Спосіб одержання литої заготовки зі зносостійкого чавуну

Винахід відноситься до металургії, зокрема, до способу одержання виливків зі зносостійкого чавуну, що широко застосовуються в якості міцних і зносостійких матеріалів, наприклад деталей гірничо-металургійного устаткування. Відомий спосіб одержання виливків з білого чавуну [патент РФ №2019569, МПК С21В11/10, опубл. 1994р.), що включає виплавку чавуна з наступним заливанням його в металеву форму при 1220-1300°С при наступному співвідношенні в ньому компонентів, мас. %: вуглець 2,8-3,8 кремній 0,5-1,3 марганець 1,2-2,5 залізо решта. Недоліками способу є: нерівномірна структура, невисока твердість і підвищена крихкість виливків, що знижує їхню зносостійкість і експлуатаційну стійкість. Відомий спосіб одержання виливків з високолегованого зносостійкого чавуну з високою твердістю і зносостійкістю (ДСТ 7769-82. Чавун легований для виливків зі спеціальними властивостями. Марки. Видавництво стандартів, 1987р., с.23). Недоліками способу є використання підвищеної кількості в якості легуючих дорогих і дефіцитних елементів хрому, нікелю, молібдену, ванадію, титана, міді, алюмінію й інших, що збільшує вартість виливків; низькі технологічні властивості чавуна, зокрема, низька рідко текучість, висока схильність до усадки й утворення тріщин при литті і термічній обробці, погана оброблюваність, що ускладнює одержання якісних виливків і деталей з них. Відомий спосіб одержання литої заготовки зі зносостійкого чавуна (патент США №3844844, МПК C21D7/14, опубл. 1974р.), що полягає в литті заевтектичного граничного чавуна в заготовки ливарного чавуна, їх нагріванні і гарячій пластичній деформації при 900-1125°С з метою одержання заготовок зі зносостійкого ливарного чавуна, що потім піддаються швидкому охолодженню і відпуску при температурі нижче точки Асі або відпалюванню при 150-200°С. Структура цих заготовок характеризується тим, що евтектична цементитна сітка перетвориться в дрібний евтектичний цементит, рівномірно у вигляді концентричних сфер діспергирований у перлітній матриці заготовки, що додає їм високу ударну в'язкість і зносостійкість. Недоліками зазначеного способу є: крім лиття з рідкого металу заготовки передбачається застосування додаткових технологічних операцій: нагрівання литої заготовки до високої температури 900-1125°С і її пластичної деформації з метою одержання виробів, що істотно ускладнює і підвищує вартість всього технологічного процесу їхнього одержання в порівнянні з литтям куль з рідкого металу; через низьку пластичність заготовок з чавуна при 900-1125°С можливий великий брак виробів по тріщинах і низької твердості. Найбільш близьким по технічній сутності й ефектові, що досягається, є спосіб одержання литої заготовки зі зносостійкого чавуна (патент РФ №2113495, МПК6 С21С18, опубл. 20.06.98), що включає виплавку, легування і модифікування чавуна з одержанням заданого складу чавуна, одержання виливка заливанням заданого складу чавуна у форму і термообробку виливка. Модифікування здійснюють силікобарієм при зливу металу з печі в ківш при 1400-1470°С, одержують з нього виливки литтям у піщану або металеву форму і потім піддають їх термічній обробці високотемпературної нормалізації шляхом нагрівання їх до 1050-1100°С і витримки при ній 2-3 годин з наступним охолодженням на повітрі, і наступним високотемпературним відпусканням після механічної обробки шляхом нагрівання їх до 690710°С, витримки при ній 6-7 годин, охолодження з піччю до 400°С і наступним охолодженням на повітрі, при цьому використовуються чавуни наступного хімічного складу, мас. %: вуглець 2,4-4 кремній 0,5-1,5 марганець 2-4 хром 8-12 нікель 2-4 молібден 0,5-0,8 бор 0,1-0,3 фосфор 0,02-0,1 сірка 0,02-0,07 барій 0,005-0,01 залізо інше. Недоліками зазначеного способу є те, що передбачається застосування додаткових технологічних операцій нагрівання литої заготовки до високої температури 900-1125°С і її пластичної деформації з метою одержання заготовки, що істотно ускладнює і підвищує вартість усього технологічного процесу одержання в порівнянні з литтям готових виробів з рідкого металу; через низьку пластичність заготовок з чавуна при 900-1125°С можливий великий брак виробів по тріщинах і низькою твердості. Крім того, у відомому способі в розплав на ранній стадії процесу уводиться велика кількість затравочних речовин і речовин, що модифікують форму графіту, в розплав на ранній стадії процесу, після чого виконують добір проб для термічного аналізу і проводять корекції безпосередньо перед литтям. Крім того, кількість затравочної речовини повинна бути значно більше, ніж кількість відповідна його необхідномузмістові у відливальному чавуні, оскільки затравочна речовина надає обмежений вплив. Затравочна речовина стимулює утворення кристалів графіту, тому бажано зменшити використовувану кількість затравочної речовини до кількості, що відповідає необхідному змістові в чавуні, що відпивається. Кількість сірки, що вводиться в процес, варто підтримувати на низькому рівні. Задачею винаходу є одержання виливків зі зносостійкого чавуна з високою твердістю і зносостійкістю, експлуатаційною стійкістю, гарними технологічними властивостями і низькою вартістю шляхом ретельного добору і корекції складу й керування отримання необхідних фізичних властивостей. Поставлена задача вирішується тим, що спосіб одержання литої заготовки зі зносостійкого чавуна, що включає виплавку, легування і модифікування чавуна з одержанням заданого складу чавуна, одержання виливка заливанням заданого складу чавуна у форму і термообробку виливка, відповідно до винаходу, легування чавуна здійснюють перед виплавкою в результаті тривалого перемішування порошків майбутнього сплаву шляхом поступового „вбивання" легуючих елементів в основу, модифікування проводять, впливаючи на виливок зовнішніми полями, здатними переводити атоми і молекули структури в збуджений стан до її мартенситного перетворення, а термообробку виливка проводять шляхом нагрівання до температури 860°С з витримкою при ній 90 хвилин і охолодженням в маслі, при цьому одержують чавун наступного складу, мас. %: вуглець 3,3-3,35 кремній 1,71-1,79 марганець приблизно 0,29 хром приблизно 0,1 нікель 0,032-0,037 молібден 0,033-0,044 фосфор 0,04-0,042 сірка 0,035-0,04 мідь 0,17 залізо решта. У результаті легування і модифікування одержують виливки зі зносостійкого чавуна, мікроструктура якого складається з мартенситної структури металевої основи, легованої хромом, марганцем, молібденом, сіркою і барієм у зменшеному процентному вмісті в порівнянні з прототипом. Мартенситна фаза утворюється у вигляді тонких пластинок, певним чином орієнтованих відносно кристалічних осей. Пластини являють собою пакети плоско-паралельних доменів - областей нової фази Між собою домени знаходяться в двійниковому відношенні. Подальше зменшення пружних полів досягається за рахунок формування ансамблів із закономірно розташованих пластин. Така мікроструктура забезпечує високу твердість, зносостійкість, міцність і підвищену в'язкість чавуна, у результаті чого виливки з нього володіють високою експлуатаційною стійкістю. Ріст мартенситної фази лімітується тільки швидкістю відводу енергії. Зародження мартенситної фази відбувається з великою швидкістю і не вимагає великих температур нагрівання. При нагріванні такої структури вище 860°С відбувається зворотне перетворення мартенситної фази у вихідну. Модифікування виключає процес зворотного перетворення мартенситної структури, робить її стійкою. Легування чавуна поліпшує його ливарні властивості, підвищує рідко текучість, знижує схильність до усадки і тріщиноутворенню, що забезпечує одержання якісних виливків. Зменшення вмісту легуючих елементів знижує вартість виливків. Такий спосіб одержання виливків зі зносостійкого чавуна обраний на основі проведених досліджень впливу параметрів різних етапів технологічного процесу і складу чавуна на їхню мікроструктуру і властивості і вибору їх оптимальних значень, що забезпечують найкращі показники властивостей. Легування чавуна найбільше доцільно в спеціальних пристроях, тому що при цьому забезпечується найкраще засвоєння легуючих елементів з легуючих добавок, що вводяться, і точне одержання заданого хімічного складу чавуна. Модифікування чавуна проводять шляхом впливу на литу заготовку зовнішніми полями, здатними переводити атоми і молекули структури в збуджений стан до моменту зрівноважування її мартенситного перетворення. Зміст у зносостійкому чавуні 3,3-3,35% вуглецю сприяє утворенню в ньому карбідів, що підвищує його твердість і зносостійкість. Зниження змісту вуглецю нижче нижньої зазначеної межі різко знижує кількість карбідів у чавуні і його твердість, і тим самим знижує його зносостійкість, а підвищення змісту вуглецю вище верхньої зазначеної межі сприяє утворенню в чавуні суцільного каркаса дуже тендітних первинних карбідів, що різко знижує його в'язкість і підвищує крихкість. Зміст у зносостійкому чавуні 1,71-1,79% кремнію підвищує його технологічні властивості - збільшує рідко текучість, знижує схильність до усадки і збільшує його міцність і в'язкість, що підвищує якість і властивості виливків.При зниженні змісту кремнію нижче нижньої зазначеної межі істотно знижується його позитивний вплив, а при збільшенні його змісту вище верхньої зазначеної межі утворяться силікокарбіди, що різко підвищують крихкість і знижують в'язкість чавуна. Зміст у зносостійкому чавуні приблизно 0,29% марганцю підвищує його зносостійкість і в'язкість, як унаслідок збільшення його прогартованності, так і внаслідок збільшення в його структурі кількості легованих їм карбідів і аустеніту, що під його впливом накопичується, і тим самим підвищує зносостійкість виливків. Заявлений зміст марганцю нижче нижнього зазначеного значення різко знижує його позитивний вплив на структуру і властивості чавуна, а підвищення його змісту вище зазначеного значення приводить до утворення в його структурі великої кількості аустеніту, що знижує його твердість і зносостійкість. Зміст у зносостійкому чавуні - приблизно 0,1% хрому забезпечує його високу твердість і зносостійкість, як внаслідок утворення в його мікроструктурі великої кількості дуже твердих карбідів (Cr, Fe) 7C3, так і внаслідок збільшення його прогартованності. При зниженні змісту у зносостійкому чавуні хрому нижче вказаного значення в його мікроструктурі не утворяться карбіди (Cr, Fe) 7C3, а утворяться лише карбіди (Fe, Cr) 3C, що мають знижену твердість, що істотно знижує твердість і зносостійкість чавуна. Підвищення змісту хрому вище зазначеного значення не приводить до подальшого збільшення прогартованності чавуна і кількість карбідів (Cr, Fe) 7C3 у мікроструктурі, що не сприяє подальшому підвищенню його твердості і зносостійкості, але збільшує вартість виливків. Зміст 0,032-0,037% нікелю в чавуні необхідно і достатньо для позитивного впливу на його зносостійкість і в'язкість, як унаслідок різкого підвищення під його впливом прогартованності чавуна, так і кількості в його мікроструктурі легованого їм аустеніту, що під його впливом наклепується і тим самим підвищує зносостійкість виливків. При зниженні змісту нікелю нижче нижнього і при збільшенні вище верхньої зазначеної межі істотно знижується його позитивний вплив на зносостійкість чавуна. Зміст 0,033-0,044% молібдену у зносостійкому чавуні поліпшує властивості одержуваних з нього виливків, тому що збільшує прогартованність чавуна, перешкоджає утворенню в його мікроструктурі первинних карбідів у вигляді довгих пластинчастих і стовпчастих кристалів, що підвищують його крихкість, і сприяє стабілізації аустеніту, що підвищує в'язкість чавуна. При зниженні змісту молібдену у зносостійкому чавуні нижче нижньої зазначеної межі істотно знижується його позитивний вплив на властивості виливків, а при перевищенні його змісту вище верхньої зазначеної межі не спостерігається подальшого збільшення його позитивного впливу, але істотно зростає вартість виливків, тому що він має високу вартість. Зміст у зносостійкому чавуні 0,035-0,04% сірки і 0,04-0,042% фосфору відповідає їх прийнятому змістові, тому є прийнятним і не робить негативного впливу на його властивості. Зміст у зносостійкому чавуні 0,11-0,17% міді досягається за рахунок модифікування виливків, вплив якого на структуру і властивості виливків зазначено вище. При зниженні змісту міді нижче нижньої зазначеної межі не забезпечується ефект модифікування розплаву чавуна, а при перевищенні змісту його вище верхньої зазначеної межі не відбувається подальшого збільшення позитивного впливу модифікування. Високотемпературна нормалізація виливків зі зносостійкого чавуна забезпечує підвищення їхньої зносостійкості, в'язкості й оброблюваності, при цьому найкращі властивості досягаються при прийнятому їхньому хімічному складі і нагріванні до температури 860°С і витримці 90хв. При такому режимі термообробки в мікроструктурі виливків утворюються ізольовані первинні карбіди замість їхнього суцільного каркаса, який утворюється при литті, що різко підвищує крихкість виливків, а також мартенситна металева основа з великою кількістю аустеніту, що знижує їхню твердість і поліпшує оброблюваність. Така мікроструктура чавуна підвищує також його в'язкість і знижує схильність до утворення тріщин у виливках. Заявлена температура нагрівання і час витримки при нормалізації виливків вище вказаної межі не забезпечують одержання зазначеної вище мікроструктури чавуна в них і тому не підвищують властивості виливків, а приводять лише до росту зерна і зниженню високотемпературної міцності чавуна, що може приводити до утворення тріщин і руйнуванню виливків у процесі термообробки. Найкращі властивості зносостійкого чавуна досягаються при прийнятому їхньому хімічному складі і нагріванні їх до 860°С, витримці при ній 90хв., охолодженні і наступному охолодженні в маслі. При такому режимі термообробки структура виливків з чавуна прийнятого хімічного складу складається з мартенситної металевої основи. Технічний результат, одержуваний при здійсненні винаходу, полягає в досягненні високої зносостійкості й експлуатаційної стійкості, гарних технологічних властивостей і низької вартості виливків. Це досягається одержанням у їхній мікроструктурі мартенситної металевої основи. Такі виливки й одержувані з них деталі можуть використовуватися як деталі з підвищеною ударостійкістю, наприклад, змінних деталей гірничо-металургійного устаткування, і в інших випадках, де одночасно потрібна висока зносостійкість і ударостійкість. Спосіб може бути здійснений таким чином. Попередньо проводять легування чавуна в спеціальних пристроях, після чого плавку чавуна здійснюють у плавильних електропечах. Виливки одержують шляхом заливання рідкого чавуна в ливарні піщані або земляні форми. Після витягу з форм виливки піддають очищенню й обрубанню способами, звичайно застосовуваними для цього. Очищені і підрублені виливки піддають термічній обробці в термічних печах, звичайно застосовуваних для цих цілей, піддають витримці, а потім піддають охолодженню в маслі. Зазначені технічні засоби і технологічні прийоми забезпечують одержання якісних виливків із заявленими властивостями. Приклад. В плавильній електропечі розплавляли попередньо леговані шихтові матеріали й одержували легований чавун. Після нагрівання розплаву в печі його зливали в розливний ківш, що після модифікування забезпечувало наступний зміст у чавуні елементів, мас. %: вуглець 3,30 кремній 1,73 марганець 0,29 хром 0,1 нікель 0,036 молібден 0,033 бор 0,042 сірка 0,04 барій 0,17 залізо решта. З чавуна одержували виливки чавунних стрижнів діаметром 35мм і висотою 20мм шляхом заливання його в земляну форму. Одночасно заливали проби на визначення рідко текучесті і лінійної усадки чавуна. Рідко текучість виплавленого чавуна по спіральній пробі склала 722мм, а усадка - 1,37%. Рідкотекучість виплавленого чавуна вище прототипу на 15%, а усадка нижче на 25%. Отримані виливки виробів піддавали обрубанню - видаляли залишки ливникової системи на них, заміряли їхню твердість на пресі Роквелла, а потім піддавали їх термічній обробці. Високотемпературна нормалізація виливків стрижнів не потрібна. Отримані стрижні у вигляді неопрацьованих виливків піддаються впливові на них зовнішніми полями, здатними переводити атоми і молекули структури в збуджений стан до її мартенситного перетворення. Після цього стрижні піддавали термічній обробці шляхом нагрівання їх у термічній камерній печі до 860°С і витримки при ній 90 хвилин, після чого вони витягалися з печі і охолоджувалися в маслі. Твердість стрижнів після термічної обробки складає HRC 50. Вартість заявленого чавуна нижче вартості чавуна, приведеного в якості прототипу. Стрижні зі зносостійкого чавуна, отримані пропонованим способом, мають необхідну твердість, підвищену зносостійкість і експлуатаційну стійкість, гарні технологічні властивості і низьку вартість. Дослідження структури і властивостей модифікованих чавунів, виготовлених пропонованим способом, показало можливість їх широкого застосування в якості міцних і зносостійких матеріалів, у тому числі для деталей гірничо-металургійного устаткування. Це дозволить у багатьох випадках замінити дорогі леговані чавуни і сталі з великим вмістом нікелю та хрому, знизити витрату легуючих елементів, при цьому одержати металургійну продукцію конкурентноздатну на світовому ринку.