автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Литейные эвтектические сплавы для инструмента

РГ6 ОД - 8 ОПТ 1996

На правах рукописи

Никаноров Алексей Михайлович

ЛИТЕЙНЫЕ ЭВТЕКТИЧЕСКИЕ СПЛАВЫ ДЛЯ ИНСТРУМЕНТА

Специальность 05.16.01 "Металловедение и термическая обработка металлов"

АВТОРЕФЕРАТ Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1996

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном техническом университете на кафедре "Исследование структуры и свойств материалов"

Научный руководитель:

Заслуженный деятель науки и техники РСФСР,

доктор технических наук, профессор В.Г. Хорошайлов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пряхин Е.И.

кандидат технических наук Тафт В.И.

Ведущее предприятие: АООТ "Кировский завод"

1996г. в /6

Защита состоится " 1" ^А^/У/^Су^ 1996г. в /О часов на заседании диссертационного совета Д 063.38.08 в Санкт-Петербургском государственном техническом университете по адресу: 195251, г. Санкт-Петербург, ул.Политехническая, 29. ■ . Химический корпус, ауд. 51.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СГ16ГГУ.

Автореферат разослан " (2. " Г^/Г?/??^^}?^ 996г. Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.38.08

Д т.н. Г.С. Казакевич

- ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность работы. Большое разнообразие существующих и появление новых материалов требует создания соответствующих материалов для нх обработки - .инструментальных, которые в конечнгч счете обеспечивают высокие экономические показатели. В условиях глубокого экономического кризиса в нашей стране инструментальное производство сталкивается с противоречивыми проблемами. С одной стороны, это:

- повышение стоимости процесса изготовления инструмента из кованой быстрорежущей стали и спеченных твердых сплавов;

" - дефицит и дороговизна основных легирующих элементов- вольфрама и кобальта для производства спеченных твердых сплавов на основе карбида вольфрам!» с кобальтовой связкой, литых твердых сплавов на основе кобальта, высоко вольфрамовых быстрорежущих сталей;

- сокращение, остановка производственных мощностей в условиях повсеместного спада производства и высокий износ действующего оборудования;

- острая нехватка квалифицированных кадров для проведения сложных технологических процессов;

- дороговизна импортируемых инструментальных материалов и изделий из них.

С другой стороны- необходимость повышения производительности труда, качества продукции в условиях жесткой конкуренции, а следовательно, не снижающиеся требования к инструменту.

Эти условия подталкивают к необходимости создания инструментальных материалов, которые отвечали бы следующим требованиям:

- относительная дешевизна и доступность элементов легирующего комплекса;

' - простота о изготовлении инструмента, то есть максимальное сокращение длительности и трудоемкости тех. процесса с уменьшением его дороговизны;

- сохранение и повышение характеристик инструмента по сравнению с традиционным.

Вышеперечисленные проблемы можно пытаться решить, используя для инструмента композиционные материалы, среди которых особым классом стоят эвтектические композиции - сплавы, имеющие в литом состоянии композиционную структуру н обладающие высокой стабильностью этой структуры при нагревании до температур, близких к температуре плавления сплава. Исследования в области объемно-закристаллизовавшихся сплавов могут позволить получать экономичные инструментальные материалы с комплексом

свойств, не уступающим современный, улучшить технологию изготовления инструмента.

Пель работы. Основная цель диссертации - разработка экономнолегированиых литейных твердых сплавов для режущего инструмента в составе которых отсутствовал бы кобальт, как основа сплавов и вольфрам, как основной легирующий компонент.

При этом решались следующие задачи:

- Аргументация выбора базового легирующего комплекса сплавов, в качестве основы которых выступает железо.

- Оптимизация химического состава сплавов применительно к инструменту, обладающему возможно более высоким комплексом механических свойств -твердостью и прочностью ь литом состоянии независимо от условий выплавки, и структурой, стабильной в условиях работы при высоких температурах ( до 0.8Т™.).

- Исследование влияния технологических параметров на структуру и свойства сплавов, и разработка технологии выплавки сплавов, позволяющей получать высокую стабильность механических свойств,

Научная новизна.

- Обоснован выбор эвтектического сплава системы железо-бор-углерод-молибден в качестве базового при создании сплавов с высокой твердостью и структурной стабильностью.

- Установлена ведущая роль карбоборида М:э(С,В)4 в формировании высокодисперсной многофазной эвтектики, являющейся основой структуры, остающейся стабильной до температур 0.8Т1и1.

- Выявлены закономерности влияния хрома и ванадия на структуру, фазовый состав и механические свойства сплавов, определены интервалы рационально!« легирования. Показано, что ванадий является ведущим элементом в упрочнении сплавов.

- Использована методика ишншшгопания для получения составов сплавов, максимально приближенных к составам многокомпонентных эвтектик. Получены аморфные материалы с аномально высокими свойствами. Установлена корреляция межд> свойствами эвтектических сплавов в аморфном и кристаллическом состояниях

- Показана положительная роль кобальта в упрочнении, как элемента, диспергирующего структуру, и повышающего температурную стабильность фаз.

- Установлена важная роль определенных взаимных '"отношений элементов основного легирующего комплекса, углерода и бора в формировании свойств сплавов.

- Показано эффективное влияние технологических приемов, обеспечивающих высокую скорость затвердевания, на свойства сплавов.

Практическая ценность. . • - Разработаны сплавы на железной основе, не легированные вольфрамом и кобальтом, или частично легированные кобальтом, обладающие высокой твердостью, прочностью и температурной стабильностью- ( Н11А-85-г-87.5, сгтг= 1800-5-1900 МПа). Это может позволить значительно снизить себестоимость инструмнета как за счет удешевления материалов, расходуемых на его изготовление, так и за счет упрощения технологии его производства.

- Проведены стойкостпые испытания инструмента из разработанных сплавов, показавшие его преимущество над известными инструментальными материалами при обработке жаропрочных сплавов и вязких материалов.

- Сформулированы рекомендации по технологии выплавки сплавов.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Влияние легирующих элементов - хрома, молибдена, ванадия, кобальта на структуру н свойства сплава эвтектического состава системы железо-бор-углерод.

2. Разработка базового легирующего комплекса для создания сплавов на основе железа, обладающих высокими механическими свойствами и структурной стабильностью.

3. Разработка литейных инструментальных сплавов на основе железа, обладающих высокими характеристиками при обработке вязких и труднообрабатываемых материалов.

4. Разработка технологических приемов, обеспечивающих стабильно высокие свойства литого инструмента.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, получено авторское свидетельство. Материалы работы отражены также я 2 технических отчетах.

Структура и объем работы. Работа состоит из введения, 5 глав основного текста, выводов, списка литературных источников и приложения, изложена на 155 страницах . содержит 19 таблиц, 43 рисунка.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель исследования, показана научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе анализируется состояние вопроса. При разработке новых материалов с высокими механическими и физико-химическими характеристиками основное внимание следует уделить выбору легирующего комплекса - элементов, обеспечивающих получение заданного уровня свойств. На сегодняшний день не существует единой теории легирования. Современные теоретические разработки принципов легирования уверенно коррелируют с экспериментами только при рассмотрении двойных, редко- тройных систем. В случае многокомпонентных систсм, коими жшинлел инструментальные стагш и сплавы, главным критерием правильности выбора легирующих компонентов остается эксперимент. Рассмотрены основные кпассы инструментальных материалов, применяемых в промышленности. Описаны подходы к выбору легирующих компонентов, влияние этих компонентов на свойства сплавов н сталей.

На основаииии анализа приведенных данных можно отметить, что* несмотря на значительные различия, все инструментальные материалы имеют общие черты: все они в качестве легирующих компонентов в той или иной степени содержат вольфрам, молибден, кобальт, железо, хром, ванадий, углерод; все материалы в качестве структурной составляющей, в значительной мерс определяющей их свойства, содержат эвтектику.

Ставя задачу создания эксномнолегированною сплава необходимо отказаться от зольфрама, как основного легирующего элемента, и or кобальта как основы сплава или связки. При этом материал должен быть литым, как наиболее простой в изготовлении.

Приняв за основу сплава железо, а в качестве легирующих элементов- молибден, .хром, ванадий, углерс.г получить конкурентоспособный по свойствам инструментальный материал можно за счет создания такой структуры, в которой не будет как структурной сое гавляюшей твердого раствора и избыточных фаз, но которая будег работающей за счет высокой дисперсности, то есть такой

морфологии, в которой вся структура во взаимосвязи будет отвечать и эа твердость, износостойкость, и за прочностные характеристики.

Таким образом, искомый сплав должен быть эвтектическим, причем, по-видимому эвтектика в структуре должна быть не двогчоп, дисперсность которой зависит от многих факторов, а тройной (лучше- четыречфазной).

Проведен анализ сплавов с эвтектической структурой - стеллитов и показано, что оптимальными свойствами обладают именно эвтектические и иногда заэвтеюнческне стеллиты. Твердость стеллитов достигает НЯС 62, предел прочности на изгиб - до 1.2 ГПА. Особо выделяется износостойкость стеллитов, • при этом отмечается, что высокие механические свойства сохраняются и при повышенных температурах. Например, характерно медленное и постепенное падение кривой твердости стеллита при нагревании до самых высоких температур (1000-1100°С), в то время как кривая быстрорежущем стали, показывающей часто по сравнению со стеллитом более высокую исходную твердость и медленное снижение ее до 500°С, дает резкое падение примерно с температуры 600°С. При этом, наилучшим комплексом механических свойств они обладают уже в литом состоянии, термическая обработка сплавов не приводит к их улучшению. Кроме того, при нагреве до температур порядка 900РС и охлаждении (на воздухе) твердость сплавов принимает свое первоначальное значение. Все это говорит о том, что подобные эвтектические сплавы обладают высокой жаропрочностью и тер-мостабилыюстыо.

Таким образом, в области эвтектических составов наблюдается некоторый оптимум механических свойств, обусловленный композиционным упрочнением при регулярной структуре.

Такое строение в сочетании с высокой термической устойчивостью структуры предопределяет в литых эвтектических сплавах высокую твердость, прочность, жаропрочность, износостойкость благодаря как композиционному, тзк и дисперсному механизмам упрочнения.

На основании приведенного анализа свойств эвтектических сплавов делается вывод, что выбор легирующих элементов в количествах, необходимых для образования именно сплавов эвтектического состава позволит получить высокопрочные, высокотвердые и жаропрочные сплавы.

Проведенный обзор литературных данных, касающихся вопроса разработки новых эконом нолегйрованных инструментальных сплавов с повышенными механическими свойствами, позволил сделать заключение, что основой разраба-

ты наем ых сплавов должно быть железо, легированное следующими элементами: углеродом, бором, хромом, молибденом, ванадием, кобальтом.

На основании изложенного сформулированы основные задачи работы.

Во второй главе приведены данные по шихтовым материалам, применявшимся для изготовления сплавов, а также оборудование и методики по которым проводились выплавка и исследования свойств материалов.

Для выплавки сплавов использовались высокочистые шихтовые материалы, огвечаюшие требованиям соответствующих стандартов.

Плавка производилась в открытой индукционной печи ИСТ-006 с ВЧ генератором частотой бОкГц в алундовых тиглях, запрессованных в графито-шамотные тигли. В качестве флюса использовалась металлургическая известь состава: >90%СаС>, <?.%М(<0, <2%Р205, <0.05%5, <0.1 %Р, прочие примеси- до 5%, с; добавкой плавикового шпата СаР2 в качестве разжижителя. Защитная атмосфера создавалась непрерывной подачей на поверхность ванны технически ■¡истого аргона (чистота св.95%). гСитриль температуры осуществлялся посредством термопары ВР5/20, результаты фиксировались с помощью ПЭВМ. Для плавки использовались навески 0.5 кг. Сначала расплавлялась железная основа сплава, затем в расплав вводилась тщательно перемешанная смесь остальных элементов. Для сохранения в сплаве легких элементов- металлоидов-они опускались на дно расплава, завернутые в молибденовую фольгу.

Разливка производилась в медные кокили и в формы по выплавляемым моделям сифонного типа для получения наименее дефектных отливок. Размеры кокилей и форм выбирались исходя из условий и требований дальнейших механических испытаний, и исследования влияния скоростей кристаллизации.

С целью изучения влияния скорости кристаллизации на структуру и свойства сплавов был рассчитан , и изготовлен металлический ступенчатый кокиль цилиндрической формы. Длина ступеней 1>5с1 для исключения теплового влияния сопрягаемых ступеней. Диаметр ступеней, их сечение должны были обеспечить скорости кристаллизации сплава порядка 101 , 10* , 10 К/с, что отвечает реальным скоростям кристаллизации при заливке сплава в различные формы. Расчеты производились с использованием метода определения функциональной зависимости температуры кокиля и цилиндрической отливки от времени затвердевания, основы которого разработал Л.И.Вс-йник. Определены диаметры ступеней кокиля - 5, 10 и 20 мм,

скорости кристаллизации сплава в которых были соответственно 5 x10' К/с, 1.8х102К/с, 6.9х10К/с. При выборе минимальной толщины стенки кокиля 30мм, предотвращается сквозное прогревание его до момента полной кристаллизации.

Отжиг сплавов проводился в вакуумной электропечи камерного типа СНВЛ-1.3.1/16М1, при этом рабочий вакуум составлял 1*10"4 мм рт.ст. Другие виды термообработки сплавов проводились в камерной электропечи типа СНЗ-2.0*4.0*1.4/12". В случае необходимости образцы запаивались в кварцевые ампулы, в которых создавался рабочий вакуум 1*10-4 мм рт.ст.

В аспекте исследования структуры и свойств сплавов, полученных кристаллизацией расплава с различными скоростями охлаждения, проводилось охлаждение расплава со сверхвысокими скоростями. При этом изучалась возможность получения сплавов в аморфном состоянии. Использовался метод спиннинговання, заключающийся в закалке расплава на быстро вращающемся медном диске.

Базой установки для спиннинговання являлся ВЧ ламповый генератор Л313 мощностью 10 кВт, частотой 440 кГц. Смесь исходных компонентов навеской до 50г расплавлялась токами высокой частоты в кварцевом тигле, имеющем внизу выходное отверстие диаметром 0.5мм. Расплав удерживался а тигле за счет сил поверхностного натяжения. Для подачи струи расплава на диск использовалось избыточное давление инертного газа (аргона). Диск приводился во вращение с помощью коллекторного двигателя мощностью 150Вт. Линейная скорость движения поверхности диска изменялась от 15 до 28 м/с. Она определяла толщину ленты при одинаковом избыточном давлении и диаметре сопла.

Проведены исследования микроструктуры, механических свойств, фазового состава сплавов.

Прочностные характеристики оценивались по методике, применяемой для определения предела прочности при поперечном изгибе по ГОСТ 20019-74. Твердость сплавов определялась согласно ГОСТ 20017-74. Мнкротвердость структурных составляющих измерялась по методу Виккерса в соответствии с ГОСТ 9450-76 при нагрузке 0.98Н.

В задачу рентгеноструктурного анализа входили исследования качественного фазового состава сплавов. Анализ осуществлялся на дифрактометрах ДРОН-2.0

и ДРОН-З.О с использованием монохроматического Ка-излучения железа и меди с длинами волн =19.3597 Нм и 1.5.-4051 Нм соответственно.

Для изучения элементного состава и характера распределения компонентов в отдельных фазах сплавов использовался микрорентгеноспектральный анализ. Исследования проводились на рентгеновском микроанализаторе "СатеЬах-Мюго".

Третья глава посвящена изучению влияния легирующих компонентов -хрома, молибдена, ванадия, кобальта на стуктуру, фазовый состав, свойства сплава системы железо-углерод-бор. Состав сплава соответствовал точке эвтектическою превращения: Жоу +Ре2}(С,В)6+Ре3(С,В).

Химический состав исходного сплава , в ат.%: железо-80.5, углерод-14, бор-5.5. Так как в качестве шихтовых материалов используется не чистый бор, а карбид бора В4С, то в пересчете на В4С состав выглядит следующим образом ( в скобках- весовые %): железо 80.5(95.! 8); карбид бппа-6.88(1.61); углерод-12.62(3.21).

Свойства сплава приведены в таблице 1.

таблица!

сплав хим. состав, ат.% НЯА микротвердость, МПа

Ре С В,С тв. р-р эвтектика изб.фаза

исх. 80.5 12.62 6.88 82 3600 7400 12000

Состав и свойства сплавов при легировании у :ходного сплава хромом, ванадием, молибденом, кобальтом приведены в таблице 2.

С целью изучения фазовой стабильности , исследуемые сплавы были подвергнуты термической обработке при максимально возможной температуре нагрева 1000° С, выдержке в течение шести часов и охлаждении со скоростью 100 °/час. Фазовый сослав и свойства сплавов после термообработки приведены в табл.3.

Очевидно, что твердость всех сплавов понизилась на 4 - 6 единиц, за исключением сплавов с 5 ат.% молибдена и 10 ат.% кобальта. Последнее свидетельствует о том, что кобальт является элементом, повышающим стабильность исходного сплава. Твердость сплава с 5 ат.% молибдена осталась на уровне лигою состояния. Микроструктура сплава после термообработки не прктрпела видимых изменений. Исходя из данных фазового анализа и

8

о

N спл. химический состав, расчетный,атомные % фазовый состав ЖА микротвердостъ, МПа

С В4С Сг Мо V Со Ре тв.р-р, эвтек-тоид эвтек-тжса гобы-точн. фаза'

1 12.62 6.88 5 - - - ост. а,М2з(С,В)6,Мз(С,В) 83 4500 8000 13000

2 12.62 6.88 10 - - - ост. а,Мз(С,В),М„(С,В)6 84 5500 '8800 14800

3 12.62 6.88 20 - - - ост. а,М3(С,В),'М7(С,Б)з 85 7200 9600 16500

4 12.62 6.88 30 - - - ост. а,Мт(С,В)з,Мз(С,В) 84 6500 9500 18000

5 12.62 6.88 - 1 - - ост. о,М2з(С,В)6,Мз(С,В) 83 4200 8000 12500

6 12.62 6.88 - 3 - - ост. а,М2з(С,В)6,Мз(С,В) 85.5 7000 11700 12500

7 12.62 6.88 - 5 - - ост. а,7,М2з(С.В)6>Мз(С,В), ЩС.В) . 87 8000 13000 -

8 12.62 6.88 - 10 - - ост. ал,М23(С,В)6,М<(С,В), М;,(С,В) 79.5 4000 13000 -

9 12.62 6.88 - - 3 - ост. а,Мз(С,В),М;з(СВ)б 83.5 4800 9000 12000

10 12.62 6.88 - - 5 - ост. а;М3(С,В),М(С,В)> М„(С,В)6 84 5000 10000 160С0

11 12.62 6.88 - - 10 - ост. а,Мз(С,В),М(С,В) 82.5 4800 8000 35000

12 12.62 6.88 - - 20 - ост. а,М(С,В),М4(С,В)3, Мз(С,В) 66 2600 5600 32000

13 12.62 6.88 - - - 3 ост. а,Мз(С,В),М2з(С,В>, 82 3600 7800 12000

14 12.62 6.88 - - - 5 ост. а,М5(С,В),Мг;,(С,В)6 82 3600 7800 12000

15 12.62 6.88 - - - 10 ост. а,Мз(С,В),М2з(С.В)^ 80 3600 8000 12000

N микротвердость, МПа

спл. фазовый состав HRA тв.р-р, эвтек-тоид эвтектика избыт, фаза

itcx. а,М3(С,В),Ма,(С,В)б 78 3000 9000 11500

1 а1М3(С.В),М23(С>В)б 79 4000 8800 13000

2 а>М23(С>В)6>М,(С,В) 80.8 5600 8500 15000

3 а,М,з^С,В)б,М7(С,В)3 80.5 4000 8500 17500

4 а,Мл3(С,В)б,М3(С,В),М7(С,В)3 79.5 4000 7600 19500

5 а>М23(С)В)б,М3(С>В) 81 3200 9000 11800

6 аМи(С,В)бЛ1з(СЗ) 83 5000 13000 -

7 M23(C,B)6,a>Fe2Mo(C>B),M3(C>8) 87 5500 13500 -

8 a,M23(C,B>6,Fe2Mo(C)B),M<i(C,B) 75.5 3900 9700 -

9 а,М3(С,В),М23(С,В)б 78 3200 9000 11500

10 а,М3(С,В),М(С,В) 77 3200 8900 13000

11 а,М,(С,В).М(С,В) 76.5 3000 7200 16000

12 a,M,(C,B).i,M(ClB)1M,(C,B) 65 2400 4500 25000

13 а,М3(С,В),М2,(С,В)б 78 3000 9000 11500

14 а,М3(С(В).М23(С,В)б 79 3000 9000 11500

15 а,М3(С,В),М23(С,В)б 80 3000 9000 11500

микротвердости можно заключить, что состав фаз не претерпел значительных изменений после термической обработки, изменялись лишь количественные соотношения между фазами, что говорит о достаточной стабильности структуры сплавов данной системы. При этом, наибрлее перспективными из всех исследованных сплавов могут быть сплавы, содержащие молибден.

Проведенные исследования позволяют сделать выводы о том, что при создании новых экономичных материалов для литого инструмента с высокими механическими характеристиками рекомендуется использовать как основу комплекс железо-углерод-бор-молибден, сплавы которого при соответствующем легировании обладают высокой твердостью в исходном -литом состоянии и хорошей термостойкостью. Легирование эвтектических сплавов системы железо-углерод-бор-молибден хромом и ванадием целесообразно и возможно в довольно широких пределах, так как все фазы, составляющие данную систему хорошо растворяют эти элементы. Введение кобальта до 10 ат.% в эвтектические сплавы на основе железа повышает их структурную стабильность. Бор при формировании структуры сплавов входит в сложные карбобориды, изоморфные соответствующим карбидам. Рентгеновским фазовым анализом не обнаружено фаз на основе боридов и бора в структурно свободном виде. Характер изменения интегральной твердости сплавов аналогичен характеру изменения микротвердости твердого раствора и не зависит от твердости карбоборидной фазы, а зависит, по-видимому, от ее дисперсности. Результаты исследований, основанных на измерении твердости показывают целесообразность легирования исходного сплава системы железо-бор-углерод хромом - до 10 ат.%, молибденом - до 5 ат.%, ванадием - до 5 ат %, что в весовых процентах составляет соответственно 10.3%, 9.8%, 5.2%.

С целью сохранения эвтектического состава основы сплава железо-бор-углерод при условии дополнительного легирования хромом, молибденом, ванадием и кобальтом проведены исследования по уточнению содержания бора и углерода путем изучения индивидуального влияния этих металлоидов на структуру и свойства сплава Ре-ЮМо-ЮСг-бУ. Содержание молибдена, хрома и ванадия в сплаве приблизительно соответствовало количествам этих элементов, которые давали наибольшие приращения твердое™ при легировании эвтектического сплава системы железо-бор-углерод.

Анализ микроструктуры, фазового состава, свойств сплавов свидетельствует о значительном смещении эвтектических точек по сравнению с

системами железо-углерод и железо-бор. Уточнены интервалы легирования углеродом и' бором. Сделаны выводы о роли молибдена в сплавах, как основного легирующего компонента. Показано, что только комплексным карбоборидным упрочнением можно достичь высоких механических свойств.

Четвертая глава посвящена разработке состава и исследованию базового эвтектического сплава системы железо-углерод-бор-молибден, как основы инструментальных материалов. Состав сплава, максимально приближенный к составу многокомпонентной эвтектики получен с использованием методики спиннингования расплава. Установлено влияние молибдена на увеличение склонности сплавов к аморфизации, при этом наибольший эффект от введения молибдена достигается при определенном соотношении углерода и бора 2.5 : 1.5.

Проведен эксперимент по спиннингованию сплавов с изменяющимся содержанием молибдена. Для этого была выплавлена лигатура сплава с ч избыточным содержанием металлоидов, но в соотношении углерод/бор=2.5/1.5. Лигатура была помещена в кварцевый тигель с соплом для спиннингования, сверху был введен молибден. При нагреве лигатура плавилась сразу вследствие невысокой температуры плавления и молибден начинал растворяться в расплаве. По мере растворения молибдена его содержание в расплаве увеличивалось, а содержание металлоидов уменьшалось. При этом, состав расплава приблжался к эвтектическому, вследствие чего уменьшалась его вязкость и поверхностное натяжение, удерживающее расплав в тигле над отверстием сопла. Максимальное приближение состава к эвтектическому привело к самопроизвольному протеканию сплава через отверстие сопла диаметром 0.5 мм без приложения какого-либо давления аргона, как обычно в случае прцесса спиннингования. Сплав попал на вращающийся барабан и аморфизовалЬя. Была получена лента наибольшей толщины (» 80 мкм) в 100% аморфном состоянии, .что показал рентгеноструктурный анализ с внешней от диска стороны ленты. Химический состав сплава: 9.3%вес. молибдена; 2.6%вес. углерода; 1.4%вес. бора; железо - остальное.

Таким образом, был получен сплав системы железо- углерод- бор-молибден, максимально приближенный к эвтектическому.

В дальнейшем плавки выполнялись с использованием карбида бора В«С, поэтому в пересчете на карбид бора состав сплава выглядит так: железо- основа; молибден- 9.3%вес.; углерод- 2.3%вес.; карбид бора-1,7%вес.

Изучены структура и свойства сплава Ре-9.3Мо-2.3С-1.7В4С в литом состоянии, и влияние на них скорости кристаллизации и легирующих элементов - хрома и ванадия Полученный сплав, принятый за базовый, имеет твердость 88НЯА. Это свидетельствует о том, что в данной области системы железо-углерод-бор-молибден. изменение содержания бора приводит к значительно большему эффекту изменения твердости, чем изменение содержания углерода.

Увеличение скорости охлаждения базового сплава при кристаллизации приводит к количественным изменениям в структуре и свойствах (табл. 4). Доля доэвтектических дендритов значительно уменьшается. Фазовый состав остается неизменным, при этом увеличивается соотношение М25(С,В)б : Мз(С,В). Твердость сплава увеличивается до 91 НЯЛ, то есть на 3 единицы, что в области высоких значений твердости является весьма существенным эффектом.

Последующая термическая обработка 1000° С, 6 часов, не приводит к каким-либо изменениям в свойствах. Твердость снижается незначительно (на 0.5 - 1 ед.). Таким образом, зафиксированная в процессе кристаллизации структура сплава остается стабильной к термическим воздействиям.

таблица 4

скорость объемная литое после т/о

кристал- фазовый состав доля перв. сост. ЮОО'С, 6 час.

лизации, дендритов

град/сек % НКА МП» ИЛА МП»

6.9Е1 а, М3(С,В),М21(С,Вкг,М(,(С,В) 27 88 250 87.5 320

1.8Е2 М2](С,В),„ а,М,(С,В), у,М„(С,В) 20 • 90 200 89 230

5ЕЗ М»(С,В)«, М,(С,В), а, у,М(,(С,В) 11 91 180 90 200

Очень высокая твердость, достигнутая в базовом сплаве сопровождается весьма существенным недостатком - значительной хрупкостью. Без повышения прочностных характеристик невозможно использовать материал в качестве режущего инструмента.

В работе применено легирование хромом и ванадием базового сплава с целью повышения прочности.

Введение 5 и 10 %вес. хрома приводит к значительному измельчению структуры сНлава. Незначительно снижая твердость базового сплава хром способствует увеличению атг до 600 МПа.

Введение уже одного %вес. ванадия приводит к значительному -измельчению структуры. Легирование ванадием приводит к перераспределению молибдена между твердым раствором и карбоборидной фазой. Содержание молибдена в карбоборидной фазе растет, а в твердом растворе снижается, что приводит к снижению твердости последнего, и в целом к снижению интегральной твердости. Увеличение содержания ванадия до 5 %вес. приводит к началу формирования карбоборидов М(С,В) ( М8(С,В)7 ). Введение 10 %вес. ванадия делает сплав заэвтектическим с образованием избыточных карбоборидов М8(С,В)7. Эта фаза растворяет в себе значительное количество молибдена, что приводит к деградации карбоборида Мгз(С,В)б и, в случае десяти %вес. ванадия, к полному его исчезновению.

Значительный эффект упрочнения сплава при введении до 5 %вес. ванадия связан, по-видимому, со снижением пересыщенности твердого раствора. Максимальная прочность достигается при 5 вес.% ванадия и составляет 1350 МПа.

Анализ влияния хрома и ванадия на структуру и свойства базового сплава свидетельствует о противоположном воздействии этих легирующих элементов на исходную структуру, главным образом, на распределение молибдена и металлоидов между карбоборидной фазой и твердым раствором. Если хром стабилизирует ведущий карбоборид Ми(С,В)б, сохраняя молибден в твердом растворе, то ванадий "оттягивает" значительное количество молибдена в образованный им специальный карбоборид Мя(С,В)7, дестабилизирует структуру, делая невозможным образование карбоборида М2з(С,В)г„ При этом, легирование и хромом, и ванадием приводит к увеличению прочности.

Очевидно, для получения высоких механических свойств, сочетающих высокую прочность и твердость, необходимо комплексное легирование хромом и ванадием.

Увеличение скорости кристаплизацити приводит к пересыщенности твердого раствора, а следовательно, к увеличению структурных напряжений, измельчается структура сплавов. Твердость сплавов однозначно растет независимо от содержания хрома и ванадия. Характер изменения твердости в зависимости от легирования аналогичен при разных скоростях кристаллизации -

самым твердым остается базовый состав, а по мере увеличения количества хрома и ванадия твердость плавно снижается.

Термическая обработка 1000° С, 6 часов, приводит к значительному снижению твердости, при этом, чем ближе сплав по составу был к эвтектическому, тем меньший эффект снижения твердости наблюдался.

Твердость сплавов после термической обработки зависит от их твердости в исходном, литом, состоянии. Структура эвтектических сплавов достаточно стабильна, поэтому после термической обработки, несмотря на частичную релаксацию структурных и термических напряжений, сплавы, кристаллизовавшиеся с большими скоростями, имели большую твердость при одинаковом химическом составе.

Пятая глава посвящена разработке и исследованию сплавов системы железо-углерод-бор-молибден, комплексно легированных хромом и ванадием с целью получения наилучшего комплекса механических свойств. Для решения этой задачи применена методика планирования эксперимента. В качестве критериев, определяющих механические свойства сплавов, были выбраны твердость НГ1А и предел прочности на изгиб сти1Г. Постановкой полного факторного эксперимента 2} изучалось влияние на твердость и прочность трех легирующих компонентов: хрома, ванадия, углерода. Условия опытов выбирались на основании результатов исследований линейных экспериментов, приведенных выше, исходя из соображений не только плавности и непрерывности функций отклика, но и отсутствия качественных изменений в структурах сплавов.

Были получены следующие уравнения регрессии: -НКА=87.875-0.215С|-1.75С2-0.35С1+0.066С1С2+0.05С1Сз+0.46С2Са;

о-та=-310+130С|+622С2+220С3-5С,СИ0С1С,-194С2С,,

где С1, С2, СЗ - соответственно коцентрации хрома, ванадия, углерода, выраженные в весовых процентах.

Если установить нижний предел стВ1Г на уровне ЮООмпа, то из анализа полученных зависимостей можно заключить, что наилучшим комплексом свойств обладают сплавы, содержащие 2.0 - 2.5%вес. углерода при комплексном легировании хромом и ванадием на верхнем уровне эксперимента. Таким образом, оптимизация составов сплавов привела к следующему соотношению элементов (в вес.%): углерод - 2-2.5; карбид бора (В,С) - 1.7; молибден - 9.3; хром - 10; ванадий - 5; железо - остальное.

Таблица 5

N сплава литое состояние после термообработки 1000°С, 6 ч.

У„р=б.9Е, град/сек град/сек Укр=5.0ЕЗ, град/сек гр;щ/сек У^ьвЕг, град/сек V4.-5.OE3, град/сек

НИА Оюг, МПа НЫА ^ЮГт МПа НКА МПа ША ^ИЭГэ МПа ША МПа ЖА ^ИЗГ> МПа

о4.0 85.3 1560 86 1700 86.3 1800 84 1500 84.5 1600 85 1600

2.0 86.5 1400 87 1500 87.5 1800 85 1300 85.5 1500 85.5 1500

3.0 86.5 1150 87 1200 88 1400 85 1000 • 85.5 1100 86 1200

Выплавлено 3 состава сплавов с разным содержанием углерода: №1.0 - с 2вес.%С, №2.0 - с 2.3вес.%С, №3.0 - с2.5вес.%С. Проведенные механические испытания подтвердили правильность выбора составов. При этом, экспериментальные данные по пределу прочности на изгиб получились выше, чем расчетные (см. табл.5).

Достаточно высокие свойства лучших сплавов при оптимизации получены не в самых лучших технологических условиях. Ценность сплавов, находящихся по составу вблизи точки нонвариантного эвтектического превращения, заключается, в частности, в том, что несмотря на медленную кристаллизацию, структура остается тонкой има отсутствия избыточных фаз и одновременного зарождения многочисленных центров кристаллизации.

Повышение скорости кристаллизации при заливке в медный кокиль приводит к высокой дисперсности структуры и повышению как твердости, так и прочностных характеристик. Последующая термическая обработка 1000"С\ 6 ч. снижает механические свойства сплавов, однако они остаются на высоком уровне, что позволяет говорить о высокой структурной стабильности сплавов при термическом воздействии (табл. 5).

Дополнительное легирование полученных сплавов 10% кобальта приводит к некоторому повышению прочности сплавов без изменения их твердости.

Исследовано влияние технологических факторов на свойства сплавов. Показано, что лучшую стабильность свойств можно получить при перегреве металла на 250-300°С выше температуры ликвидус ( т.е. до 1450-1500"С) и разливке его в медную изложницу , предварительно подогретую до 300-400°С.

ВЫВОДЫ

1. Анализ современного состояния вопроса создания инструментальных материалов выявили актуальность разработок новых экономичных сплавов с высокими механическими характеристиками. Требуемым условиям могут отвечать литейные эвтектические твердые сплавы на основе трехкомпонептной системы железо-углерод-бор. За основу исследовании был выбран комплекс легирующих элементов - молибден-хром-ванадий-кобальт.

2. Установлены закономерности влияния хрома, молибдена, ванадия, кобальта на микроструктуру, фазовый состав, механические свойства исходного эвтектического сплава системы железо-бор-углерод как в литом, так и в

термообрлботанном состоянии. Показано, что базовыми для создания литейных сплавов с высокими механическими характеристиками могут быть сплавы системы железо-углерод-бор-модибден, обладающие высокой твердостью в литом состоянии и высокой структурной стабильностью при нагреве до температур, близких к температуре плавления. Установлена роль бора в формировании структуры сплавов, не образующего собственных фаз, а входящего в сложные карбобориды, изоморфные соответствующим карбидам, и влияющего на образование ведущего карбоборида М2з(С,В)6. Выявлена корреляция между интегральной твердостью сплавов и микротвердостыо структурных составляющих.

3. Путем спиннингования расплава по оригинальной методике получен состав сплава^системы Ре-С-В-Мо, максимально приближенный к эвтектическому. Показано на примере этого сплава, что именно эвтектические сплавы с наличием "глубокой" эвтектики обладают наилучшими свойствами как в аморфном, так и в кристаллическом состоянии непосредственно после литья.

4. Установлена взаимосвязь между вменениями микроструктуры, фазового состава и свойств сплава комплексного состава Ре-10Мо-ЮСг-5\/ при раздельном легировании его бором и углеродом. Показано, что в данной системе высокого уровня механических свойств можно добиться лишь совместным легированием этими металлоидами.

5. На основании изучения влияния легирующих элементов - хрома и ванадия на микроструктуру, фазовый состав, механические свойства сплава базового состава Pe-9.3Mo-2.3C-l .7В«С показано, что основную роль в упрочнении играет ванадий при положительном влиянии хрома.

6. Методом математического планирования эксперимента проведена оптимизация состава для многокомпонентной системы с карбоборидным упрочнением по двум параметрам (твердость НЯА и прочность сИ1Г) и получена система из двух адекватных уравнений. На базе этого получены сплавы составов (в вес.%) углерод - 2-2.3, карбид бора^С) -1.7, молибден- 9,3, хром -10, ванадий - 5, железо - остальное, обладающие лучшим комплексом свойств (НКА=85+86.5, аИ1Г= 1400-И 560 МПа). Изучены структура и свойства сплавов.

7. Частичная замена элемента основы - железа на кобальт в сплавах лучших составов показала, что подобное легирование не изменяет струкгуру, фазовый состав сплавов. Положительное воздействие кобальта заключается в том, что при практически небольшом снижении твердости он способствует

значительному повышению прочности. Сплавы лучших составов при введении 10% вес.Со обладают HRA=85+86, стИ1Г= 1800+1900 МПа.

8. Преимущество многокомпонентных эвтектических сплавов заключается в формировании дисперсной структуры и достаточно высоких свойств даже при условиях медленного охлаждения в формах по выплавляемым моделям. Показано, что увеличение скорости кристаллизации сплавов способствует повышению механических свойств .сплавов при сохранении высокой стабильности структуры после нагрева до температур 0.8ТГО,. На основании этого была разработана технология выплавки сплавов, позволяющая получать высокую стабильность механических свойств.

9. Сплавы составов (в вес.%) углерод - 2-2.3, карбид бора - 1.7, молибден - 9.3, хром - 10, ванадий - 5, кобальт - 0-10, железо - остальное рекомендуются для изготовления ре:кущего инструмента как обладающие высокой износостойкостью при обработке высокопрочных и вязких материалов (нержавеющая сталь, жаропрочные сплавы на никелевой основе и т.д.).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ работы отражено в следующих публикациях:

1. Кухарь В.В., Павлова С.Н., Никаноров A.M. Принципы легирования литых эвтектических твердых сплавов // Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа/ Материалы 3 Всесоюзной конференции, март 1986г. /. - Днепропетровск. - 1986г.

2. Хорошайлов В.Г., Никаноров A.M., Молчанов М.Д. Исследование структуры и свойств литых твердых сплавов эвтектического типа в зависимости от условий кристаллизации. // Закономерности формирования структуры сплавов эвтектического типа. / Материалы 3 Всесоюзной конференции, март 1986г. /. - Днепропетровск. - 1986г.

3. Никаноров A.M., Цветова Н.Б. Влияние термовременной обработки расплавана фазовый состав сложнолегированного сплава на железной основе для инструмента. // Сборник трудов ЦНИИ "Прометей". - Ленинград. - 1988г. №3.

4. Хорошайлов В.Г., Павлова С.Н., Никаноров A.M. Разрабо!ка литейного безвольфрамового сплава на железной основе для режущего инструмента. Н Отчет по хоздоговорной НИР №604401. Л ПИ. - Ленинград. - 1989г. - 100с.

5. Хорошайлов В.Г., Павлова С.Н., Казакова Е.И.. Колесов С.С, Никаноров A.M., Цветова Н.Б. Ич>чение тонкой структуры и превращений в

сталях аустснитного и перлитного классов. И Отчет по хоздоговорной НИР №604904. - Jlfry. - Ленинград. - 1991г. - 126с.

6, Хорошайлов В.Г., Ииканоров A.M., Толочко О.В., Журавлев A.C. Влияние легирования на структуру и механические характеристики вплавов системы Fe-B-C. // Радиационная повреждаемость к работоспособность конструкционных материалов. / Сборник трудов СПбГТУ. - Санкт-Петербург. -1996г.

7. Кухарь В.В., Хорошайлов В.Г., Павлова С.Н., Ииканоров A.M., Молчанов М.Д. Литейный твердый сплав. // Авторское свидетельство №1426124,- 1988г.

Подписано в печать Тираж 100 экз.

Заказ № £¿9 Бесплатно

Отпечатано на ротапринте СПбГТУ, 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул. 29.