Чавун зносостійкий

Реферат: Винахід належить до чорної металургії, зокрема до розробки складу чавуну для виготовлення литих деталей, що мають підвищену ударостійкість та міцність (молотильні тіла, прокатні валки та ін.). Чавун зносостійкий містить, мас. %: вуглець - 3,5-4,2; кремній - 1,2-1,8; марганець - 2,54,0; 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; гафній - 0,06-0,12, диспрозій 0,04-0,08; залізо - решта. Введення диспрозію поліпшує структуру та фізико-механічні властивості чавуну, за рахунок підвищення ступеня дисперсності продуктів евтектоїдного перетворення аустеніту. UA 112944 C2 (12) UA 112944 C2 UA 112944 C2 5 10 15 20 Винахід належить до чорної металургії, зокрема до розробки складу чавуну для виготовлення литих деталей, що мають підвищену зносостійкість та міцність (молольні тіла, прокатні валки та ін.). Відомий чавун (Пат. № 88745 Україна МПК С22С 37/00 опубл. Бюл. № 21, 2009 p.), який містить, мас. %: вуглець 3,5-4,2 кремній 1,2-1,8 марганець 2,5-4,0 нікель 1,5-2,5 ніобій 0,05-0,10 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. Недоліком цього чавуна є низьку ударостійкість та міцність з-за наявності у структурі значної кількості ледебуритної евтектики. Найбільш близьким по технічній суті до складу, що заявляється, є чавун (Пат. № 99218 Україна МПК (2012.01) С22С 37/00 опубл. Бюл. № 14, 2012 p.), що взятий за найближчий аналог, який містить вуглець, кремній, марганець, нікель, ніобій, титан, церій, ітрій, лантан, неодим, гафній, залізо 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 0,05-0,10 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 гафній 0,02-0,08 залізо решта. Чавун має недостатньо високі показники ударостійкості та міцності. В основу винаходу поставлена задача одержання чавуну з підвищеними характеристиками ударостійкості та міцності, яких потребує сучасне виробництво. Технічний результат полягає в тому, що чавун, додатково модифікований диспрозієм, кристалізується за метастабільною системою, що дозволяє підвищити ударостійкість та міцність чавуну. Зазначена задача вирішується тим, що в чавуні, що містить вуглець, кремній, марганець, нікель, ніобій, титан, церій, ітрій, лантан, неодим, гафній та залізо, згідно з винаходом, в ньому додатково міститься диспрозій 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 0,05-0,10 титан 0,20-0,25 гафній 0,06-0,12 церій 0,06-0,10 ітрій 0,06-0,10 лантан 0,04-0,08 неодим 0,04-0,08 диспрозій 0,04-0,08 залізо решта. Вплив окремих елементів на структуру і властивості чавуну дуже різноманітний, і так само є багато додаткових факторів, які можуть змінювати вплив того або іншого елемента. Змінний якісний і кількісний вплив різних елементів на структуроутворення сплавів ускладнює можливість їхньої класифікації за ознакою інтенсивності цього впливу, тим більше, що в 1 UA 112944 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 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 3,5-4,2 % 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 призводить до окрихчування чавуну і збільшення зносу. При вмісту вуглецю менше нижньої границі, що рекомендується, значно зменшується кількість карбідної фази, що приводить до зниження твердості й, як наслідок, зносостійкості. Кремній у вибраних границях нейтралізує карбідизуючу дію марганцю, тобто забезпечує одержання необхідного ступеня графітизації чавуну (Кг). При зменшенні вмісту кремнію нижче 1,2 % параметр графітизації чавуну Кг низький, а тому такий чавун має недостатню міцність. Збільшення вмісту кремнію вище верхньої границі, що рекомендується, не дозволяє одержати білий безграфітний чавун. Марганець. Найбільші міцність та зносостійкість білих чавунів з пластинчастою евтектикою й високотвердими спеціальними карбідами ніобію та титану можуть бути досягнуті тільки на разі, якщо вони знаходяться у твердій і міцній матриці. В пропонованому чавуні для одержання мартенситної матриці передбачається легування марганцем у границях 2,6-4,0 % в комбінації з 1,5-2,5 % нікелю. Зменшення концентрації марганцю нижче 2,5 % не дозволить одержати мартенситну матрицю, у структурі буде присутнім тростит, що зменшує зносостійкість. Підвищення вмісту марганцю більше за 4,0 % не призводить до подальшого поліпшення властивостей. Нікель. Як вже вказувалося вище, границі вмісту нікелю вибрано, виходячи з необхідності одержання мартенситної матриці. Нижня границя вмісту нікелю, що забезпечує в комбінації з 2,5-4,0 % марганцю одержання мартенситної матриці складає 1,5 %. Оптимальну міцність та зносостійкість забезпечує легування 2,5 % нікелю. Підвищення концентрації нікелю більше за 2,5 % до значного збільшення властивостей не призводить, а собівартість такого чавуну значно зростає. Ніобій. У запропонованому чавуні однією з причин підвищення зносостійкості є утворення високотвердих спеціальних карбідів найсприятливішої форми. Досягається це сумісним введенням ніобію та титану. За нашими даними оптимальним вмістом ніобію є 0,05-0,10 %. При вмісті ніобію менше за 0,05 % в комплексі з 0,20-0,25 % титану кількість карбідів ніобію мала й зносостійкість таких чавунів менше оптимальної. Підвищення ж вмісту ніобію вище за 0,10 % не призводить до подальшого збільшення зносостійкості. Титан. Роль титану у запропонованому чавуні подвійна: утворення дисперсних високотвердих карбідів титану та зміна на більш сприятливу форми карбідів ніобію. Найбільш високі значення зносостійкості досягаються при концентраціях титану 0,20-0,25 % та наявності 0,05-0,10 % ніобію. При вмісті титану менше за 0,20 % зносостійкість чавуну значно зменшується, а збільшення його концентрацій понад 0,25 % не призводить до подальшого росту зносостійкості. Гафній. У запропонованому чавуні виявляє перлітоутворюючий вплив на структуру металевої матриці та підвищує дисперсність перліту, за цього збільшуються показники міцності та ударостійкості. При вмістах гафнію менше за 0,06 % цей вплив незначний, підвищення ж вмісту вище за 0,12 % призводить до зменшення міцнісних властивостей. Рідкісноземельні метали. При виборі модифікаторів для заглушення 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 переважног утворення СеО2, енергія Гібса котрого значно нижче, ніж у Lа2О3 та Y2O3. Таким чином, ураховуючи вищевикладене, встановили нижні границі вмісту вказаних елементів, що забезпечує заглушення 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 2 UA 112944 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 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, лантану, церію та неодиму визначали зі ступенем зростання мікротвердості карбідної фази. При концентраціях 0,1 % церію та 0,08 % неодиму (в комплексі з 0,1 % ітрію та 0,08 % лантану) мікротвердість матриці була максимальною. Подальше збільшення концентрацій вказаних елементів не призводило до підвищення мікротвердості та, як слідство, зносостійкості. Слід відзначити, що ступінь модифікуючого впливу індивідуальних елементів-модифікаторів, що розглянуто, значною мірою зростає при їх комплексному використанні та у більшості випадків модифікування індивідуальним елементом-модифікатором не дозволяє досягти результатів, що були одержані при комплексному модифікуванні. Механізм такого взаємного впливу у технічній літературі практично не описаний. Диспрозій є одним з найсильніших елементів-модифікаторів. Модифікування диспрозієм у пропонованих границях 0,04-0,08 % призводить до підвищення дисперсності продуктів розпаду аустеніту, збільшення мікротвердості матриці. При вмістах диспрозію нижче нижньої границі отримується недостатня дисперсність пластиноподібної евтектики та зносостійкість й міцнісні властивості такого чавуну зменшуються. Збільшення вмісту диспрозію вище верхньої границі призводить до утворення значної кількості неметалевих включень, які зменшують механічні та службові властивості. 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 3547-97; Легувальні елементи відповідали таким параметрам: - феротитан ФТи30 ГОСТ 4761-91; - фероніобій ФНБ60 ГОСТ 4765-91. Експериментальні плавки проводили в індукційній печі з кислою футеровкою, вага шихти 40 кг. Після розплавлення шихти потужність печі знижували до 30-40 % від максимальної, зчищали шлак періоду плавлення, заміряли температуру та вводили гафній у вигляді гафнієвої лігатури такого складу, мас. %: гафній 90, залізо решта. При доводці сплаву при температурі металу 1520-1530 °C вводили феросплави ніобію та титану. Модифікувальні елементи вводили у ківш перед випуском в нього металу таким чином: диспрозій у вигляді лігатури на його основі, мас. %: диспрозій 29,0; алюміній 2,5; кремній 38,0; залізо - решта, а інші (церій, ітрій, лантан, неодим) у вигляді ітрій-церієвої та лантан-неодимової лігатур таких складів, 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 °C чавун випускали у ківш з необхідною наважкою трьох лігатур та при досягненні температури 1330…1340 °C заливали у кокільні форми. Виливки мали розміри: 1) куля діаметром 60 мм, 2) циліндр діаметром 50 мм, висотою 200 мм. З цих циліндричних виливків вирізали зразки для хімічного аналізу, металографічних досліджень, випробування границі міцності при розтягу та зносостійкості. Випробування границі міцності при розтягу проводили за стандартним методом. Випробування ударостійкості проводили за кількістю ударів до руйнування литої кулі при падінні її з висоти 6 м. Зносостійкість сплаву визначали на 3 UA 112944 C2 установці СМЦ-2 при терті ковзання з зусиллям 700 МПа. Хімічний аналіз та властивості запропонованого чавуну та прототипу наведені у таблиці. Таблиця Хімічний склад і властивості чавуну, що заявляється, та прототипу Хімічний склад, мас. % Чавун що заявляється Чавун за прототипом № Сплав вар 5 С Si Mn Ni Nb Ті Се Y La Nd Hf Dy 1 2 3,5 1,2 2,5 1,5 0,05 0,20 0,06 0,06 0,04 0,04 0,02 4,2 1.8 4,0 2,5 0,10 0.25 0,10 0,10 0,08 0,08 0,08 3 3,9 1,4 3,3 2,0 0,08 0,23 0,08 0,08 0,06 0,06 0,05 4 5 6 Властивості УдароЗносостійкість, в, МПа стійкість, г разів 2590 0,018 685 2680 0,017 690 2635 0,016 680 3,5 1,2 2,5 1,5 0,05 0,20 0,06 0,06 0,04 0,04 0,06 0,04 4,2 1,8 4,0 2,5 0,10 0,25 0,10 0,10 0,08 0,08 0,12 0,08 2850 2890 0,016 0,015 715 710 3,9 1,4 3,3 2,0 0,08 0,23 0,08 0,08 0,06 0,06 0,09 0,06 2925 0,016 725 Як видно з таблиці, поставлена задача вирішена. Ударостійкість запропонованого чавуну вище, ніж відомого на 8-11 %, а міцність - на 3-7 % при високому рівні зносостійкості. Винахід, що заявляється, основано на теоретичних розробках, підтверджених експериментальними даними та може бути багаторазово відтворений у виробництві. Таким чином, винахід, що заявляється, відповідає критерію "промислова застосовність". 10 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 15 Чавун зносостійкий, що містить вуглець, кремній, марганець, нікель, ніобій, титан, церій, ітрій, лантан, неодим, гафній та залізо, який відрізняється тим, що він додатково містить диспрозій 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 0,05-0,10 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 гафній 0,06-0,12 диспрозій 0,04-0,08 залізо решта. Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 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 4