Чавун зносостійкий

Чавун зносостійкий, що містить вуглець, кремній, марганець, нікель, ніобій, церій, ітрій, лантан, 3 зміни форми карбідів ніобію на найбільш схвальну - кубічну, крім того у структурі виділяється велика кількість дрібнодисперсних карбідів титану. Крім того, модифікування церієм, ітрієм, лантаном і неодимом у вказаних границях сприяє кристалізації чавуну за метастабільною системою, що дозволяє підвищити міцність чавуну. Зазначена задача вирішується тим, що в чавуні зносостійкому, що містить вуглець, кремній, марганець, нікель, ніобій, церій, ітрій, лантан, неодим, залізо, додатково міститься титан при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: Вуглець 3,5-4,2 Кремній 1,2-1,8 Марганець 2,5-4,0 Нікель 1,5-2,5 Ніобій 0,05-0,1 Титан 0,20-0,25 Церій 0,06-0,10 Ітрій 0,06-0,10 Лантан 0,04-0,08 Неодим 0,04-0,08 Залізо решта. За наявними у авторів відомостями сукупність ознак, що заявляються та характеризують сутність чавуну є раніше невідомими. Таким чином, запропонований винахід відповідає критерію «новизна». Вплив окремих елементів на структуру і властивості чавуну дуже різноманітний, і так само є багато додаткових факторів, які можуть змінювати вплив того або іншого елементу. Змінний якісний і кількісний вплив різних елементів на структуроутворення сплавів ускладнює можливість їхньої класифікації за ознакою інтенсивності цього впливу, тим більше, що в багатьох випадках, наявність у сплаві двох карбідоутворюючих елементів не обов'язково посилює їх окремий вплив, а іноді нівелює його. Тому задача з підбирання легуючого комплексу, зводилася до того, щоб нейтралізувати небажаний вплив окремих елементів і посилити їх спільний вплив. Вміст хімічних елементів у чавуні обґрунтовується наступним: Вуглець. Є основним зміцнювачем залізовуглецевих сплавів і відповідно при концентраціях у межах 3,5-4,2мас.% забезпечує мартенситну структуру і підвищену зносостійкість чавуну. Верхня практична границя вмісту вуглецю у більшості випадків обумовлюється евтектичним складом, тому що при більш високому вмісті вуглецю з'являються надлишкова карбідна фаза (первинний цементит), що відповідно приводить до окрихчування чавуну і зросту зносу. При вмісту вуглецю менше нижньої границі, що рекомендується, значно зменшується кількість карбідної фази, що приводить до зниження твердості й, як наслідок, зносостійкості. Кремній в обраних границях нейтралізує карбідизуючу дію марганцю, тобто забезпечує одержання необхідного ступеня графітизації чавуну (Кг). При зменшенні вмісту кремнію нижче 1,2мас.% параметр графітизації чавуну Кг низький, а тому такий чавун має недостатню міцність. Збільшення вмісту кремнію вище верхньої границі, що рекомендується, не дозволяє одержати білий без графітний чавун. 88745 4 Марганець. Найбільші міцність та зносостійкість білих чавунів з пластинчастою евтектикою й високотвердими спеціальними карбідами ніобію можуть бути досягнуті тільки на разі, якщо вони знаходяться у твердій і міцній матриці. В пропонуємому чавуні для одержання мартенситної матриці передбачається легування марганцем у границях 2,6-4,0мас.% в комбінації з 1,5-2,5 нікелю. Зменшення концентрації марганцю нижче 2,5мас.% не дозволить одержати мартенситну матрицю, у структурі буде присутнім тростит, що зменшує зносостійкість. Підвищення вмісту марганцю більше за 4,0мас.% не призводить до подальшого поліпшення властивостей. Нікель. Як вже вказувалося вище, границі вмісту нікелю обрано виходячи з необхідності одержання мартенситної матриці. Нижня границя вмісту нікелю, що забезпечує в комбінації з 2,54,0мас.% марганцю одержання мартенситної матриці складає 1,5мас.%. Оптимальну міцність та зносостійкість забезпечує легування 2,5мас.% нікелю. Підвищення концентрації нікелю більше за 2,5мас.% до значного збільшення властивостей не призводить, а собівартість такого чавуну зростає значно. Ніобій. У запропонованому чавуні однією з причин підвищення зносостійкості є утворення високо твердих спеціальних карбідів найсприятливішої форми. Досягається це сумісним введенням ніобію та титану. За нашими даними оптимальним вмістом ніобію є 0,05-0,10мас.%. При вмісті ніобію менше за 0,05мас.% в комплексі з 0,15-0,20мас.% титану кількість карбідів ніобію мала й зносостійкість таких чавунів менше оптимальної. Підвищення ж вмісту ніобію вище за 0,10мас.% (при 0,200,25мас.% титану) не призводить до подальшого збільшення зносостійкості. Титан. Роль титану у запропонованому чавуні подвійна: утворення дисперсних високо твердих карбідів титану та зміна на більш сприятливу форми карбідів ніобію. Найбільш високі значення зносостійкості досягаються при концентраціях титану 0,20-0,25мас.% та наявності 0,05-0,10мас.% ніобію. При вмісті титану менше за 0,20мас.% зносостійкість чавуну значно зменшується, а збільшення його концентрацій понад 0,25мас.% не призводить до подальшого росту зносостійкості. Рідкісноземельні метали. При виборі модифікаторів для подавления виділення ледебуриту у білому чавуні та підвищення властивостей було прийнято до уваги, що відомі модифікатори (церій, ітрій, лантан, неодим) значною мірою відрізняються один від одного за хімічною активністю, модифікуючим впливом, мають різні температури плавлення, кипіння, теплоти утворення сполук та енергії Гібса. Однозначно встановлено, що, наприклад, максимальну мікротвердість цементиту та перліту дозволяє одержати модифікування ітрієм та лантаном, а фериту - модифікування церієм та неодимом. Механізм такого впливу в теперішній час вивчено недостатньо. Комплексне модифікування вказаними модифікаторами призводить до переважному утворенню СеО2, енергія Гібса котрого значно нижче, ніж у Lа2О3 та Y2O3. Таким чином, ураховуючи вищевикладене, встановили ни 5 жні границі вмісту вказаних елементів, що забезпечує подавления виділення ледебуритної евтектики та перетворення її в пластиноподібну. За нашими даними нижні границі концентрацій модифікаторів повинні бути такими, мас.%: церій 0,06, ітрій - 0,06, лантан - 0,04, неодим - 0,04. Зменшення концентрацій модифікаторів (будь-якого з вказаних) нижче за границі, що рекомендуються, не дозволяє повністю одержати пластиноподібну евтектику, у структурі присутній ледебурит, який призводить до зниження зносостійкості. Верхні границі концентрацій ітрію та лантану визначали зі ступенем зростання мікротвердості карбідної фази. При концентраціях 0,1мас.% ітрію та 0,08мас.% лантану мікротвердість карбідної фази була максимальною. Подальше збільшення вмісту цих елементів призводило до утворення великої кількості неметалевих включень, які зменшували зносостійкість. Ураховуючи, що церій у першу чергу витрачається на рафінування розплаву розраховували максимально необхідні його вмісти, а потім за ступенем зростання мікротвердості матриці визначали максимальну його концентрацію. Верхня границя неодиму також визначали за ступенем зростання мікротвердості матриці. При вмістах 0,1мас.% церію та 0,08мас.% неодиму (в комплексі з 0,1мас.% ітрію та 0,08мас.% лантану) мікротвердість матриці була максимальною. Подальше збільшення концентрацій вказаних елементів не призводило до підвищення мікротвердості та, як слідство, зносостійкості. Слід відмітити, що ступінь модифікуючого впливу індивідуальних елементівмодифікаторів, що розглянуто, значною мірою зростає при комплексному використанні та у більшості випадків модифікування індивідуальним елементом-модифікатором не дозволяє досягти результатів, що були одержані при комплексному модифікуванню. Механізм такого взаємного впливу у технічній літературі практично не описаний. Суть винаходу, що заявляється, не визначена у явному вигляді з відомого авторам рівня техніки. Сукупність ознак, які характеризують відомі рішення, не забезпечують досягнення нових властивостей, і тільки наявність означеної відмінної ознаки дозволяє одержати новий технічний результат. Таким чином, винахід, що заявляється відповідає критерію «винахідницький рівень». Для оцінки властивостей, запропонованого чавуну і його структурного стану, у порівнянні із найближчим аналогом, отримали експериментальний чавун. Були застосовані наступні шихтові матеріали: - чавун переробний ПВК1, ПВК2, ПВК3 ДСТУ 3133-95; - чавун ливарний Л1, Л2 ДСТУ 3132-95; - чавун валковий ЧВ-1, ЧВ-2 ГОСТ 1465-80; - лом сталі 1А, 2А, 3А ГОСТ 2787-75; - феросиліцій ФС75 ГОСТ 1415-91; - феромарганець ФМн78, ФМн70 ДСТУ 354797; Легувальні елементи відповідали таким параметрам: 88745 6 - феротитан ФТи30 ГОСТ 4761-91; - фероніобій ФНБ60 ГОСТ 4765-91; - титан губчастий ТГ-130 ДСТУ 3079-95. Експериментальні плавки проводили в індукційній печі з кислою футеровкою, вага шихти 40кг. Після розплавлення шихти потужність печі знижували до 30-40% від максимальної, знищували шлак періоду плавлення, заміряли температуру. При доводці сплаву при температурі металу 15201530°С вводили феросплави ніобію та титану. Модифікування робили таким чином: модифікувальні елементи (церій, ітрій, лантан, неодим) вводили у ківш перед випуском металу у вигляді ітрій-церієвої та лантан-неодимової лігатур такого складу, мас. %: 1) ітрій 15...20 церій 15...20 вуглець 0,3...0,5 кальцій 0,4... 0,5 кремній 30...35 Залізо решта, 2) лантан 15...20 неодим 15...20 вуглець 0,3...0,5 кальцій 0,4...0,5 кремній 30...35 залізо решта. При температурі 1500±5°С чавун випускали у ківш з необхідною наважкою модифікаторів та при досягненні температури 1330...1340°С заливали у кокільні форми. Виливки мали розміри: 1) куля діаметром 60мм, 2) циліндр діаметром 50мм, висотою 200мм. З цих виливків вирізали зразки для хімічного аналізу, металографічних досліджень, випробування границь міцності при розтягу та вигині, ударостійкості, зносостійкості. Випробування механічних властивостей проводили за стандартними методами. Зносостійкість сплаву визначали на установці СМЦ-2 при терті ковзання з зусиллям 700МПа. Модуль пружності визначали ультразвуковим методом на установці УЗИС-ЛЭТИ. Мікротвердість вимірювали на приладі ПМТ-3 при навантаженні 500Н. Випробування ударостійкості робили за кількістю ударів до руйнування литої кулі при падінні її з висоти 6м. Хімічний аналіз та властивості запропонованого чавуну та прототипу наведені у таблиці. Як видно з таблиці, поставлена мета досягнута. Зносостійкість запропонованого чавуну вище, ніж відомого на 30%, модуль пружності нижче на 3%, при високому рівні міцностних властивостей (σр, σв та ударостійкість вище на 2-3%) Зважаючи на те, що у пропонованому чавуні зменшується вміст ніобію в середньому на 0,15% додатково зменшується вартість чавуну. Винахід, що заявляється, засновано на теоретичних розробках, підтверджених експериментальними даними та може бути багаторазово відтворений у виробництві. Таким чином, винахід, що заявляється, відповідає критерію «промислова придатність». 7 88745 8 Таблиця Хімічний склад і властивості чавуну, що заявляється, та прототипу. Хімічний склад, мас. % Властивості Сплав № вар Si Mn Ni Nb Ті Се С Y La Модуль пружності Nd 4 Ex10 , КПа 1 3,5 1,2 2,5 1,5 0,05 0,20 0,06 0,06 0,04 0,04 2 4,2 1,8 4,0 2,5 0,10 0,25 0,10 0,10 0,08 0,08 Чавун, що заяв- 3 3,9 1,4 3,3 2,0 0,08 0,23 0,08 0,08 0,06 0,06 ляється 4 3,8 1,42 3,3 2,1 0,02 0,15 0,08 0,078 0,06 0,065 5 3,8 1,4 3,3 2,0 0,15 0,30 0,08 0,08 0,063 0,06 Чавун за 6 3,5 1,2 2,5 1,5 0,15 - 0,06 0,10 0,08 0,06 прототи- 7 4,2 1,2 2,5 2,5 0,30 - 0,06 0,06 0,08 0,08 пом 8 3,9 1,4 3,3 2,0 0,22 - 0,10 0,08 0,06 0,06 Комп’ютерна верстка А. Крижанівський 16,5 16,5 16,7 16,5 16,55 17,0 16,8 17,4 МікротвеУдароМікротвердість стій- Зносостійкість, σр, σв, рдість карбідної г кість, матриці, МПа МПа фази, разів МПа МПа 2365 0,018 795 655 14550 9200 2400 0,016 805 668 14800 9550 2350 0,015 795 660 14650 9400 2300 0,022 790 660 14590 9250 2400 0,014 800 660 14850 9500 2340 0,028 780 650 14500 8900 2350 0,020 780 645 13800 9100 2280 0,021 765 635 14150 9300 Підписне Тираж 28 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