Спосіб отримання зносостійкого чавуну з метастабільним аустенітом

Реферат: Спосіб отримання чавуну зі структурою метастабільного аустеніту включає виплавку чавуну, який вміщує вуглець, кремній, марганець, ванадій, хром, залізо, та загартування. UA 98897 U (54) СПОСІБ ОТРИМАННЯ ЗНОСОСТІЙКОГО ЧАВУНУ З МЕТАСТАБІЛЬНИМ АУСТЕНІТОМ UA 98897 U UA 98897 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до металургії, зокрема, до чавунів, які використовують для виготовлення литих металовиробів, що в процесі експлуатації піддаються інтенсивному абразивному зношуванню. Відомо, що білі леговані чавуни є одним з найбільш поширених триботехнічних матеріалів; їх висока абразивна зносостійкість зумовлена присутністю в мікроструктурі значної кількості твердих карбідів, які ефективно протистоять руйнівній дії абразивних часток у контакті з металевою поверхнею. Не менш важливим фактором є також структурний стан металевої матриці чавунів, у якій розподілені карбідні включення. Найбільш високий рівень абразивної зносостійкості чавунів досягається за наявності аустенітномартенситної матриці з переважанням аустеніту, у якій γ-фаза є метастабільною, тобто схильною до деформаційного мартенситного перетворення (ДМП) при зношуванні [1]. Ванадій належить до хімічних елементів, які застосовують при легуванні білих зносостійких чавунів. Ванадійвміщуючі білі чавуни складають окрему групу зносостійких сплавів. При введенні ванадію в чавуні утворюються карбіди VC, які завдяки значній твердості (2200-2800 HV) забезпечують чавунам високу абразивну зносостійкість. Зазвичай, карбіди VC утворюють сферолітну евтектику (аустеніт + VC), у якій карбіди кристалізуються у вигляді витягнутих волокон, які армують металеву матрицю. Серед таких сплавів відомий, наприклад, чавун, що вміщує 1,7-3,0 % С, 0,5-2,5 Si; до 0,7 % Мn, до 10 % V, до 1,5 % Сu [1]. Після загартування в структурі такого чавуну присутня мартенситна матриця, а тому він має низьку ударну в'язкість, тобто не може експлуатуватися в умовах наявності ударних навантажень. Зростанню ударної в'язкості білих чавунів сприяє формування аустенітної матриці. Відомі ванадійвміщуючі чавуни на аустенітній основі. Прикладом такого чавуну є чавун за патентом США № US 6908589 В2 [2], за яким чавун вміщує 1,5-4,0 % С, 6,0-15,0 % V, 0,2-4,0 % Si, 10,018,0 % Мn, 0,01-0,10 % Mg, залізо - решта. Такий чавун має аустенітну структуру матриці, яка формується завдяки наявності 10,0-18,0 % Мn, а тому відрізняється підвищеним рівнем ударної в'язкості при достатньо високій абразивній зносостійкості. Недоліками цього чавуну є: 1) висока вартість в зв'язку з підвищеним вмістом ванадію, який є дорогим легуючим компонентом; 2) металева матриця чавуну представлена аустенітом, стабільним до ДМП, що не забезпечує максимального опору абразивному зношуванню. Зниження вартості ванадійвміщуючих чавунів можливо за рахунок зменшення вмісту ванадію при його одночасній заміні на більш дешеві карбідоутворюючі елементи, наприклад, хром. Такий підхід реалізовано авторами [3], які запропонували чавун, що вміщує 2,7-3,8 % С; 0,5-1,5 % Si; 3,0-4,5 % Мn; 7-11 % Сr; 6-9 % V. В структурі цього чавуну присутні дві карбідні евтектики: "аустеніт+VC" і "аустеніт+(Сr, Fе) 7С3", остання певною мірою компенсує зменшення кількості карбідів ванадію. Для цього чавуну рекомендується термічна обробка, яка полягає в загартуванні на повітрі від 800 °C, що після низького відпуску забезпечує твердість 45-57 HRC. Втім, при наведеному співвідношенні хімічних елементів абразивна зносостійкість чавуну не досягає максимально можливого рівня. Причиною цього є підвищений вміст хрому. Хром стимулює виділення вторинних карбідів з аустеніту при нагріві під загартування, що збіднює аустеніт вуглецем і підвищує мартенситну точку; внаслідок цього зростає кількість мартенситу при відповідному зменшенні кількості аустеніту в матриці чавуну (в матриці переважає мартенсит). По-друге, залишковий аустеніт під впливом хрому стабілізується до ДМП, оскільки при збільшенні вмісту хрому в сплаві частина цей елемент частково розчиняється в аустеніті, знижуючи його метастабільність при зношуванні. Крім того є неоптимальною технологія термообробки, оскільки при 3-4,5 % Мn температура 800 °C відповідає максимально повному виділення вторинних карбідів з аустеніту, що сприяє підвищенню кількості мартенситу в структурі. Таким чином, у сукупності при даному співвідношенні компонентів та режимі термообробки не використовуються переваги наявності карбідів ванадію в структурі, тобто не досягається максимально можливий опір абразивному зношуванню сплаву. В основу корисної моделі поставлена задача вдосконалити спосіб отримання чавуну, який би за рахунок змінення співвідношення легуючих елементів і режиму термічної обробки забезпечував підвищення абразивної зносостійкості сплаву. Поставлена задача вирішується тим, що у способі отримання зносостійкого чавуну з метастабільним аустенітом, що включає виплавку чавуну, який вміщує вуглець, кремній, марганець, ванадій, хром, залізо, та загартування, згідно з корисною моделлю, виплавляють чавун наступного складу, мас. %: вуглець 2,7-3,3; кремній 0,5-1,5; марганець 3,5-5,5; ванадій 6,0-8,0; хром 3,0-6,0; залізо - решта, а його загартування проводять з нагрівом до 900-1000 °C та витримкою при цій температурі 2-3 год. Суть корисної моделі полягає в тому, щоб підвищити кількість аустеніту в структурі чавуна, збільшивши при цьому його схильність до деформаційного мартенситного перетворення при зношуванні. Для цього пропонується, по-перше, знизити вміст хрому, а по-друге, підвищити 1 UA 98897 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 температуру нагріву під загартування. В комплексі це забезпечить отримання в структурі загартованого чавуну переважно аустенітної матриці з підвищеним рівнем метастабільності, що позитивно вплине на абразивній зносостійкості сплаву. Чавун, що пропонується, повинен вміщувати 2,7-3,3 % С, що є необхідною умовою для формування оптимальної кількості та фазового складу карбідної фази. При вмісті вуглецю менше ніж 2,7 % знижується кількість карбідів хрому, при перевищенні 3,3 % в структурі з'являється ледебуритна евтектика на базі більш м'якого карбіду - Ме3С; і в тому, і в іншому випадках спостерігається зменшення абразивної стійкості чавуну. Кількість ванадію в чавуні має становити 6,0-8,0 %. При меншій кількості ванадію кількість карбідів VC в структурі зменшується настільки, що це не може бути компенсовано введенням хрому; це знижує абразивну зносостійкість сплаву. При вмісті ванадію більше, ніж 7,5 %, підвищується собівартість чавуну, а також знижується ступінь зміцнення матриці при зношуванні, оскільки відбувається її збіднення вуглецем (який зв'язується ванадієм у карбіди VC). Вміст хрому в межах 3,0-6,0 % є необхідним для утворення оптимальної кількості карбідів Ме7С3. При вмісті хрому менше 3,0 % зносостійкість чавуну знижується за рахунок зменшення карбідів Мe7С3, а при його концентрації більше 6,0 % аустеніт стабілізується до мартенситного перетворення, що також зменшує опір абразивному зношуванню. Концентрація марганцю повинна становити 3,5-5,5 %, що є необхідним для забезпечення заданого аустенітно-мартенситного стану металевої матриці. При вмісті марганцю менше 3,5 % матриця стає переважно мартенситною, тобто не реалізується деформаційне мартенситне перетворення, що призводить до зниження зносостійкості. При вмісті марганцю вище 5,5 % матриця стає повністю аустенітною, причому аустеніт набуває високої стабільності до деформаційного мартенситного перетворення, що також зменшує зносостійкість чавуну. Вміст кремнію в чавуні має складати 0,5-1,5 %, що є достатнім для забезпечення розкислення та необхідних ливарних властивостей чавуну. При меншій концентрації кремнію у відливках з'являються ливарні дефекти. У випадку перевищення запропонованої верхньої межі по вмісту кремнію в структурі чавуну утворюються окремі включення графіту, що також знижує опір зношуванню. Температура нагріву під загартування повинна становити 900-1000 °C. При цьому відбувається неповне виділення вторинних карбідів з аустеніту, тобто матриця не збіднюється вуглецем, що сприяє утворенню переважно аустенітної структури після охолодження. Якщо температура загартування становитиме нижче 900 °C, підвищиться кількість мартенситу в структурі, а якщо перевищуватиме 1000 °C - утвориться повністю аустенітна структура з підвищеною стабільністю до ДМП. І в першому, і в другому випадках знизиться абразивна зносостійкість чавуну. Витримка при температурі нагріву під загартування повинна становити 2-3 години. Вона потрібна для виділення вторинних карбідів з аустеніту, що дестабілізує його до ДМП при зношуванні. Якщо витримка становитиме менше 2 годин, не відбудеться необхідної дестабілізації аустеніту, що негативно позначиться на зносостійкості. Якщо нагрів відбуватиметься більш ніж 3 години, вторинні карбіди почнуть збільшуватися у розмірах, що також призведе до погіршення опору зношуванню чавуну. Приклад реалізації запропонованого хімічного складу чавуну. Чавун виплавляли в 25-кг індукційній пічці, використовуючи ливарний чавун, стальний лом, феросплави. Розплав розливали у сухі піщані форми. З отриманих виливків анодно-механічним способом вирізали зразки, які шліфуванням доводили до розмірів 5×50×50 мм. Зразки піддавали загартуванню з охолодженням на повітрі. Після фінішного шліфування у товщину 4 мм зразки піддавали випробуванням на абразивне зношування та визначали зміну твердості на поверхні, яку піддавали зношуванню. Мікроструктуру вивчали на мікрошліфах, підготовлених згідно стандартної процедури. Твердість вимірювали за допомогою мікротвердоміра "FM-300" (FutureTech Corp.) при навантаженні 100 г, при цьому визначали твердість поверхні до та після випробувань на зношування. За величиною приросту твердості (ΔHV) оцінювали здатність матриці до ДМП. Мікроструктуру вивчали на мікрошліфах, виготовлених за стандартною процедурою та протравлених 4 %-м спиртовим розчином азотної кислоти. Абразивне зношування проводили на машині SUGA при терті по поверхні абразивного 2 паперу (карбід кремнію) при навантаженні 19,6 Н. Загальна площа тертя становила 360 мм , загальний шлях тертя - 120 м. Після випробувань визначали втрату маси зразків. Після цього розраховували коефіцієнт зносостійкості (ε), як ε=Δm чав/Δmвід, де Δmчав, Δmвід - втрата маси експериментального та відомого чавуну, відповідно. Результати випробувань та розрахунків наведені в таблиці 1. 2 UA 98897 U Таблиця 1 Хімічний склад сталі та результати випробувань чавунів Вміст елементів, мас. % № варіанту С Si Mn V Cr 1 2 3 4 5 Відомий 2,70 3,30 2,98 2,50 3,48 3,05 0,50 1,50 1,27 0,38 1,75 0,95 3,50 5,50 4,42 3,12 6,63 3,18 6,00 8,00 7,06 5,27 8,75 7,89 3,00 6,00 4,45 2,33 7,18 10,50 Час tзаг., °C витримки, Fe год. залиш. 900 2,0 залиш. 950 1,5 залиш. 1000 3,0 залиш. 850 1,5 залиш. 1050 3,5 залиш. 800 1,0 Відносна Мікрознососструктура тійкість (ε) 0,0298 А+М 1,35 0,0302 А+М 1,33 0,0275 А+М 1,47 0,0498 М 0,81 0,0505 А+Г 0,80 0,0403 М 1,00 ΔHV Δm, г 230 200 275 15 45 30 Примітка: 1) tзar. - температура нагріву під загартування; 2) ΔHV - приріст твердості на поверхні після зношування; 3) А, М, Г - аустеніт, мартенсит, графіт, відповідно 5 10 15 20 Результати, наведені в таблиці, показують, що найбільш високий рівень зносостійкості (ε=1,33-1,47) відповідає чавунам складу №№ 1, 2, 3, тобто запропонований чавун на 33-47 % перевищує за зносостійкістю прототип. Це обумовлено наявністю в структурі аустенітномартенситної матриці, в якій аустеніт перетворюється в мартенсит деформації при зношуванні, на що вказує значний приріст твердості на поверхні тертя (ΔHV). Якщо вміст хімічних елементів є нижчим за заявлений рівень, спостерігається зменшення зносостійкості за рахунок зменшення кількості карбідів ванадію і хрому та формуванню мартенситної матриці, яка не здатна зміцнюватися при зношуванні (на це вказує незначний приріст твердості ΔHV=15). При більш високому вмісті легуючих елементів зносостійкість також зменшується внаслідок стабілізації аустеніту до ДМП та появі в структурі графіту. Таким чином, варіанти хімічного складу пропонованого чавуну №№ 1-3 слід вважати оптимальними. Джерела інформації: 1. Шалашов В.А., Сильман Г.И., Таран Ю.Н. Белый износостойкий ванадиевый чугун// Литейное производство. - 1970. - № 6. - С. 7-10. 2. Патент США US 6908589 В2. High manganese cast iron containing spheroidal vanadium carbide and method for making therof/ Tadashi Kitudo, Mamoru Takemura, Mituaki Matumuro, Hideto Matumoto, Takao Horie, Kazumichi Shimizu. Заявлено 13.06.2003, опубл. 21.06.2005. 3. Жуков А.А. Износостойкие отливки из комплексно-легированных белых чугунов/ А.А. Жуков, Г.И. Сильман, М.С. Фрольцов. - Москва: Машиностроение, 1984. - 104 с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 25 Спосіб отримання чавуну зі структурою метастабільного аустеніту, що включає виплавку чавуну, який вміщує вуглець, кремній, марганець, ванадій, хром, залізо, та загартування, який відрізняється тим, що виплавляють чавун складу, мас. %: вуглець 2,7-3,3; кремній 0,5-1,5; марганець 3,5-5,5; ванадій 6,0-8,0; хром 3,0-6,0; залізо - решта, а його загартування проводять з нагрівом до 900-1000 °C та витримкою при цій температурі 2-3 год. 30 Комп’ютерна верстка В. Мацело Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3