Сплав лігатура залізо-вольфрам

Сплав лігатура залізо-вольфрам, що містить вольфрам, залізо, вуглець, сірку, фосфор, молібден, олово, арсен, який відрізняється тим, що 3 встановленому технічними умовами рівні, в порівнянні зі сплавом-прототипом. Поставлене завдання досягається тим, що сплав лігатура залізо-вольфрам, містить вольфрам, залізо, вуглець, сірку, фосфор, молібден, олово, арсен, і відрізняється тим, що містить нікель при наступному співвідношенні, мас. %: Вольфрам 30-70 Вуглець 0,05-0,12 Сірка 0,01-0,03 Фосфор 0,01-0,05 Молібден 0,01-0,05 Олово 0,01-0,02 Арсен 0,01-0,08 Нікель 4-6 Залізо решта Саме сукупність цих компонентів та їх співвідношення забезпечують досягнення нового технічного результату - отримання залізо-вольфрамової лігатури, яка має нижчу кількість шкідливих елементів (сірки, фосфору, молібдену, олова та арсену) та кількості окислів, в порівнянні зі сплавомпрототипом, при значно меншій вартості. Це дає змогу отримувати сплави вищої чистоти, що призводе до підвищення механічних властивостей. Досягається це тим, що для виплавляння використовується технічно чисте залізо та важкотопкий вольфрамовий брухт системи W-Ni-Fe з наступним співвідношенням компонентів 90-7-3 % (мас.) відповідно [Глотка О.А. Дослідження важкотопкого брухту, що містить вольфрам /О.А. Глотка. А.Д. Коваль, Л.П. Степанова //Нові матеріали та технології в металургії та машинобудуванні - 2007. - № 1. - С. 17-20]. При знаходженні кількості вольфраму на нижньому рівні (30 % мас.) сплав має структуру твердого розчину на основі заліза з вкрапленнями інтерметаліда Fe2W. Температура плавлення знаходиться на рівні 1583 °С, це забезпечує мінімальні затрати енергії на розтоплення 1 кг лігатури (1224572 Дж/кг) та викликає рівномірність розподілу вольфраму по виливниці, що в свою чергу знижує анізотропію властивостей сталі, що виплавляється. Величина угару вольфраму після виплавляння лігатури знаходиться на рівні 1 %, що значно знижує витрати. Засвоєння вольфраму з лігатури 30 % мас. в інструментальній штамповій сталі становить на рівні 94,32 %. Зниження вольфраму нижче 30 % мас. не призводить до зниження температури плавлення та покращення розподілу по виливниці. Окрім цього, це призводить до перевитратам лігатури та збільшенню кількості нікелю в сталі. Збільшення вольфраму до 70 % (мас.) призводе до утворення окрім твердого розчину на основі заліза, інтерметаліда Fe7W6 ще і твердого розчину на основі вольфраму. Втрати на угар вольфраму знаходяться на рівні 6,7 %, а втрати на розтоплення лігатури становить 1928890 Дж/кг, що нижче ніж в сплаві-прототипу. Засвоєння вольфраму з лігатури 70 % мас. в інструментальній штамповій сталі становить на рівні 95,24 %. Підвищення вольфраму до рівня 90 % мас. викликає зростання температури плавлення до рівня 3200 °С та зростання витрат енергії на розтоплення до 56736 4 2091827 Дж/кг, це викликає зниження рівномірності розподілу вольфраму по виливниці та анізотропії властивостей сталі, що витоплюється. Межі вмісту нікелю в лігатурі, що заявляється, є залежними від кількості важкотопкого вольфрамового брухту, що вводиться в лігатуру, і коливаються від 4 до 6 % мас. Нижня межа вмісту нікелю притаманна лігатурі з 30 % мас. вольфраму, і є мінімально можливою для отримання оптимального вмісту вольфраму. Зниження нікелю автоматично викликає зниження вольфраму, що призводить до збільшення витрат лігатури та зростанню кількості нікелю в сталі, а це призводить до зниження міцності та твердості і підвищення пластичності і в'язкості інструментальної штампової сталі. Верхня межа нікелю (6 % мас.) відповідає лігатурі з 70 % мас. вольфраму і є максимально можливим вмістом при отриманні лігатури з використанням важкотопкого вольфрамового брухту, яка не знижує міцність та твердість сталі. Збільшення важкотопкого вольфрамового брухту в лігатурі 90 % мас. вольфраму призводе до зростання концентрації нікелю в інструментальній штамповій сталі. Використання лігатури, що патентується при витопленні сталей, що містять нікель, є економічно вигідним, оскільки знижує витрати на легувальний елемент - нікель. Рівень молібдену знижується від 0,01-0,05 % мас., що викликано заниженим вмістом його в важкотопкому вольфрамовому брухті, і це дає змогу використовувати лігатуру при легуванні сталей з низьким (відсутнім) рівнем молібдену. Зниження кількості вуглецю, в порівнянні зі сплавом прототипом, дає змогу отримати меншу кількість карбідів вольфраму, в лігатурі, що патентується, а це в свою чергу дає зниження температури топлення і підвищення рівні розчинності в сталі. Витоплення сталі з використанням лігатури, що патентується, призводить до зниження анізотропії властивостей і уникнення областей з великими вкрапленнями карбіду вольфраму, що призводе до зниження технологічних властивостей. Зменшення кількості домішок (сірки, фосфору, олова і арсену) в першу чергу залежить від використання чистих шихтових елементів, а не спеціальними видами переплаву лігатури. При використанні технічно чистого заліза основним постачальником шкідливих домішок є важкотопкий вольфрамовий брухт. В свою чергу зниження домішок призводить до підвищення чистоти, покращення мікроструктури сталі і зростанню експлуатаційних властивостей (надійності, безвідмовності) сталей, що витоплюються з використанням лігатур, що патентуються. За рахунок того, що для виготовлення лігатури використовують не окисли, а метали, сплав, що патентується має кількість забруднюючих окислів значно нижчу ніж сплав-прототип. Технічне рішення, яке заявляється, містить нові ознаки, тому воно відповідає критерію "новизна". Аналоги, які містять ознаки, що відрізняються від прототипу, не знайдені, рішення явним чином не випливає з рівня техніки. Виходячи з вищеви 5 56736 кладеного можна зробити висновок, що запропоноване технічне рішення задовольняє критерію «Винахідницький рівень». Для експериментальної перевірки була виплавлена інструментальна штампова сталь марки 3Х2В8Ф згідно ТУ 14-1-5243-93, яка пройшла обробку тиском та термічну обробку рекомендовану ДП «УкрНДІСпецСталь» [Справочник по инструментальным сталям /[Канюка В.И., Терехов В.Н., Мороз А.Н. и др.]; под ред. Ю.Ф. Тернового. - X.: «Металлика», 2008. – 224 с.]. Такий вибір був заснований на тому, що саме інструментальні штампові сталі є чутливими до наявності в хімічному складі нікелю, який призводе до короткочасного виходу з ладу інструмента та знижує високотемпературні властивості. Виплавляння експериментальної лігатури проводилося в індукційній печі при нагріванні сплаву до розтоплення та повільного охолодження на повітрі в олундовому тиглі. 6 Хімічний склад лігатур, які використовувалися для виплавляння інструментальної сталі, наведений в таблиці 1. Лігатури містять компоненти в кількості, що відповідає нижній границі, що заявляється, відповідає сплав № 2; верхній границі, що заявляється, відповідає сплав № 4; оптимальному складу лігатури, що заявляється, відповідає сплав № 3; нижче за нижню границю, що заявляється, відповідає сплав № 1; вище за верхню границю, що заявляється, відповідає сплав № 5. Хімічний склад витоплених інструментальних сталей 3Х2В8Ф з використанням запропонованих лігатур та сплавом прототипом (згідно ТУ 14-15243-93) наведений у таблиці 2. Номера сплавів відповідають лігатурам з використанням яких були витоплені сталі. Результати порівняльних механічних випробувань зразків зі сталей наведено в таблиці 3. Таблиця 1 Хімічний склад лігатур № Сплав Прототип 1 2 3 4 5 Запропонований W >60 20 30 50 70 90 Мо ≤6,0 ≤0,05 ≤0,05 ≤0,05 ≤0,05 ≤0,05 Мn ≤0,6 Si ≤1,2 Вміст легуючих елементів %, за масою С Р S Сu Sn As ≤0,7 ≤0,1 ≤0,15 ≤0,3 ≤0,2 ≤0,08 ≤0,12 ≤0,05 ≤0,03 ≤0,02 ≤0,08 ≤0,12 ≤0,05 ≤0,03 ≤0,02 ≤0,08 ≤0,12 ≤0,05 ≤0,03 ≤0,02 ≤0,08 ≤0,12 ≤0,05 ≤0,03 ≤0,02 ≤0,08 ≤0,12 ≤0,05 ≤0,03 ≤0,02 ≤0,08 Ni 2,8 4,0 5,0 6,0 7,0 Fe решта решта решта решта решта решта Таблиця 2 Хімічний склад сталей витоплених з відповідних лігатур № Сталь Прототип 1 2 3 4 5 Запропонований С 0,35 0,35 0,35 0,38 0,37 0,32 Сr 2,4 2,4 2,3 2,7 2,5 2,55 Вміст легуючих елементів %, за масою W V Ni 7,9 0,4 ≤0,4 8,2 0,32 0,54 7,9 0,28 0,34 8,3 0,4 0,31 8,5 0,47 0,38 8,47 0,41 0,45 Сu ≤0,3 0,23 0,21 0,22 0,18 0,24 Мо ≤0,2 0,17 0,14 0,15 0,12 0,18 7 56736 8 Таблиця 3 Результати порівняльних механічних випробувань зразків із інструментальної сталі 3Х2В8Ф витопленої з використанням запропонованих лігатур. № Сплав Твипр., °С Прототип 1 2 3 4 5 Запропонований 20 Прототип 1 2 3 4 5 Запропонований 600 HRC σв, МПа σ0,2, МПа 45 45±0,8 44±0,8 45±0,8 45±0,8 43±0,8 1570 1440±20 1575±15 1578±14 1574±18 1453±21 1170 1151±10 1155±15 1163±17 1168±10 1160±12 1400 1354±18 1398±17 1424±21 1410±20 1378±16 Аналіз результатів хімічного складу сталей витоплених з використанням запропонованих лігатур та механічних властивостей, показав, що оптимальний склад лігатур відповідає сплавам «2», «3» та «4». При заниженні вмісту елементів нижче за рівень, що заявляється, при витопленні сплаву необхідно вводити значно більшу кількість лігатури, що веде до збільшення коштовності сталі та збільшення кількості нікелю, що негативно впливає на характеристики міцності. Збільшення вмісту елементів вище за рівень, що заявляється, при витопленні сталі необхідно вводити меншу кількість лігатури, але при цьому погіршується розчинення легуючих елементів, що призводить до збільшення анізотропії властивос Комп’ютерна верстка І.Скворцова KCU, Дж/см2 25 28±4 24±3 21±2 25±3 31±4 δ, % ψ, % 10 17±5 12±2 10±3 11±4 15±5 11 15±5 8±3 8,8±4 10±5 14±5 35 41±5 37±5 33±7 34±6 39±8 44 50±6 40±5 41±3 42±7 47±6 тей. Окрім цього кількість нікелю зростає, що веде до зниження міцності та твердості сталі. Таким чином, в результаті комплексних досліджень запропонований сплав лігатура залізовольфрам, що заявляється, має майже у тричі меншу вартість, ніж сплав аналог ФВ 65, за рахунок використання важкотопкого вольфрамового брухту. Очікуваний економічний ефект, який буде отриманий за рахунок зниження сумарної вартості легуючих компонентів, що міститься в 1 тонні сталі, складе 18000 гривень. На підставі аналізу отриманих результатів можна зробити висновок, що запропоноване технічне рішення відповідає критерію «Промислова придатність». Підписне Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601