Карбідосталь

Настоящее изобретение относится к порошковой металлургии, в частности, к карбидотитановым карбидосталям, используемым для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного изнашивания, например, облицовок пресс-форм, матриц, пуансонов и др. Повышение износостойкости таких материалов обеспечивают созданием структуры, сочетающей износостойкую сталь-связку с оптимальным количеством твердой фазы (карбида титана), при этом срок службы материала зависит как от уровня износостойкости связки и твердой фазы, так и от прочности взаимосвязи твердой фазы и стали-связки. Известна карбидосталь [1], содержащая карбид титана и стальную связку следующего состава, мас.%: Недостатком указанной карбидостали является низкая износостойкость в условиях абразивного изнашивания. Известна карбидосталь [2], выбранная за прототип, содержащая 16-80% карбида титана, остальное стальная связка следующего состава, мас.%: Недостатком прототипа является низкая абразивная износостойкость. Это обусловлено рядом причин. Во-первых, сталь-связка не обладает необходимым для условий абразивного изнашивания соотношением углерода и хрома. Поэтому в результате закалки по всему объему карбидостали образуется мартенситная структура, которая снижает ее вязко-пластические свойства и способствует образованию микротрещин по границам раздела стали-связки и карбида титана. Кроме того, мартенсит с карбидом титана не образует когерентной связи вследствие различия кристаллических решеток, что не обеспечивает достаточно прочного закрепления в нем твердой фазы и повышает вероятность выкрашивания карбида титана при абразивном изнашивании. Во-вторых, наличие в составе стали-связки такого сильного карбидообразующего элемента как молибден способствует образованию в процессе спекания "кольцевой структуры" вокруг карбида титана, состоящей из комплексных карбидов титана. Комплексные карбиды титана, образующиеся за счет его частичного растворения в металле связки при одновременной диффузии молибдена в сторону карбида титана, характеризуются пониженной, по сравнению с исходным карбидом титана, твердостью, а следовательно и износостойкостью, что также сопровождается снижением суммарной износостойкости карбидостали. В-третьих, в стали-связке не обеспечено соотношение легирующи х элементов, которое бы способствовало образованию структуры, значительно упрочняющейся в процессе изнашивания. Поэтому упрочнение данной стали-связки в процессе изнашивания происходит лишь за счет механического наклепа и не превышает 10-11 ГПа, что не обеспечивает высокой износостойкости. Таким образом, совокупное негативное влияние перечисленных недостатков приводит к тому, что на поверхности изнашивания происходит интенсивное разрушение металла-связки, обнажение зерен карбида титана и их выкрашивание. В результате износостойкость карбидостали не достигает высокого уровня. Задачей изобретения является повышение абразивной стойкости карбидостали за счет получения следующего те хнического результата: 1) увеличение износостойкости стальной связки; 2) улучшение качества связи между связкой и включениями карбида титана. Для достижения указанного технического результата карбидосталь, включающая карбид титана, остальное стальная связка, содержащая углерод, хром, кремний, марганец и железо, дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: Причем максимальному содержанию углерода соответствует минимальное содержание хрома и наоборот, минимальному содержанию углерода - максимальное содержание хрома. При указанном соотношении углерода и хрома в сочетании с другими компонентами, в результате закалки с температур выше Ас3 (например, 1150°С) в твердый раствор стали-связки переходит от 1,0% до 1,4% углерода при содержании хрома от 5,0% до 1,0% соответственно. При этом структура стали-связки состоит из 70-80% высоколегированного остаточного аустенита и 30-20% мартенсита. Изменение соотношения углерода и хрома от заявляемых пределов в большую или меньшую сторону не обеспечивает образование необходимой структуры стали-связки и приводит к снижению износостойкости карбидостали. При содержании в структуре стали-связки 70-80% аустенита и 30-20% мартенсита достигается наибольшая степень упрочнения металлической матрицы стали-связки благодаря протеканию в поверхностном слое при изнашивании двух основных процессов: образование мартенсита деформации; увеличение плотности дислокаций в аустените не претерпевшем превращений. Мартенсит деформации, образующийся из остаточного аустенита легированного в процессе нагрева и выдержки под закалку углеродом и хромом характеризуется повышенной прочностью. Являясь барьером на пути движения дислокаций, пластины мартенсита препятствуют и х скоплению до критической плотности, тем самым уменьшая вероятность образования микротрещин в поверхностном слое при изнашивании. При заявляемом химическом составе стали-связки и соотношении компонентов в результате закалки обеспечивается оптимальная стабильность структуры матрицы стали-связки: из 70-80% остаточного аустенита 25-30% его при изнашивании не превращается в мартенсит деформации и, упрочняясь в процессе механического наклепа, остается более вязким, чем окружающий его мартенсит. Благодаря этому упрочненный слой обладает повышенной пластичностью при достаточно высокой твердости, что обеспечивает повышение износостойкост стали-связки и, в целом карбидостали. Микротвердость поверхности трения в областях стали-связки при этом в процессе изнашивания повышается с 4,8-6,5 ГПа до 12,0-12,4 ГПа, Кроме того, остаточный аустенит, находящийся под слоем, претерпевшем деформационные фазовые превращения, а также не претерпевший превращений в процессе изнашивания в поверхности трения имеет одинаковый тип кристаллической решетки (кубическая границецентрированная) с карбидом титана, что способствует образованию между ними достаточно прочной когерентной связи и, следовательно, уменьшает выкрашивание частиц карбида титана в процессе изнашивания, тем самым повышая износостойкость карбидостали. Введение кальция в указанных пределах в сочетании с марганцем практически включает выделение легкоплавких сернистых эвтектик по границам зерен в процессе спекания карбидостали. что создает условия для более полного протекания диффузионных процессов взаимосвязи стали-связки и карбида титана, устраняет препятствия для образования когерентной связи между аустенитом стали-связки и карбидом титана, повышая тем самым износостойкость и эксплуатационную надежность деталей из карбидостали. Увеличение количества кальция выше верхнего предела приводит к загрязнению стали-связки, а введение кальция в меньших количествах не исключает выделение легкоплавкой эвтектики по границам зерен и не обеспечивает диффузионной связи между сталью и карбидом. Анализ известных составов твердых сплавов со связкой на основе железа и карбидосталей показывает, что введение в связку твердого сплава или карбидостали такого элемента как кальций известно. Однако его применение в этих материалах в сочетании с другими компонентами не обеспечивает твердым сплавам и карбидосталям такие свойства, которые он проявляет в заявленном решении, а именно улучшение качества связи твердой фазы и сталисвязки. Для экспериментального подтверждения заявляемого состава было изготовлено пять карбидосталей при различном соотношении ингредиентов и карбидосталь-прототип (табл. 1). Сталь-связку предлагаемой карбидостали и прототип выплавляли в индукционной печи и расплав распыляли азотом. Порошки стали-связки и карбида титана смешивали, дробили, восстанавливали и спекали. Компактирование и спекание проводили в металлических капсулах в газостате типа "Квинтус" фирмы ASEA. Из полученных плотных материалов изготавливали образцы для испытаний на сопротивляемость абразивному изнашиванию. Образцы нагревали под закалку в расплаве хлористого бария до температур 1120-1150°С, охлаждение проводили в масле. После термической обработки образцы проходили сравнительные испытания на износостойкость на лабораторной установке столбом сжатой абразивной массы. Удельное давление столба абразива на испытываемый образец составляло, 5 МПа. Скорость перемещения образца относительно абразива - 25 мм/с. Металлографические исследования структуры образцов проводили на оптическом микроскопе МИМ-8М и твердомере ПТМ-3. Рентгеноструктурный анализ - на дифрактометре ДРОН-3 в кобальтовом излучении. Микроретгеноструктурный анализ типа "Cameca". При изменении соотношения компонентов в стали изменялись твердость стали-связки после закалки, количество остаточного аустенита до и после изнашивания, микротвердость поверхности трения после изнашивания и, в конечном счете, абразивная износостойкость карбидостали (табл. 2). Микротвердость поверхности трения у образцов, изготовленных из предлагаемой карбидостали на участках связки на 10-15% превышает микротвердость образцов из карбидостали-прототипа, несмотря на то, что непосредственно после термообработки (до изнашивания) связка предлагаемой карбидостали была существенно мягче. Карбидосталь запредельного состава (1) обладает невысокой абразивной износостойкостью, в связи с тем, что твердый раствор стали-связки содержит пониженное количество углерода, При этом в процессе термообработки карбидостали в связке формируется структура, в которой при: изнашивании происходит чрезмерная интенсификация процесса образования мартенсита деформации. В результате поверхностный упрочненный слой, состоящий практически полностью из мартенсита деформации, не обладает необходимой пластичностью. Мартенсит деформации в данном случае из-за пониженного содержания углерода отличается невысокой твердостью. Кроме того, в составе карбидостали находится недостаточное количество марганца и кальция, что отрицательно сказывается на связи карбида титана и стали. Совокупное влияние этих факторов приводит к снижению износостойкости карбидостали. Карбидосталь запредельного состава (5) также отличается пониженной износостойкостью, в связи с тем, что происходит стабилизация остаточного аустенита обогащенного углеродом и марганцем. Поверхность трения упрочняется при изнашивании в основном в результате механического наклепа. Количество мартенсита деформации на поверхности трения снижается, что и приводит к снижению износостойкости карбидостали. Таким образом, предлагаемое соотношение компонентов для карбидостали обеспечивает получение наивысшей абразивной износостойкости за счет способности стали-связки к упрочнению поверхности трения в процессе изнашивания и улучшения качества связи стали-связки и карбида титана.