Белый чугун

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составам белых чугунов, и может использоваться для изготовления износостойких деталей методами литья и наплавкой изнашиваемых поверхностей. Белый чугун содержит, 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, барий 0,02-0,07, РЗМ 0,01-0,06, железо - остальное. При этом ∑=%Mn+%Ni+%Cu=1,54-2,92%. Чугун обладает пониженной твердостью и удовлетворительной обрабатываемостью резанием в отожженном состоянии при сохранении высокой твердости и износостойкости после закалки и отпуска. 2 табл.

 

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.

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 М₇С₃ (типа Cr₇С₃) 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 1 Химические 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 *)	3,06	1,15	0,33	9,02	8,11	3,10	-	-	0,08	0,01	-
*) В состав прототипа также входит 0,04% Al.

Таблица 2 Твердость 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

Белый чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, молибден, барий, РЗМ и железо, отличающийся тем, что он 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%.