнении всех перечисленных в п.1 формулы изобретения условий - нагрев расплава до температуры на 400-600°С выше эвтектической температуры, выдержка при ней не менее 10 минут, пластическая деформация слитка при температуре выше 600°С и последующее охлаждение до температуры окружающей среды.

Необходимость нагрева расплава и обеспечение выдержки при ней не менее 10 минут можно объяснить тем, что при этом, по-видимому, проходят процессы, приводящие к формированию в объеме расплава системы топологически связных углеродных кластеров.

Если нагрев расплава осуществлять до температур менее чем на 400°С выше эвтектической температуры, то заметного повышения прочности не наблюдается, даже если осуществляется пластическая деформация слитка при температуре выше 600°С и последующее охлаждение до температуры окружающей среды.

Если нагрев расплава осуществлять до температур более чем на 600°С выше эвтектической температуры, то заметного повышения как твердости, так и прочности не наблюдается, даже если осуществляется пластическая деформация слитка при температуре выше 600°С и последующее охлаждение до температуры окружающей среды.

Если продолжительность выдержки после нагрева расплава до температуры на 400-600°С выше эвтектической температуры составляет менее 10 минут, то заметного повышения прочности не наблюдается, даже если осуществляется пластическая деформация слитка при температуре выше 600°С и последующее охлаждение до температуры окружающей среды.

Если пластическая деформация слитка осуществляется при температуре ниже 600°С, то наблюдается растрескивание слитка или изделия.

Охлаждение до температуры окружающей среды приводит к распаду аустенита, что приводит к повышению твердости. Кроме того, оно необходимо для завершения технологического цикла получения изделия.

В процессе проведения опытов было установлено влияние серы и фосфора на достижение заявленного результата. При использовании железа с содержанием серы не более 0,001% по массе и фосфора не более 0,01% по массе достигается, как правило, более высокая прочность.

Охлаждение до температуры окружающей среды, осуществляемое водой, приводит к тому, что в структуре изделия формируется дисперсный мартенсит, что приводит к дополнительному повышению прочности и твердости.

Сущность заявляемого способа получения изделий из сплава железа с углеродом поясняется примерами его реализации.

Пример 1. В самом общем случае способ реализуют следующим образом. Получение сплава осуществляют в сталеплавильном агрегате емкостью до 20 кг, в который загружают требуемое количество шихты, обеспечивающей получение в дальнейшем сплава железа с заданным содержанием углерода в нем (более 2,14% по массе). В качестве шихтовых материалов могут быть использованы любые известные чистые (по примесям) железосодержащие материалы. После окончания плавления расплав нагревают до температуры на 400-600°С выше эвтектической температуры и выдерживают при ней не менее 10 минут. Полученный слиток подвергают пластической деформации (ковке, прокатке, штамповке), которую начинают при температурах не ниже 600°С. После завершения пластической деформации готовое изделие или заготовку, предназначенную для дальнейшей механической обработки, охлаждают до температуры окружающей среды. В частных случаях реализации пластическую деформацию целесообразно осуществлять неоднократно. При ковке или прокатке изделие или заготовку между воздействиями на нее поворачивают относительно произвольно выбранной оси. При штамповке же используют заготовку, которая предварительно уже подвергалась пластической деформации. В частных случаях реализации охлаждение до температуры окружающей среды целесообразно осуществлять водой.

Пример 2. В тигель из алунда объемом 500 мл загружают в качестве шихты свободный от примесей железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 5,1% по массе. После включения печи ее накрывают крышкой и доводят температуру в ней до расплавления сплава. Процесс плавления осуществляют в инертной атмосфере путем подачи аргона под крышку печи. По достижении температуры 1650°С, что составляет 503°С выше эвтектической температуры для этого сплава, осуществляют выдержку расплава в течение 30 минут. После выдержки сплав охлаждают в тигле вместе с печью до температуры 745°С и подвергают пластической деформации путем ковки с использованием пневмомолота. Температуру поверхности заготовки при ковке контролируют инфракрасным пирометром Mikron M90-IN. После окончания пластической деформации проводят охлаждение изделия (полосы) до температуры окружающей среды (18°С) на воздухе.

Полученный образец подвергают исследованиям с целью определения структуры материала и измерения механических характеристик.

Для определения структуры и твердости вырезали образцы прямоугольной формы размером 10×1×1 мм и изготавливали металлографические шлифы.

Изучение структуры проводилось на оптическом микроскопе Nikon EPIPHOT-TME. Твердость определялась на приборе MICROMET1 фирмы "Buehler".

Прочность образцов при разрыве определялась на разрывной машине LFM-100 kN фирмы Walter+Bai AG на образцах прямоугольной формы размером 30×3.3×1 мм при скорости нагружения 1 мм/мин.

Полученный по данному примеру материал имеет следующие характеристики: предел прочности σ_В=1093 МПа (среднее значение из 5 испытаний), твердость 1210 HV (среднее значение 30 измерений).

Структура: ледебурит, цементит.

Пример 3. В тигель из алунда объемом 500 мл загружают в качестве шихты свободный от примесей железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 3,6% по массе. После включения печи ее накрывают крышкой и доводят температуру в ней до расплавления сплава. Процесс плавления осуществляют в инертной атмосфере путем подачи аргона под крышку печи. По достижении температуры 1620°С, что составляет 473°С выше эвтектической температуры для этого сплава, осуществляют выдержку расплава в течение 25 минут. После выдержки сплав охлаждают в тигле вместе с печью до температуры 770°С и подвергают пластической деформации путем ковки с использованием пневмомолота. Температуру поверхности заготовки при ковке контролируют инфракрасным пирометром Mikron M90-IN. После окончания пластической деформации проводят охлаждение изделия (полосы) до температуры окружающей среды (18°С) водой.

Полученный образец подвергают исследованиям с целью определения структуры материала и измерения механических характеристик.

Для определения структуры и твердости вырезали образцы прямоугольной формы размером 10×1×1 мм и изготавливали металлографические шлифы.

Изучение структуры проводилось на оптическом микроскопе Nikon EPIPHOT-TME. Твердость определялась на приборе MICROMET1 фирмы "Buehler".

Прочность образцов при разрыве определялась на разрывной машине LFM-100 kN фирмы Walter+Bai AG на образцах прямоугольной формы размером 30×3.3×1 мм при скорости нагружения 1 мм/мин.

Полученный по данному примеру материал имеет следующие характеристики: предел прочности σ_В=1675 МПа (среднее значение из 5 испытаний), твердость 1022 HV (среднее значение 30 измерений).

Структура: ледебурит, высокодисперсный перлит, дисперсный мартенсит, высокодисперсный цементит.

Пример 4. В тигель из алунда объемом 500 мл загружают в качестве шихты свободный от примесей железоуглеродистый сплав с содержанием углерода 2,3%; серы менее 0,001%; фосфора 0,007% по массе. После включения печи ее накрывают крышкой и доводят температуру в ней до расплавления сплава. Процесс плавления осуществляют в инертной атмосфере путем подачи аргона под крышку печи. По достижении температуры 1670°С, что составляет 523°С выше эвтектической температуры для этого сплава, осуществляют выдержку расплава в течение 10 минут. После выдержки сплав охлаждают в тигле вместе с печью до температуры 500°С, после чего охлаждают на воздухе до температуры окружающей среды (18°С). Затем производят нагрев до температуры 600°С и подвергают пластической деформации путем ковки с использованием пневмомолота. Температуру поверхности заготовки при ковке контролируют инфракрасным пирометром Mikron M90-IN. После окончания пластической деформации проводят охлаждение изделия (полосы) до температуры окружающей среды (18°С) водой.

Полученный образец подвергают исследованиям с целью определения структуры материала и измерения механических характеристик.

Для определения структуры и твердости вырезали образцы прямоугольной формы размером 10×1×1 мм и изготавливали металлографические шлифы.

Изучение структуры проводилось на оптическом микроскопе Nikon EPIPHOT-TME. Твердость определялась на приборе MICROMET1 фирмы "Buehler".

Прочность образцов при разрыве определялась на разрывной машине LFM-100 kN фирмы Walter+Bai AG на образцах прямоугольной формы размером 30×3.3×1 мм при скорости нагружения 1 мм/мин.

Полученный по данному примеру материал имеет следующие характеристики: предел прочности σ_В=2420 МПа (среднее значение из 5 испытаний), твердость 932 HV (среднее значение 30 измерений).

Структура: незначительное количество ледебурита (до 1,5% по объему), высокодисперсный перлит, дисперсный мартенсит, высокодисперсный цементит.

1. Способ получения изделий из сплава железа с углеродом с содержанием углерода более 2,14 мас.%, включающий плавление, нагрев расплава до температуры на 400-600°С выше эвтектической температуры, выдержку при ней не менее 10 мин, пластическую деформацию слитка при температуре выше 600° и последующее охлаждение до температуры окружающей среды.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание серы в сплаве обеспечивают не превышающим 0,001 мас.%.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что содержание фосфора в сплаве обеспечивают не превышающим 0,01 мас.%.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что охлаждение до температуры окружающей среды осуществляют в воде.