Литой твердый сплав

(51)22 37/10 НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Республиканское унитарное предприятие Белорусский металлургический завод(72) Авторы Сильман Григорий Ильич Гурин Степан СафроновичФилиппов Вадим ВладимировичИванов Эдуард ВладимировичТимошпольский Владимир ИсааковичСтеблов Анвер Борисович Морозов Сергей ВладимировичСаунин Юрий Алексеевич(73) Патентообладатель Республиканское унитарное предприятие Белорусский металлургический завод(57) Литой твердый сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, молибден, РЗМ, алюминий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит барий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,74-3,42 кремний 0,61-1,88 марганец 0,33-1,74 хром 6,95-12,53 ванадий 6,66-9,47 молибден 0,21-4,48 РЗМ 0,01-0,06 алюминий 0,04-0,22 барий 0,01-0,08 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к литым высокотвердым износостойким сплавам на основе железа, и может быть использовано для изготовления износостойких деталей методами литья и наплавкой изнашиваемых поверхностей. Известен сплав 1, содержащий, мас.углерод 2,2-3,8 кремний 0,5-1,5 марганец 3,0-4,0 7284 1 2005.09.30 хром 13,0-24,0 ванадий 6,5-9,0 медь 1,0-1,5 молибден 0,3-0,4 титан 0,2-0,4 бор 0,002-0,02 железо остальное. Этот сплав обладает высокой твердостью, износостойкостью и повышенными прочностными свойствами. К недостаткам сплава относятся 1) отсутствие корреляции между содержаниями углерода, хрома и ванадия, что может проявляться в значительной нестабильности свойств 2) наличие в составе сплава значительного количества элементов-аустенитизаторов(марганца, меди, бора), что вызывает образование в его структуре повышенного количества аустенита и проявляется в пониженных значениях твердости и абразивной износостойкости в тонкостенных отливках (с толщиной стенки до 15 мм) и в наплавке. Наиболее близким к предлагаемому прототипом является сплав 2, содержащий мас.углерод 3,47-4,21 кремний 0,70-1,83 марганец 1,84-3,42 хром 9,85-14,40 ванадий 7,12-11,03 медь 0,78-2,15 молибден 0,49-3,12 РЗМ 0,02-0,06 алюминий 0,08-0,34 железо остальное. Этот сплав предназначен для изготовления точнолитых деталей. В литом состоянии он обладает высокой твердостью и износостойкостью, но даже в отожженном состоянии сохраняет высокую твердость (50 и более) и с трудом поддается обработке резанием (за исключением операций шлифования), что значительно затрудняет изготовление из него многих деталей. Другим недостатком сплава является его невысокая теплостойкость. Задача изобретения - обеспечение высокой твердости, соответствующей ей износостойкости и повышенной теплостойкости сплава в термообработанном после закалки и отпуска состоянии при пониженной твердости и удовлетворительной обрабатываемости резанием в отожженном состоянии. Технический результат - возможность изготовления высокотвердых, износостойких и теплостойких изделий с использованием механической обработки лезвийным инструментом. Поставленная задача достигается тем, что сплав, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, молибден, РЗМ, алюминий и железо, согласно изобретения, дополнительно содержит барий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,74-3,42 кремний 0,61-1,88 марганец 0,33-1,74 хром 6,95-12,53 молибден 0,21-4,48 ванадий 6,66-9,47 РЗМ 0,01-0,06 алюминий 0,04-0,22 2 7284 1 2005.09.30 барий 0,01-0,08 железо остальное. В качестве примесей в сплаве могут присутствовать сера до 0,03 и фосфор до 0,08 . Состав сплава выбран, исходя из следующих технологических особенностей. Уменьшено содержание углерода как по нижнему (2,74 ), так и по верхнему (3,42 ) пределам, для уменьшения количества карбидов в структуре сплава и улучшения его обрабатываемости в отожженном состоянии. При этом содержание углерода скоррелировано с содержанием карбидообразующих элементов ванадия и хрома. При содержании углерода менее 2,74 уменьшается количество карбидов в структуре сплава, матрица- металлическая основа сплава оказывается малоуглеродистой, что проявляется в ее плохой закаливаемости и пониженной твердости сплава. Увеличение содержания углерода более 3,42 приводит к увеличению количества карбидов М 7 С 3 (типа Сг 7 Сз) и снижению доли карбидов ванадия , что проявляется в нарушении композиционного характера структуры сплава и ухудшении его механических свойства и теплостойкости. Снижено содержание марганца до 0,33 по нижнему пределу и до 1,74 по верхнему пределу для уменьшения склонности сплава к самозакалке при охлаждении отливки в литейной форме и медленном охлаждении при отжиге, а также для повышения теплостойкости термообработанного сплава. Содержание марганца менее 0,33 практически невозможно получить при выплавке сплава из обычных шихтовых материалов. При повышении содержания марганца более 1,74 заметно увеличивается склонность сплава к самозакалке и снижается его теплостойкость. Содержание хрома уменьшено по нижнему пределу до 6,95 , по верхнему - до 12,53 для формирования в сплаве композиционной структуры на основе карбидов ванадия, что обеспечивает высокий уровень механических свойств и износостойкости сплава. При содержании хрома менее 6,95 уменьшается общее количество карбидов, что приводит к снижению твердости сплава. При увеличении содержания хрома более 12,53 уменьшается доля карбидови ухудшаются механические свойства сплава. Принятое содержание ванадия обеспечивает преобладание в сплаве карбидови композиционный характер структуры. Если содержание ванадия менее 6,66 , то это условие не соблюдается. Увеличение содержания ванадия более 9,47 приводит к удорожанию сплава без повышения его свойств. В сплаве увеличен верхний предел содержания молибдена до 4,48 с целью повышения его прокаливаемости, особенно в толстостенных отливках (40 мм и более), и увеличения теплостойкости. Увеличение содержания молибдена более 4,48 приводит к существенному удорожанию сплава без заметного улучшения его свойств. В состав сплава дополнительно введен барий в качестве модифицирующей и микролегирующей добавки, способствующей измельчению структуры, образованию карбидов(типа ) и формированию композиционной структуры на основе этих карбидов. В отожженном сплаве такое воздействие на структуру проявляется в пониженных значениях твердости и улучшенной обрабатываемости резанием. При остаточном содержании бария менее 0,01 эти эффекты не проявляются. Слишком большое количество бария (более 0,08 ) не приводит к повышению свойств, но удорожает сплав. Кремний, РЗМ и алюминий содержатся в сплаве в пределах, аналогичных прототипу,с известным их влиянием. Сплав выплавляли в индукционной тигельной печи ИСТ-1,06 с основной хромомагнезитовой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, передельного чугуна, электродного боя, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома,феррованадия, ферромолибдена) и алюминия. Алюминий использовался частично и в составе модифицирующей смеси совместно с добавками РЗМ в виде сплава ФЦМ-5 и сили 3 7284 1 2005.09.30 кобария. Модифицирование проводили в разливочном ковше емкостью 50 кг при температуре жидкого сплава 1520-1550 . Жидкий сплав разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали круглые заготовки диаметров 20 мм и длиной 200 мм для обработки резанием и пластины сечением 4040 мм. Из литых заготовок изготавливали образцы для проведения испытаний на твердость и образцы для металлографического анализа. Определение твердости и металлографический анализ проводили как в литом, так и в термообработанном состояниях. Термическую обработку образцов проводили по следующим режимам отжиг - температура 950 , выдержка 4 ч закалка - температура нагрева 1000 , выдержка 30 мин, охлаждение в масле отпуск после закалки - температура 200 , выдержка 2 ч. Определение теплостойкости проводили на термообработанных образцах (подвергнутых закалке и отпуску) путем определения твердости после их дополнительной выдержки в течение 2 ч при температуре от 200 до 700 с интервалом через 100 . Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены в табл. 1, 2 и 3 в сопоставлении с прототипом. Видно, что сплав предлагаемого состава отличается от известного более существенным снижением твердости при отжиге, что обеспечивает возможность его механической обработки лезвийным инструментом (условием чего, как было установлено при производственных испытаниях, является ограничение твердости значением 45 ), но в термообработанном состоянии после закалки и отпуска он имеет высокую твердость, не уступая по этому показателю прототипу. Преимуществом предлагаемого сплава, обеспечивающим возможность его использования при повышенных температурах, является его более высокая теплостойкость (500-550 по сравнению с 400-450 для сплава-прототипа при условии 59 ). При выходе за предлагаемые пределы содержаний компонентов в сплаве (сплавы 6 и 7) существенно ухудшаются его характеристики повышается твердость в отожженном состоянии (особенно у сплава 6), снижается твердость в термообработанном (рабочем) состоянии и значительно снижается теплостойкость. Проводили сравнительные испытания базового-известного и заявленного сплава. Данные испытаний сведены в таблицы. Таблица 1 Химические составы сплавов) примечание в состав прототипа также входит 1,77. Твердость сплавов Твердостьна образцах диаметром 20 мм сечением 4040 мм после запосле в литом после в литом после калки и закалки и состоянии отжига состоянии отжига опуска отпуска 49-51 30-32 63-65 48-50 32-35 63-64 58-60 37-39 63-65 57-59 38-41 63-64 58-60 36-38 63-65 56-58 37-40 63-65 58-60 36-38 64-66 56-58 38-41 63-65 56-58 38-41 63-65 55-57 40-43 62-64 58-60 48-50 59-62 58-60 47-50 59-61 50-52 42-44 60-62 50-52 43-45 58-60 64-66 51-53 63-65 63-65 48-50 63-65 Таблица 3 Теплостойкость сплавов Средняя твердостьпосле дополнительного отпуска при температуре, 200 300 400 500 600 700 63 62 61 59 55 40 63 62 61 59 54 42 64 63 62 60 56 42 64 63 62 60 57 42 63 62 61 59 55 43 60 60 58 57 52 49 59 58 56 54 47 46 63 62 60 56 51 49 Как следует из данных сравнительных испытаний сплав по изобретению, как и сплавпрототип, может быть использован не только для получения изделий методами литья, но и путем наплавки изнашиваемых поверхностей изделий, в частности при их восстановлении. Источники информации 1.1425245, 1998. 2.2147044 1, 2000. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.