Чавун

Реферат: Чавун містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, молібден і залізо. Крім цього, він додатково легований ванадієм при наступному співвідношенні компонентів мас. %: вуглець 2,2-2,6 кремній 0,6-0,8 марганець 0,6-1,0 хром 7,0-12,0 нікель 0,5-1,0 молібден 0,5-1,5 ванадій 4,5-5,0 залізо решта, причому ступінь евтектичності складає 0,7-0,85. UA 91288 U (12) UA 91288 U UA 91288 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель, що заявляється, належить до галузі металургії та ливарного виробництва, зокрема до складнолегованих чавунів для лиття прокатних валків, що експлуатуються в умовах підвищеного зносу та згинаючих навантажень. Відомо чавун, що використовується для виготовлення деталей, які працюють в умовах абразивного зносу та згинаючих навантажень, і містить вуглець, кремній, марганець, хром, молібден, ванадій, алюміній і залізо при наступному співвідношенні компонентів мас. % [1]: вуглець 2,2-2,6 кремній 0,5-0,8 марганець 1 2-1 5 хром 5,0-6,0 молібден 0,3-0,5 ванадій 0,2-0,35 алюміній 0,2-0,3 залізо решта. Недоліком відомого чавуну є те, що в його структурі утворюються карбіди переважно цементитного типу, крихкість яких обмежує рівень твердості та міцності. Молібден та ванадій у запропонованій кількості витрачаються тільки на легування евтектичних карбідів та подрібнення структури, але їх недостатньо для утворення вторинних високотвердих карбідів, що сприяють армуванню матеріалу. При цьому такий активний графітизатор, як алюміній, сприяє зниженню твердості виробу. Найбільш близьким за технічною суттю до технічного рішення, що заявляється, є чавун типу "ніхард", що містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, молібден і залізо при наступному співвідношенні компонентів мас. %[2]: вуглець 3,0-3,4 кремній 0,3-0,7 марганець 0,3-1,0 хром 1,5-1,7 нікель 3,4-4,5 молібден 0,3-0,6 залізо решта. Недоліком відомої композиції є те, що в структурі чавуну утворюється значна частка графіту, включення якого при експлуатації можуть бути концентраторами механічних та термічних напружень, що сприяють процесам окислення та викришування робочої поверхні. Внаслідок цього термін служби формуючого інструмента скорочується. В основу корисної моделі поставлена задача створення чавуну для валків шляхом додаткового його легування ванадієм та підбору оптимального співвідношення хімічних компонентів матеріалу, що забезпечить підвищення твердості та міцності формуючого інструмента. Поставлена задача вирішується тим, що чавун, який містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, молібден і залізо, відповідно до корисної моделі додатково легований ванадієм при наступному співвідношенні компонентів мас. %: вуглець 2,2-2,6 кремній 0,6-0,8 марганець 0,6-1,0 хром 7,0-12,0 нікель 0,5-1,0 молібден 0,5-1,5 ванадій 4,5-5,0 залізо решта. При цьому ступінь евтектичності знаходиться в межах 0,7-0,85, що визначає співвідношення структурних складових, а отже, і рівень твердості та міцності чавуну. Крім того співвідношення ванадію до хрому, що регулює кількість спеціальних карбідів в структурі, складає 0,6-0,7. Відомо, що ступінь евтектичності сплаву в залежності від вмісту основних та легуючих компонентів визначається за наступною залежністю: Sc  35 C 4,26  0,3  Si  0,03  Mn  0,07  (Cr  Mo  V )  0,05  Ni , де C,Si,Mn,Cr ,Mo, V,Ni - вміст в сплаві відповідно вуглецю, кремнію, марганцю, хрому, молібдену, ванадію та нікелю, %. Оптимальний ступінь евтектичності сплаву, що визначений експериментальним шляхом, складає 0,7-0,85. Встановлено, що при його значеннях, менших ніж нижня межа, при 1 UA 91288 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 кристалізації утворюються ледебуритні колонії на основі цементиту, що легованого хромом, який не забезпечує одночасно необхідний рівень твердості та міцності при вигині (див. табл. 1, 2). При ступені понад 0,85 значно збільшується кількість карбідів, що приводить до росту твердості й зменшенню міцності при вигині. Важливе значення для одержання сплаву з необхідним рівнем механічних властивостей є кількісне співвідношення в структурі спеціальних карбідів ванадію та хрому, що визначається відношенням вмістів таких компонентів. При цьому відношення вмісту ванадію до хрому, що дорівнює 0,6-0,7, є оптимальним для одержання рівномірного розподілу в структурі кількості карбідів обох компонентів, що забезпечує високі показники механічних властивостей. Знаходження відношення масової частки ванадію до хрому за межами 0,6-0,7 приводить до значного зниження міцності при вигині. Вміст у сплаві вуглецю у кількості 2,2-2,6 % є оптимальним. Вміст вуглецю менше 2,2 % приводить до зменшення карбідів, що унеможливлює отримання необхідного рівня зносостійкості. Збільшення вмісту вуглецю понад 2,6 % приводить до значного зниження міцності (див. табл. 2). Вміст кремнію у кількості 0,6-0,8 % визначається вимогами до зносостійкості сплаву. Марганець, стабілізуючи карбіди, підвищує твердість. Вміст марганцю у сплаві 0,6-1,0 % є оптимальним. Його кількість понад такого вмісту збільшує можливість крихкості валкового матеріалу. Вміст хрому 7-12 % є оптимальним для одержання спеціальних карбідів типу (Fe, Cr )7 C3 , що забезпечують одержання заданого рівня властивостей. При вмісті хрому менш за 7 % переважно кристалізується легований цементит, крихкість якого знижує механічні властивості чавуну. Збільшення вмісту хрому понад 12 % підвищує частку залишкового аустеніту, що спричиняє появу тріщин при виробництві та експлуатації масивних валків. Вміст нікелю у сплаві в кількості 0,5-1,0 % сприяє розпаду аустеніту до більш твердих фаз металевої основи, а отже, підвищенню його механічних характеристик. Вміст нікелю менш за 0,3 % не забезпечує підвищення міцності, а при його кількості в сплаві понад 1,0 % сприяє стабілізації аустеніту, який негативно впливає на експлуатаційні показники валків. Вміст молібдену в кількості 0,5-1,5 % є оптимальним для одержання в сплаві спеціальних карбідів. При введенні до складу чавуну молібдену у кількості, що не перевищує 0,5 %, спостерігається лише подрібнення структурного зерна, що значно не впливає на властивості матеріалу. Перевищення вмісту молібдену понад 1,5 % сприяє укрупненню карбідів та гальмуванню розпаду аустеніту при кристалізації. Перетворення залишкового аустеніту в такому випадку відбувається тільки при експлуатації під дією термоциклічних навантажень, що приводить до виникнення подовжених тріщин на робочій поверхні формуючого інструменту. Легування чавуну ванадієм забезпечує рівномірність та подрібнення його структури, що забезпечує стабільність властивостей і експлуатаційних показників формуючого інструменту. Вміст ванадію в межах 4,5-5 % є оптимальним для утворення в сплаві спеціальних евтектичних карбідів типу VC, які відрізняються одночасно високими показниками міцності та твердості, в кількості, що забезпечує процесу кристалізації схожість із дисперсійним твердненням. Зниження кількості ванадію менш за 4,5 % приводить до зниження кількості таких карбідів, що сприяє значному зменшенню міцності при вигині. Збільшення ванадію понад 5 % приводить до підвищення рівня твердості при одночасному зменшенні значень міцності при вигині. Композиція, що заявляється, здійснюється шляхом плавлення сплаву в лабораторній індукційній печі ІЧТ-0.02. Шихта складається з переробного чавуну (МІ), сталевого брухту, чистого нікелю та феросплавів: кремнію FeSi (75 %); марганцю FeMn (45 %); молібдену FeMo (ФМ-1); ванадію FeV (ВД-2). Температура плавлення складає 1450-1500 ºС. Після розплавлення та перегріву металу в печі, його заливають при температурі 1420-1450 ºС в піщано-глинисті форми, що підігріті до 100 °C. Розміри виливок, що підлягають аналізу, наступні: діаметр - 0,03 м; довжина - 0,35 м. Для дослідження властивостей чавуну, що пропонується, за такою технологією було виготовлено чотири виливки зі сплавів з граничними й оптимальними співвідношеннями хімічних компонентів та дві заготівлі з вмістом елементів, що виходять за межі композиції, що заявляється. Для порівняльного аналізу було відлито 3 вироби з чавунів за відомими відношеннями компонентів (див. табл. 1). Механічні властивості визначали відповідно до відомих методик (див. табл. 2). 2 UA 91288 U Таблиця 1 Характеристика вмісту хімічних компонентів у матеріалах, щo досліджуються № п/п Хімічний склад, мас. % Матеріал 1 2 чавун, що 3 заявляється 4 5 чавун з вмістом компонентів, що виходять за 6 межі заявленого 7 відомий чавун відомий чавун 8 типу "ніхард» Зразок Ступінь евтектично- V Mn Cr Ni Mo V Cu W Mg Ca Nb Al Cr сті Sc 0,7 7,4 1,0 1,8 5,0 - - - 0,8 0,7 0,8 7,7 0,5 1,0 5,0 - - - 0,7 0,68 1,0 8,0 0,5 1,0 5,2 - - - 0,85 0,65 0,7 7,5 1,0 0,8 4,5 - - - 0,76 0,6 0,5 5,3 0,9 3,0 6,8 - - - 0,85 1,15 С Si 1 2 3 4 1 2,2 2,2 2,5 2,35 2,35 0,9 0,6 0,8 0,6 1,1 2 2,8 0,8 0,8 11 1,4 2,0 3,1 0,98 0,29 1 2,2 0,5 1,2 5,0 - 0,3 0,2 0,2 0,6 1 3,06 0,84 0,63 1,63 4,1 0,32 0,83 Таблиця 2 Характеристика механічних властивостей виливків із запропонованого чавуну у порівнянні з відомими сплавами № п/п Матеріал 1 2 чавун, що заявляється 3 4 5 чавун з вмістом компонентів, що 6 виходять за межі заявленого 7 відомий чавун відомий чавун типу 8 "ніхард» 5 10 15 20 Ступінь Зразок евтектичності Sc Механічні властивості 1 2 3 4 1 0,8 0,7 0,85 0,76 0,85 86 87 87 87 85 міцність при вигині в иг , МПа 805 870 830,9 868 798 2 0,98 65 539 1 0,6 49 815 1 0,83 7 550 твердість, Н8Д Із табл. 1, 2 слідує, що виливки, які виготовлені зі сплавів відповідно до композиції, що заявляється, мають максимальні серед аналізованих заготівель значення механічних характеристик: твердості - 86-87 HSД, міцності при вигині - в иг = 805-870 МПа. Зразки зі сплавів з вмістами компонентів, що виходять за межі композиції, що заявляється, характеризуються нерівномірним рівнем властивостей: твердості - 65-85 HSД, міцності при вигині - в иг = 539-798 МПа. Заготовки, що виготовлені з чавунів за відомими відношеннями компонентів, мають більш низькі у порівнянні зі сплавом, що пропонується, значення властивостей: твердості -49-77 HSД, міцності при вигині - в иг = 550-860 МПа. Відповідно до результатів експериментальних досліджень чавун, що заявляється, має переваги. Рівень твердості підвищився у порівнянні з високохромистим чавуном в середньому на 77 %, а зі сплавом "ніхард" - 13 %. Рівень міцності при вигині збільшився на 53 % в порівнянні зі сплавом "ніхард" та на 3,4 % - з високохромистим чавуном. Таким чином, корисна модель, що заявляється, за сукупністю ознак, викладених у формулі, дозволить одержати чавун для валків з високим та стабільним рівнем властивостей: твердості і одночасно міцності. Використання удосконаленого валкового сплаву дозволить значно підвищити зносостійкість та термін експлуатації формуючого інструменту. Джерело інформації: 3 UA 91288 U 3 1. А.с. СССР № 998563, МКИ С 22 С 37/10, опубл. 23.02.83. Бюл. № 7, 1983 р. 2. Будагьянц Н. А. Литые прокатные валки / Н. А. Будагьянц, В. Е. Карсский. -М.: Металлургия, 1983.-175 с. 5 10 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 1. Чавун, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, молібден і залізо, який відрізняється тим, що додатково легований ванадієм при наступному співвідношенні компонентів мас. %: вуглець 2,2-2,6 кремній 0,6-0,8 марганець 0,6-1,0 хром 7,0-12,0 нікель 0,5-1,0 молібден 0,5-1,5 ванадій 4,5-5,0 залізо решта, причому ступінь евтектичності складає 0,7-0,85. 2. Чавун за п. 1, який відрізняється тим, що співвідношення між ванадієм та хромом складає 0,6-0,7. Комп’ютерна верстка С. Чулій Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4