Сплав на основе железа

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА(71) Заявитель Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого(73) Патентообладатель Гомельский государственный технический университет им. П.О. Сухого(57) Сплав на основе железа, включающий углерод, кремний, марганец, хром, никель, кальций, магний, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор, фосфор и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,03-1,20 кремний 2,1-7,5 марганец 0,7-2,9 хром 0,05-1,20 никель 0,02-2,50 кальций 0,002-0,020 магний 0,01-0,06 бор 0,30-3,10 фосфор 0,06-0,20 алюминий 0,05-6,00 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, а именно к термостойким сплавам на основе железа, применяемым в изделиях, получаемых специальными способами литья. Известен сплав на основе железа 1, включающий бор, медь и углерод в форме карбидов хрома или молибдена, причем содержание бора в сплаве составляет более 0,03 мас. , а содержание связанного углерода 0,1-0,2 мас. . Однако данный сплав имеет недостаточно высокие характеристики длительной прочности, пластичности и термической стойкости. Известен также сплав на основе железа 2, включающий углерод, хром, ванадий, никель, молибден,кремний, марганец, кобальт, титан, тантал, при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,5-4 хром 11-30 ванадий 3-13 никель до 15 молибден до 5 кремний до 1 3494 1 марганец до 1 кобальт до 3 титан до 0,5 тантал до 0,5 железо остальное. Известный сплав содержит большое количество дефицитных и дорогих легирующих компонентов, повышающих прочностные свойства, при этом недостаточное содержание аморфизирующих элементов в сплаве не позволяет получать микрокристаллическую структуру в изделиях. Это снижает характеристики пластичности и технологические возможности сплава. По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким к предлагаемому является сплав на основе железа 3 следующего химического состава, мас.углерод 0,8-1,2 кремний 12-14 марганец 0,3-0,8 хром 0,5-1 никель 1,5-2,5 кальций 0,01-0,06 редкоземельные металлы 0,01-0,10 магний 0,01-0,06 железо остальное. Сплав обладает следующими свойствами предел прочности при изгибе, МПа 249-352,8 предел прочности при растяжении, МПа 156,8-176,4 ударная вязкость, Дж/см 2 8-9 коррозионная стойкость, мм/год 0,03-0,0916 термическая стойкость циклов 110-320 длительная прочность при 350 С, МПа 180-235. Недостатком является низкая термическая стойкость. Отмечаются нестабильность прочностных свойств,особенно длительной прочности сплава в изделиях. Задачей изобретения является повышение термической стойкости и стабильности механических свойств,расширение технологических возможностей сплава. Поставленная задача достигается тем, что сплав на основе железа, включающий углерод, кремний, марганец, хром, никель, кальций, магний, дополнительно содержит бор, фосфор и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 0,03-1,20 кремний 2,1-7,5 марганец 0,7-2,9 хром 0,05-1,20 никель 0,02-2,50 кальций 0,002-0,020 магний 0,01-0,06 бор 0,30-3,10 фосфор 0,06-0,20 алюминий 0,05-6,00 железо остальное. Существенным отличием предложенного сплава является повышение концентрации аморфизирующих компонентов, в частности дополнительное введение бора 0,30-3,1 мас. , фосфора 0,06-0,2 мас.и алюминия 0,05-6,0 мас. . Это способствует существенному повышению термической стойкости и механических свойств, особенно длительной прочности и износостойкости. Бор и фосфор являются в сплаве основными компонентами, которые позволяют расширить технологические возможности сплава благодаря получению широкого диапазона структур от крупнокристаллической до микрокристаллической (0,01-15 мкм) и аморфной. При низких концентрациях бора и фосфора преобладает крупнокристаллическая структура. При повышенных концентрациях этих компонентов в изделиях можно получить микрокристаллическую или аморфную структуру. Бор измельчает структуру и способствует повышению пластических свойств, термической стойкости и длительной прочности. При концентрации бора до 0,30 мас.его микролегирующий эффект и повышение пластических свойств и длительной прочности недостаточны, а при увеличении концентрации бора более 3,1 3494 1 мас.повышаются ликвационные процессы, уменьшается термостойкость, снижаются однородность структуры и стабильность механических свойств. Фосфор измельчает структуру металла и также является аморфизирующим компонентом, но менее дефицитным и дорогостоящим, чем бор. Его верхний предел 0,2 мас.принят по максимуму, не снижающему пластические свойства. При концентрации его до 0,06 мас.термическая стойкость и длительная прочность имеют низкое значение. Редкоземельные металлы являются дорогими и дефицитными металлами, с низкой степенью усвоения,снижающими удароустойчивость, стабильность длительной прочности, термическую стойкость, поэтому они исключены из состава сплава. Содержание легирующих добавок (марганец 0,7-2,9 мас. , хром 0,05-1,20 мас. , никель 0,02-2,5 мас. , алюминий 0,05-6,0 мас. ) обеспечивает существенное повышение длительной прочности и термической стойкости металла. Их концентрация ограничена пределами, выше которых укрупняется структура, увеличиваются термические напряжения в литом металле и снижаются упругопластические свойства. При их концентрациях менее нижних пределов термическая стойкость низкая, а длительная прочность и другие механические свойства нестабильны. Граничные параметры содержания углерода (0,03-1,2 мас. ) и кремния (2,1-7,5 мас. ) определены исходя из практики производства высокопрочных сплавов с повышенными упруго-пластическими свойствами и высокой термической стойкостью. При концентрации углерода более 1,2 мас.и кремния более 7,5 мас.снижаются ударная вязкость, длительная прочность и другие механические свойства, а при концентрации углерода до 0,03 мас.и кремния до 2,1 мас.возрастают термические напряжения в литом металле, снижаются характеристики термической стойкости, длительной прочности, ударной вязкости и стабильность механических свойств сплава в отливках. Магний является основным модифицирующим компонентом, сфероидизирующим и измельчающим структурные составляющие сплавов, и способствующим повышению термической стойкости и стабильности, длительной прочности и механических свойств. Его модифицирующий эффект начинает сказываться с концентрации 0,01 мас. , а при содержании его более 0,06 мас.в металле возрастают термические напряжения, снижающие упругопластические свойства и термическую стойкость. Введение кальция 0,002-0,02 мас.обусловлено его высокой раскисляющей способностью и поверхностной активностью, которые в этих количествах обеспечивают очистку границ зерен, повышение пластических свойств, трещиноустойчивости, технологической пластичности и длительной прочности. Его содержание обусловлено пределами, обеспечивающими получение дисперсной и однородной структуры и стабильных механических свойств, а также стабильной структуры после термической обработки и в процессе эксплуатации. При увеличении его содержания выше верхних пределов повышается угар, снижается однородность структуры, стабильность механических свойств. При концентрации менее 0,002 мас.термостойкость ухудшается, а стабильность механических свойств снижается. Пример. Опытные плавки сплавов проводят в индукционных печах с использованием в качестве шихтовых материалов (мас. ) окатыши металлизированные по ТУ 14-1-4765-89 36-62 ферробор ФБ 3 5,6-5,8 ферромарганец ФМн 75 1,3-3,8 силикокальций КСи 30 0,05-1,1 алюминий вторичный 0,05-4,5 феррохром ФХ 800 0,2-3,4 никель НПЗ 0,2-2,8 феррофосфор ФФЗ 0,05-0,2. После расплавления металлизированных окатышей и перегрева расплава до 1450 С в последний вводят легирующие добавки феррохром, никель, феррофосфор, ферромарганец, ферробор, а выдерживают полученный расплав в печи в течение 20-30 мин. После перемешивания и присадки магниевой лигатуры и силикокальция расплав выдают в ковш на разливку. При разливке отливают образцы для механических испытаний, технологические пробы и тонкие профильные заготовки методами непрерывного литья. В табл. 1 приведены химические составы исследованных сплавов. Предел прочности при растяжении определяют на литых образцах диаметром 10 мм, а ударную вязкость- на образцах 10 х 10 х 55 мм без надреза. В качестве лабораторного оборудования при испытании на ударную вязкость использовали маятниковый копер МК-30. Термическую стойкость определяют при термоциклировании по режиму 20-900 С. Сравнительные данные механических и технологических испытаний приведены в табл. 2. Износостойкость сплавов определяют на образцах-пластинках размерами 3040 мм по методике, соответствующей ГОСТ 23.208-79. В качестве эталона использовали образцы из стали 110 Г 13 Л. 3494 1 Для определения термических напряжений в литом металле используют стандартные решетчатые технологические пробы с диаметром стержней 12 и 20 мм. Остаточные термические напряжения в литом металле сплавов по решетчатой технологической пробе составляют 12-28 МПа, а жидкотекучесть по спиральной пробе 350-480 мм. Эти характеристики у известного сплава соответственно составляют 26-32 МПа и 290-460 мм. Как видно из табл. 2, предложенный сплав на основе железа обладает более высокими характеристиками механических свойств и термической стойкости, чем известный сплав. Таблица 1 Содержание компонентов в сплаве, мас.алюминикаль- фосбор З хром ний кель ций фор 0,5 1,6 0,05 0,08 Наименование показателей Длительная прочность, МПа при 350 С при 450 С Термическая стойкость циклов Относительная износостойкость,Относительное удлинение,Склонность к закалке из жидкого состояния Ударная вязкость, Дж/см Свойства сплавов на основе железа Предла 3 4 5 гаемый 2 Государственный патентный комитет Республики Беларусь. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66. хорошая хорошая низкая 24,1 18,2 12,4