автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Разработка, исследование и применениеизносостойких белых чугуноввысокой прокаливаемости

Тульский ордена трудового Красного Знамени Политехнический институт

На правах рукописи

Серпик Людмила Григорьевна

Разработка, исследование и применение износостойких белых чугунов высокой прокалнваемости

Специальность 05.16.01 — Металловедение и термическая

обработка металлов

Автореф ер ат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула-1991

с

Paöwra выяоднена в Брянском ордена Трудового Красного Знамени технологическом институге • ■ -

Научные руководители:

- доктор технических .наук в доктор химических наук, профессор Жуков A.A.

- доктор технических наук,профессор Памфилов Е.А.

■ Официальные оппоненты:

- доктор технических наук Амажевич Б.М.

- кандидат технических наук Наумов ГЛ.

Ведуцез предприятие - производственное объединение "Брянский машиностроительный завод".

Защита состоится " ^ 7» ^^ 1991 г, часов

в девятом корпусе ТулШ, ауд.101 на заседании сдбциалйзироваиого совета К.С63.47.02 ВАК СССР в Тульском ордена Трудового Красного Знамэни политехническом институте по адресу: 300600, г.Тула, 26, пр. Легаш, 92. * ' • •

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан 1991г.

Учеиый секретарь пдвциалиэявозашюго совета кандидат технических наук, доцент „

Гончаронхо И.А.

I. ОЩАЯ ХАРЖТЬМИША. РАБОТУ

Актуальность проблемы. Для деталей,работающих б условиях ин-нсиешго изкооа, целесообразно, использование юошлексно-дегаро-шш белых чугунов со специальными. эвгектлкагл1,раслолог.еаио фаз иотормх обеспечивает проявление эффекта га глозтдо иного улроч -няя. Однако в большинстве' случаев такие чугуна нуждаются в продают упрочняющей термической обработки, значительно удлиняющей х но логический процесс получения деталей, увелячивавезй энерго- • кость и материалоеиюсть процесса. В связа с этш перспективной дается разработка сплавов, сочатавдах -ни со кую прокаливает сть с владением пришдаа кошозпцкшкого упрочкени.

Нужны специальные сплавн и для изготовления литого инструмента, к. применение бастрорезущих сталей для этих целей ограничено их ачительной структурной неоднородностью. Сплавы для литого ияет-кента также долам сочетать внеокую прокаливаешеть с принятом кпозационного упрочнения и, кроме того, обладать повышенной теп-стойкостьй и упрчияться по механизмам, характерным дом бистро-®уцих сталей.

Ванным является обеспеченно экономного легирования разрабаты-юмых сплавов дорогам: и дебицитшлаи компонентами.

Цель работы. Установление зависшэсгей влляндн хи/лческого со-,'ава я структуры бзлих- чугуяоз на' их пропаиваемое?*, азпосостсй-ють н механические свойства я разработка на этой основе износо-юйких гашлексно-легяровашшх белых чугунов высокой прокаливав-

1сгй.

Автор защищает: .

-принцип сочетшлл в износостойких -С-сплавах эффекта :х:.;-»зицпонкого упрочнения с шооадй прокалвваемоста» я условля,обвеивающие соблюдение этого .принципа;

- установленные корраляцаднные соотно'ланна мекду прокаяиваешс->зо л характерисгахаш хишчвекого состава структуры сплавов, а ада связь про:шливаешстя с теплопроводность»;

-метод расчета ирокалаваешеги комплексно-дегнроаашщх белих лгунов;

- построенные изотермические разрезы дааграш состояния ряда роиних а более. сложных систем волезо-углерод, -догируиске эле . энты;

- разработашшв составы изпосостойшх сплавов и. технологичес -иэ процессы их выплавки и получения из них оглявок.

Об№я методика исследований. Плавки чугунов были проведены i установка Л1-67 в тигельной печи емкостью 50 кг с кислой йугеро: кой и в индукционной печи ЛОТ-О.Об с основной футеровкой. Темпе ратуру жадного металл а контролировали термопарами Ш1. В сухих m чаю-глинистых форьж отлиеали образцы для испытаний на прокали ваемзсть, для кехашчсскис испытаний и заготовки для испытаний . износ. Образцы для шагового и тталлограничас ко го анализов изп тавляга'ш из ляпа заго.овок н непосредственно из отливок дета® Но нулшх разборов и уорщ образцы доводили с поморю махшичсс , кой обработка "чзердо сплавным инструментом и шлифованием. Отлив деталей я инструмента получали литьем в песчано-глшшсгаа йорш уорш с использованием гадкого с тема, литьем ло шллавляемш газцйшднрувмш моделям.

При определении цроьдливасмости были использованы метод- npoi них закалок л стандартный цетад торцовой закалки (ГОСТ 5G57-69) Карбидный анализ проводился путем электрохимического раствор! кия матричных i»аз чугуна (поролта, г.артонсита, аустешна) с пос. дуидол хишческам и ренатеноструктурным анализом выделенного- ка] видного горошка. Химический состав матрицы определяли двумя кезх •даш: хжлческшл анализом электролита и расчетным лутеы. Рентга структурный анализ карбидного порошка проводили на установке "дР0Н-2" в нвщилирошшоы /¿¿«.je-излучении, Для определения » ' шчосного состава карбздов и кятрацы использовали количественны] рэнтсокоспзктралышй анализ на установка MS-46 "Калека".

Изучение обцел шжроструктуры проводили на микроскопах КШ8 üeoroT-2, структуру кетаиллчестЛ оснош исследовали на электро! них ¡микроскопах УЛ.Щ~Ю0А а "Стерооскан-180И. На установках "Ок peo cuan-ВО " а "Камебакс" проводила фрактеградаческиД анализ сш ив. Ьетодоп термического анализа по крлвш охлаэденяя определи лпсь скорости охлагдонш при те.улсратурах распада аустснита.

;..охан:1чес1е:е кспитаикг:'проводили на стандартних разрпвних удярнис образцах. Определила слсдулдке показатели: предел прочие ти па растякошю (Cíj) .твердость (HRC3) .ударную вязкость (КО.

¿.зное комилексио-лсгированних бз.'шх чугунов и сопоставляемой материала (сталь 45) определяли трением образцов в литом состоя пни по эикрзпленному абразиву (корундовая шкурка зернистостью я 40...80), а износ инструмеиташшх сплавов - на (.»дорнпзнровш noli установке 1.1Д-Ш путем трония испытуемого образца о сталык диск с твердостью 47,0 HRCj (по мотодаке ВШШтекмаи) в услоши

¡yxoro трения.

Теплостойкость инструментальных стаю в определяла как темпа ~ >атуру дополнительной обработки i по слэ юторой твердость оказыва -иоь равной 57,0 HRCj. Длительность выдеркки составляла 4 часа.

В работе использованы метод •герюдднз.щчеокого анализа, метод ^тематического моделирования процесса с применением ЭШ, а такяв ¡татистяческая обработка ¡жснэрдшятальнас даяякх с примененной шоге с таенного регрессионного анализа.

Научная новизна работы состоит в получении ряда нових теорети-юских, .эксперт;,снтальянх в промшигэнкшс результатов в области »здания сплавов с заранее заданными свойствами:

- установлена .эозшиюсгь значительного ¿¿ошлеиия йзпососто/t-состп за счет сочетания в сплавах эСОеКта кошознцаонного упрочения ц впсокой прокаливаемо ста;

- установлены корреляциошшо соотношения ьазду прокалнпаошс-кмэ.я характеристиками химического состава я структуры изучаешк сплавов, на основе чего разработан метод расчета прокаливаеьвсги «гллексно -тнегиро ванных бе лис чугунов;

- выявлено существенное вешние теплопроводно ода сплавов на юс . 1рокалнваеиость, что позволил» объяснить енлхонма прокаяисаешстд Fg -Ссплавов.пра увеличения в их структура .:сгрб:щоа различного . гада; '

- построены нзазвостные ранее изотершческяс разрозы диаграмм состояния слопай: спстем заэлезо-углерод-легирующие элемента при гешюратурах, сортсетствуащшс нагреву изучаемая сплавов под закалку; .

- установлена соотношения ыезду содержаниями в чугунах логярув-здх элементов а углерода, обеслзч::ваюдах получение, жевках механических сюйств и азюоостоШсосгя как а лиюы состоянии, так и после герлдческой обработки сплавов.

Практическая ценность и Реализация результатов работы.

- Разработаны состава сашзакалавамвдхся езнососто!'«:« чугунов с эвтектикой на основе карбидов МуСу .кспользуегдк в качества за-(.■.онитчля нихарда, и шсокоизиосостайккх белых чугунов со структурой на основе эвтекгик о карендаш VC в Мг С$ .

- Разработаны составы малоуглеродист оелых чугунов, предназначенных: дли изготовления литого (вт.ч. и самозакалввалздгося) инструмента.

- Разработаны технологические процессы получения точно литых

f

деталей л инструмента без термической обработки с минимальным ofoer.oi.i мехалвчесгай обработки (шшйОЕанием) аз caí.»закаливающихся коы1'л<з1'.сио-легиров5Н.чнх белых чу гунов.

- Разработаны катода оценки прокаливаемэсти сплавов и оптими ■ задал их хшшческого состава, дазволявдде существенно сократить трудоемкость и длительность разработки ловшс сплавов . с, заранее эодавае'лш свойствами. ■

Лконог.'ичоскдй эЖект na комелт начала использования разработах них сплаьов в производстве составлял: • - - от 2 до 7 тыс. рублей на I т г.знашшаемых деталей;

- от 8 до I? тас. рублей на I т литого шетрумеита.

Апросацл,- работа. Результаты рас» и до до ко ни и обсуиденн на:

Всесоюзной научной конференции "..'зное в машинах л ыетоды задать от него" (Брянск, 1985); лаучно-^ехничесглй конференции "Яовыше-¡ш качества отлшзок за счет совремонних методов выплавки.легирования н горш ческой обработки кегаллов" (Брянск, IS69); ГУ L.ocrai ской ааучно-техническоЛ кон-Херенщш "Триботехника - шшнострое -шио" (1.осква, I93Ü); Ж Всесоюзной научно-технической кон£ереицзд "¡•¡овне конструкционные стала- х: сплава и методу их обработки дм повышена! надешостя и долговечности изделий." (Заноройье, Ш39); Всесоюзно!! научно-технической конференции "Проблемы поздаешш качества, иадеяиостя и долговечности исшн" (Брянск, I9S0); Всесоюз ной научно-технической'хсонйерендаи "Износостойкость мшши" (Брянск, 1391); научно-технические конйюре:;цЕях профессорско-преподавательского состава Брянского технологического института и брянского института ipaaсиор'люго цаиниостроешш.

Лу&шации. lio теме диссертации опубликовано 12 работ .получено 2 авторски;: свидетельства на изобретошщ и 2 положительных роша-н.хя ш заявка».) да изобретения.

Структура а объем диссертации. Диссертация сосюитл1а введения чотарех глав, выводов п пяти прхьюгпний, л злобна на ¿3$ страницах иштодксиого текста, содержат J9 таблиц, 75 р:;сушсов, список литература х;з 126-каплею вашхй.

2. ШЮЛШЪ йО^РлМЪ РАБОВ! ■

анализ. хпврптурнше Данные проводился но вопросам,связанным с црехшштзше'гью гомогенных и геторогешисс F? -С -сплавов и повышением излосостойкостл и ¡/.ехшшческих свойств, белых чугунов.

Рассмотрены осношие Факторы, шхкящае на прокаливаемо сть и за калпвас:.эсть сталей, и сделал вывод о наиболее сильном влиянии

л/лчвского состава на прокаливаемость (лрл неизменных условиях мавдения). Для гетерогенных сплавов большое атаяняе на прокаяп-аевдсть оказывает структурное состояние лря температурах нагрева >д закалку. При этом важным фактором является дисперсность кар-вдаой фазы. Показано, что сплавы, имеющие структуру с массивными зрбидаш, облагают понптенной прскаливаэ!.юстью.

Кезду заглшваемостыо и прокаливавшем» сплавов ш» провес-д аналогию, позволяющую по закаливаемости оценить прокаливае -зсть (и наоборот). При этом для сплавов высокой прокаливаемо ста воздушно-закаливаемых) и, в частности, дая износостойких белых угунов значения предельного диаметра закаливаемости и критичес -зго диаметра прокаливаемости . совпадают.

Насшотреко влияние прокаливаешсти на кехакяческие и эксплуа-ационные свойства сталей и чугунов. Доя износостойких белых чу-уков не установлено статистически значимой связи моету прокала-аемостьи и уровнем механических свойств. Однако прояалкзаешсть казываег сильное влияние на износостойкость чугудав. При сивоэ-ой прокаливаешсти износостойких белых чугуноп структура ттал -аческой матрицы мотет регулироваться от мартенситной до аустенят-э'Л. Оптимальный тип матрицн зависит от нагрузки. При умеренных агрузках наиболее благоприятной является каргенсмко-аустенятная атрица.

Извел-ше износостойкие чугуэд высокой прокаливаем ста (типа нихард") не обладают достаточным уровнем механических свойств и звосостоКкости из-за несоответствия их структуры правилу Шарли, связи с этим целесообразно проводить замену ледебурита специаль-ой эвтектикой, структура которой на поверхности трения соответст-ует правилу 1£арпи. Характерное для этой: структуры объемшэ арми-ование металла обеспечивает проявление эффекта композиционного прочнешя. Эвтектические композиции в белых чугуг.ах могут формоваться на основе карбидов , 1/С или их сочетания. : Показано .что для изготовления литого инструмента нуяны спо-нальнне сплавн, лишешшв недостатков быстрорежущих сталей. Эта плавы должны обладать достаточной прокаливаемость», знсокой теп-остойкбстью» упрочняться по механизмам, характера для бистро-еяущих сталей, а также обладать технологическими арошлувестваиа, арактерными для шсококачоствакных липа сплавов. Пра разработка иструшнташщх сплавов целесообразно использовать принцип кок-озицёонного упрочнения.

Цза. работа и анализ состояния вопроса определили следующие основные задачи:

- теоретическая оценка влияния химического состава, структуры а скорости охлаждения на про каливаешсть Гв -С-сплавов;

- опюизация составов износостойких белых чугуяов высокой црО' каливаомости с учетом соблюдения принципа композиционного упрочив' ная; , -

- экспериментальная проверка результатов расчетов и исследование., структуры, механических и эксплуатационных свойств чугунов;

- оценка юзтхашх областей применения износостойких белых чу/г гунов высокой прокаливавшей и разработка технологических процэс сов получения из них отливок;

- проведение арошшдешшх испытаний и внедрение износостойких белых чугунов высокой прокаливаемаста в серийное производство, оценка экономической эффективности их использования.

2.1. 0®кха влияши хшческого состава; стешуш и

окоростл оявденкй на пюкшвашостъ Ге-С-сшивов

Использование нормированных полос прокаливаешста.а такке других экспериментальных данных, позволило построить катематическув ¿юдоль прэкадиваешсти, сшзиваэдую параметр дрокаюшаешсти (расстояннз от охлаздеешго торца до зоны со структурой 50 % мартенсита ври стандартной метода торцевой закалки) с химическим составом для сталей, шеющих однофазную структуру при температурах нагрева сод закалку, и учитывающую взаишвлияние элементов на про-к&ишаеюсть. Содержание элементов в сталях ограничивалось следую-еда,« значениями (в кас. й): до О,?С . ДО 281-, ДО ЗМп,до 5Сг до 1Ма. до ЗМ, до 1Си, до 0,6 V.

Математическая модель прок&яиваашета гошгешшх сталей имеет следующий дад:

П*Мх'М{М&1г*Л*+Сиг) + 7-Мп** Шг'*

Мп-(//амо)* Ш (Сг*М0)+Ни-Сг * Ш<Сг'У], мм

где. Ид - коэффициент влияния легирующих элешнтов и аришеай на прокаливаем)схь стали;

С,Мп, Сг, Мо,$1,йи, V ~ содержание углерода, леги-

ругоих эл5»знгов и приибсей, в ыаб. %.

Яроверка адекватности математической модели била проведена о. йсамйэоЕшшеи крмерал фшзра (Я а 7.Й1).

Прокаливаемость Рв -С-сплавов в значительной степени зависит от их теплопроводности. Оактар теплопроводности проявляется з различия характера зависимостей прокаливаемости к критической с;» -роста закалки от других параметров, например, от химического состава сплавов.

3 сталях, содержащих до О,С йС и закалязаекнх из гомогенного аустешшюго состояния, прокаливаемость пропорпдональна содержа -шш углерода. В сплавах с 0,6...0,9 %С углерод сникает ярокалн-ваемость и увеличивает , что объясняется зародыше выл дейст-

вием ммролигевациояиц:: зон и карбздных ыслючшшй. При дальне йгеи увеличении содержания углерода (в т.ч. а з области белых чугупов) прокаливаемость несколько уменьшается из-за отрицательного вга-яния карбидов на теплопроводность. Некоторое увеличение Мир. дач хромистых сталей связано с изменением химического состава аусте-пита.

Расчет теплопроводности гетерогенных сплавов-проведен, исхода из рас сш трения ее как свойства, аддитивно складывающегося к а тепло про водно стой фаз. Прп этом использовалось принятое разделение гетерогенных систем на матричные, статистические и модели плас -тянчатих структур.

Однако для многих легированных Г? -¿'-сплавов характерны особые структурные состояния, которш мокло ¡шторнротпровать как сочетание нескольких вкдоз рассмотренных шделей. Например,для сталей карбидного класса и мачоуглсродисгах белых чугуноз характерно расположение карбидов а виде сетки по границам яустешшик зорон. Такая "сетчатая" структура ио;яет бить смоделирована кшс сочотэиио пластинчатых структур с продольным и поперечным расположением пластин. В этом случзс расчет ведется з два о тол а: сначала рассчитывается модель с про дольним расадлозлоикеи иластин, а затем, принимая рассчитанную модель з качестве матрицы, рассчитывается модель с поперечным расположение:.! пластая.

Более сложен расчет теплопроводности для структур ванадиевых к хромпстнх белых чугушз со специальными эвтактякаии. Тедчопровод-ноегь эвтектика А + V? рассчитана по штрпчной модели,а эвтвк -тика А + М7С} - по пяастшгчатой гадает с беспорядочно ориентированной структурой. Для западкеаих доэвтектичоских чугуноз окончательный расчет лровэдел по статгстической модели (зерна аустеяата и колония эвтектики), а для хромистых чугуноз - по сетчатой г.одоли.

к

Ааллаз влиния карбидов на теплопроводность сплавов доказал, что наиболее сильно свяяаот теплопроводность карбида цекентитногс тина, Сдециальнне карбзды оказывают более слабое влияние на теп-лопроаодность.причеы завяслюсти з этих случаях близки к линейнш

Для определения раыовесшк химических составов матриц и фазового состояния гетерогенные сплавов при температурах нагрева под закалку s работе приведены расчет и построение разрезов диаграмм состояния систем Fs-C~Cr ,Fe-C'Mn , F?-C"V и слогшых систбм Fe'C-Cr'V и FS'C'Cr-У-Мп . Ддя расчета и построения раз реэов диатрам.'. использована методика Г.И. Сильмана.Результагы pao четов показали, что предельная растворимость элементов в аустени-те для кошлекст-легароваянцх белых чугунов составляет: при SOePe - 0,6...0,7 %С; 2...3 %Сг; до 0,75 ;SV; при П50°С -0.8...1,0 % С ; до 4 %Сг 5 до 1.8 % V. Растворимость ванадия была определена также с 'лошаью термэдинамичеекзд расчетов. Было показано, что избыток содержания в чугунах хрома и ванадия входит в состав карбидов к уменьшает прокашшаешеть чугунов, сникая содержание углорода в матрице. Растворимость марганца в матрице пропорциональна его среднему содержанию в чугуне.

С использованием экспериментальных и расчетных методов проведено построение тершкикетячвскоН диаграммы превращения аусгенита для чугуна состава: 3,4 %Q ; 6,5 f>V ; 7.5 %Sr *, 0,7 %М(1 и 0.6&&. Ддя этого известная зааасилэстьшаду скоростью охлавдения и формой охлздавдих/ тел была преобразована к очень простому виду (ijd =1. охла-едаюцая среда - воздух). ,

V*ds4S , град*lavo ' (3)

Положение бейдитной области и лшши Мя рассчитано по химическому составе," аустенита (0,8 %С\ 1.0 2,0 %Сг; 0.5 %МгХ ; 0,7 %$L ).

С непользе ванном тэршкинетической диаграммы опредален с/х£=»8 ш, V«p. при этап составляет к 6 град/с.

Показано, что значительное вовшешго дрокзливаетсти чугуна шхет бить обеспечено за счет марганца и шлибдена. Так, напри-ыер, для чугуна состава: 1,65 %С; 5,7 5.9 ^Сг; 0,43Шп ; 1,59 % МО а 1,42 Л Si (f^, составляет к 53 мл,a Удо«0,9град/с.

Дяя оценки прокаливавшем сплавов путем сопоставления Vt/p. и V/охл. необходима 6u.ro определить скорости охлавдения при температурах нанямакьяой устойчивости аустеннта. С этой целью проведено математической описание процесса охлавдения образцов из леги-

юванных белых чугунов по методу теплового моделирования, про дао-данному Геллером.

Для теоретического исследования распределения температур и свз-остей охлаждения в цилиндрическом образце,подвергающемся идеаль-.ому охлаждению и охлаждению на спокойном воздухе пудам конвектив-ого и лучистого теплообменов по его торцевым поверхностям (шрма-изацки) ,была разработана про грамма. Процесс охлаждения шделнро -алея с помоп&ю линейного дифференциального уравнения в частных роизводных и граничных условий.Цля решения начально-краевой за-ачи использовался ттод коночных разностей к метод Рунге - Кутта етвертого порядка.

На основе разработанной программы был выгодней ряд расчетов об-азцов с различию! параметрами. Рассматривалось здеатыюо охлазде-ие и охлаждение на воздуха (ía=2Q°C) образцов длиной 10, 30, 60 '200 ш. Температуры нагрева образцов под закалку -В50°С л П70°С.

Результаты расчетов показала, что дал восдушнозакасЕваемых из-осостоЁких белых чугуноз температуры минимальной устэйчиюсти устенпта преодолеваются с одинаковой скоростью дта всех точек йразца независимо от температуры закалки. При идеальном охлаядв-аи скорости, соответствующие температурам минимальной устойча! ->сти аустенита, шгут очень сильно различаться для разных точек, ? они практически не зависят от ¿¡ах. - Идеальное охлавдензе и слаадениа на воздухе являются крайними случаяш.Для реальных гидах сред,(годы, масла) скорости охлазденпя долпни иметь величины, аслологеннне кедду этиш крайними значениями.

С использованием экспериментальных данных проведен анализ влияли количества и типа карбидов на прокаливаемое« сплавов с ауо-знитно-варбедяо й-структурой. Показано , что наиболее сильно сни-аот прокаливаемое» карбида цашнтитного типа, спецкалыше карты оказывают более- слабое влияние на прокаяиваэюсть.

Для комплексно-л9гированных белых чугунов с отношением V/HSr ~ 1 катодом наименьших квадратов была проведена матеыя-1чаская обработка значений отяоаенлй dttp, / diip. (м) в зависимое-t от количества карбидов в их структуре (здесь цмр,(н) - ирятя-¡екай диаметр по химическое составу иатриф).

Полученная зависимость имеет следующий вид:

Величина отношения d*p.Jdilp.(n)не завлептот фераа и размеров i талой а условий охлаждения, т.о. зависимость (4) евраводшва

pis. лз^ых деталей при закалке в разных охлаждаемых средах.

Таким образом, расчет ирокалпвао1х5сти комплексно-легированных белых чугунов (S V /$Сг - Ï) необходимо выполнять з следущей по-слсдо вателыю ста :

1. Экспериментально ели по изотерическим разрезам соответст-зуюаих диаграмм состояния определять химический состав аустенита при Ь}!хА. , а такко фазовый состав сплава при этой температуре с расчетом количества карбидов.

2. Провести расчет параметра арокаливаемости матрицы П по зависимо си: (I).

С поиэдыо ною граммы прокачиваемо сти Блантера определить db/f>.c*l для разных условий охлаздения.

4. Рассчитать chip, кошленсно-яегпроваяного чугуна ио зависимой (4).

Такая методика оценки прокалнзаеыостл колот бить использована длг. любых деталей из коиллексно-легированных белых чугунов.содер-яасуас з структуре карбида разннх типов в количестве до 30...35:5.

2-2. ШСМОВАПИВ СТГУЩШ I! СВОЙСТВ ИЗНОСОСТОЙКИХ ЕШС 45 ГУНОВ ШСОКОД ПРОКАЛИВАЙ.,ОСТИ

Поскольку очень -сильное втяние на закаливаемость и прокаливаемо с ть оказывает марганец, оптимальное содержание марганца было оценено эксперишнташшм путем для различных фиксированных кинетических условий. В ледебуритных самозакаливающихся чугунах она составляет 2,0...3,5 в чугунах с эвтекмшаш на базе специальных карбидов - на 0,5.. .1,0 ■& больше.

Износостойкие бэлца чугуни, легированные комплексами Сг+Мп и V* Сг* Мп . Исследование влияния состава на структуру и свойства хромистых чугунов проводили, изменяя содержание основных эле-мэнтов в интервалах: 2,8...3,4 %С ; 2,2...3,2#Si ; 2,3...3,6%Нп\ 4,2 /,...7,0 %Сг ; 0,2...0,93 iM \ 0,1.. Л;2 ; 0,2;..2;55m>; до Q,30 A7Ï ; до ОрШ Ш.

Шаговый ренттеноструктуриый анализ показал,что в структуре ис-елтадуеше чугунов присутствует çL -фаза (феррит шш мартенсит) и X -фага (аустешга). Из карбидных фаз преобладает карбид М7С3 . Карбиды МуСъ обогащены хромом <«16 i), марганцем ( ~ 5,0 /,) и ванадием (около 2 %). Несколько повышено по сравнению с матрицей содеряаниз молибдена в карбидах. Обращает на себ$ внимание заметная растгорлмость кремния в карбидах (до 1%).

Металлографический анализ показал,что исследуемые чугуни явля-

ся доэвтекткческкми о преобладанием в структуре эвтектики А+М/С; небольшом количестве в структуре присутствует и тройная эзтоктп-

А + И7 + MjC . Осколками матричными составлявшим:: явля.отся ртенсит и нвраспаванйся аустенят.

Прочностные свойства чугуноэ яе уступают свойства;.! высокохро -:стнх чугуяов типа (С?^360 !Ша). Особенно значительны

юяыукества разработанного чугуна по твердости и износостойкости литом состояния. Твердость отличается стабильными значениями ча »вне. 59,0...63,0 HRCg (что но уступает твердое«! ннхарда) и размерным распределением по сечению отливок. Износостойкость чугу-13 на 30...40 i визе, чем у няхарда.

Целесообразно использование чугунов .дополнительно :-юдлфл!51ро -ашых и мшеролеглоовалннх кальцием и тя таком {а. с. 123990-1), но зтупавдпх по свойствам чугунам с молибденом д ванадием.

В работе исследована возможность получения отлиеок из сплавов, }гиро ванных комплексом Cf + Нп и закаливающихся прл охла"с;е-ш в литейной сТорме. Состав чугуна изменялся в следундах предо -зх: 1,6... 3,4 %С; 5,8.. .7,1 V I 5,0...7,9 ¿>Сг ; до 4,1 % fin. ; > I.IB %3i\

Металлографический анализ показал, что в структуре малоуглеро-¿стого чугуна (1,6 ■¿С) присутствует в основном двойная эвтектя-

3 на основе УС . Особенностями такой структуры объясняются висоде механические свойства сплава (<5j = 820 1,'iïa; ЙС - 37 Дгк/см2, Î.O HROs ).

В структурах чугуяов с повыиенншл содержанием углерода прпсут-гвуюг два вида эвтектики, прячем тройная эвтектика располагается виде широкой сотки, отделяя друг от друга колония двойной эвтек-яка. Это приводит к значительному сшшзнио ударной вязкости (до 'С а 10 Дк/сы2). Результаты фрактографического анашза евддетель-гвуют о наличии на поверхности разрушения участков л вязкого, к рупкого излома.

Комплексно-легированные белые чугуна имеют гзеокуа изяосостой-зсть ухе в литом состоянии (б = 4,0...5;0). Это достигается до-таточным количеством карбидов в структуре и высокой прокативао-эстью матрицы.

Малоуглеродистые износостойки а белые чугуни,легато паннкз ко:п-ексом V+Cr + SUtiO (инструментальные сплава). Образцы из алоуглеродистих износостойких белых чугуяов всслбдовачись в ли-

04 состоянии, после отжига яри 95G°G,;îoç.ïo закалка от 1170з асле, а также после отпуска закаленных образцов при <50, Л50 и

540°С в течение часа. Химический состав исследованных сплавов ые- , нялся в следующих пределах: 1,25..,2,40 %С ; 5,60...9,50 % Сг ; 4,30...7,8 0,30.. .1,30 %Мп; 1,40... 2170 %$l i до 3,5% tía; до 1,06 %ifí ; до 0,31 % РЗЭ.

Металлографический анализ сплавов в литом состоянии показал, что з их структуре присутствуют колонии двойной эвтектики A*VC , причем аустенит при охяаздении сплавов до- комнатной температуры прэтйрпел превращение (в основном иартенситное). По границам колоний располагается тройаая эвтектика А+УС * HfC¡ , в которой аустеяит сохраняется вплоть до комнатных температур. Б зашсиюс-ти от хшшчаского состава сплава тройная эвтектика шкет располагаться дли в виде отдельных изолированных участков, или' в виде сплошной охруичкваэдей сетки, что исключает возшкность использования инструмента напосродстзенда в литом состоянии (т.о. без термической обработки) дгя работа в условиях ударного нагруяенкя.При "3 отжиге таких схшшэв охрупчиващая сетка тройной эвтектики разру-

цается, а карбида, входящие в ее состав, частично сфвроядизррувт-ся и отдашпгяся друг от друга. При нагреве под закажу происходит интенсивное растворение в аустешге карбидов Мт^з % в результа-• те закалки фиксируется структура почти исключительно с эвтектическими карбидами ванадия. 3 результате отпуска происходит в основной изменение структуры иеталлической матрицы за счет ее карбид -кого старения и превращения остаточного аустенита.

На основе данных рентгеноструктурного анализа проведен расчет количества остаточного аустенита (Atatt) в структуре сплавов на разнцх этапах их термической обработки. Количество остаточного аустенита находится в прямой зависимости oí химического . состава сплава а составляет после закалка от 23 до 54 %. После однократ -ного отпуска.количество Áoem. уменьшается в 1,2... 1,7'pasa; юо-ла двукратного - в 2...Зраза.

Количественный рентгеиоспеятральннА анализ показал, что в карбидах ванадия содержатся 65...70 %М ; 6..,7 %Сг ; до 4 %MQ ; до 'I и до 0,2 %Мп. Карбид MjCj отличается лошйвшшм оодер-ашшем гелеза (40...45 %) и хрома (30...35 %) яра содервакии. 7,..8 %V; 2,0...2,5 itini ДО 4 ; 1,0...1,3 iSl .ВисоколвМ-роваяной является а металлическая матрица: 2,0;..2,6 SV ; до 8 1,0...1,2 jSAfa; 1,0...1,3 %Мл я 2.2..,2,4 }{& . Шрошки,

ицелешшо из лише и закатёиннх еияаюв, икеютпршлерю одинаковый фазовий: состав, чте шхет бнгь следствием сашзакалки сплавов

з процесса охлаждения отливок в литейной форме (то ж относится я i химическим составам матричных фаз). Такой вывод подтверждается 1 одинаковой твердость» образцов в обои сравниваемых состояниях (57,0...61,0 ЯЦСз).

Исследуемые сплавы обладают достаточно стабильными и высокими жэйствата в литом состоянии: 6"i - до 1100 Ш!а; № - до 20 Щд/см". Оптдаальяое сочетание с со Кета достигается у сплавов, юдержащих 1,5... 1,7 %С . Теплостойкость щетруг.энтадышх сплавав вставляет <- 550.. .600°С.

' 2.3. ОЯТКШЭАЦЩ СОСТАВОВ ИЗНОСОСТОЙКИХ 4№li03 по IlPOft&MBAÄiOCTH И CTR'KTypü

Хромованадиевые чугуны. Для обеспечения dup, более 40 мм при l/d= I химический состав износостойких сатозакализающихся (зоз -дшнозакалцвшццхся) белах чугунов должен соответствовать слсдуа-¡ему условно: 3,0.'..3,5 %С\ более 5,2 %Сг; до 7,0 % V ; 2,0 ... 1,0 $Мп; до 3,5 %M<J.

Для обеспечения айр. до 40 ш при ifd. целесообразно ' ис-гользовать малоуглеродистый чугун. При этом'со дергание элементов ;олано быть следующим: 1,3,..2,0 %С более 3,5 %Сг ; до 6,0 jiV;

:,8...з,2 %Нп.

Соблюдение принципа композиционного упрочнения для хромована -Невнх чугунов с эвтекйшами А* Ну С)* VC и A+VG обес-печиза-тся при выполнении условия:

V? - )С - (2.63- 0,Шг)

В соответствии с-указанными шш уелоеляз.и: был оптимизировал остав малоуглеродистого жроадванадпевого чугуна (положительное ешение по заявке л 4362290/02).

Хромистые и модифицированные чугуны. Для обеспечения dup. до О мм im =1) необходимо иметь следущре содержание элементов: ,8...3,4 %й\ более 5,2 %Сг ; 2,0...3,5 %Нп.

Соблюдение принципа композиционною упрочнения для хромистых лгунов с эвтектикой А* М7Р3 обеспечивается лрн ишолнеклл еле-щцего условия:

Ha основании указанных шлю условий бвл оптимизирован состав ггуна о эвтектикой (а.с. Х239Э04).

Инструментальные сплавы. Дет обеспечения прокаливаешета но-¡ходимо иметь следующее содержание элементов: 1,5...2,1 0 ' ;

4,5...6,5 ЗУ; > 3,0 %£г\ до I %Ип\ до 3,5 Ио .

Дли обеспечения принципа композиционного упрочнения необхода соблюдение условия:

V.'-«с. 2

Для интенсивного протекания процесса карбидного старения «ар тенсита а остаточного аустенита при малой склонности карбидов коагуляции нслбходаа.» не только достаточное содержание в матрк сильных карбидообразуицпх элементов (V, Г/1), но и элементов, ш Бкашсвдх тер;,»динамическую активность углерода ,тИ)-

& + /¡С'¿6...2.8

В соответствии с указанными шие услоишш был оптимизирован состаз инструментального сплава (з.с. 1330202). Ярсдаонен таю состав инструментального сплава с до пшенным содержанием шлпбд« на (положительное решение ло заявке я 4305103/02). Ото лозволш довесить редущио свойства, прокаляваещеть и 'теплостойкость егш ва уяз в литом состоянии, т.е. баз термпчесвэ;! обработки.

2.4. ТЗХНОЛОП'Ш(К1Е ПРОЦЕССЫ И0ЛУЧЕШЕ ¿ШОСОСТОЗШХ ' Д5ТА1ЕЙ.Я ШСТЕУШНТА.11Р0НЗБ0ДСТ5ЕШЫЕ ПСШТАШЗ!

Разработана технология получения отливок уплотнктелышх иоле подшипникового узла опорных катков гусоянчного хода эксказатора из сашзакатававцпхся чугунов. Одним из приемлемых вариантов изг товяения отливок уплогшгсшьшх колец является литьо а сухие ра загсе {ярма (на пульвербаяелдте). Этот кетод обеспечивает достаточно высокую чистоту поверхности и соблюдение а отливке необхо дюлых: технологических размеров. Объем механической обработки этом случае минимален и сводится к шлигТоездив топцоз (до 0,5 км) и получению конусной поверхности.

В работе предложена схема полностью автоматизированного литей кого участка на основе малоотходной технологии дая изготоатешщ сгллгдк ушхшзительных колец методом стопочкой формовки в сухи: %орызх. На всех операциях технологического процесса предусмотрен: робсготехнкческие устройства, что позволяет уменьшить число обол; гиважего персонала до 10 человек. ;

Уилотнительнае кольца .изготовленные в литейной лаборатории ЕП( ЕКГЛстроЯцоркааа, П'ела равяошрнуа твердость до поверхности яац ранае а по сеченип, состааяяшув 53,0...62,0 ИЯС*, и достаточную частоту поверхности. Точность литых колец находилась в пределах допуска по технический условиям.

г;

Опытные партии уплотнителвнцх колец были установлены на трог.. эрннх каткие экскаватора 30-41213 Кэвровского экскаваторного зада. Полевые испытания, проводившиеся при транспортном пробеге скаватора 300 км, показали, что на лип« кольцах отсутствует еды коррозии, видимый износ и механические повреждения, собдвда-ся высокая герметичность уплотнения.

Для получения отливок инструмента из новых оплавон в работе пике применялось литьё по выплавляешм моделям н ллтье в сухие ¡говне формы. В зависимости от требований,, предъявляем« к шет-ыенту, использовались' две яринщшпашю раглшше технологичсс-:е схемы. Для инструмента, работающего при повшеняых ударных паузках, а тага» инструмента, требующего значительного объема кз-шческой обработки резанием, лигне заготовки подвергались от:/д-' при Э20...£80°С. В результате отнига структура сплава стековп-юь более равномерной, заметно повышалась ударнее: вязкость (до С« 23...30 Д.7/СИ и более) и ошшиесь его твердость (до 28,0... 2,0 НЦ£$), что обеспечивало возможность механической: обработка ц-отовок лезвяйшм инструментом. После »¿зханаческоЗ обработки »водилась окончательная термическая обработка, состоящая из вы-иютемпературтй закачки (1170.. Л330°С) и двукратного отпуска зи 520...56СРС (по 40 мая. хаздай), а затем да водка зяструк-зн*а шфэваниеы. После ^еркичосюй обработки в структуре сплава со-занялось 3...15 достаточного аустонята. Твердость инструмента >ставляла 62,0...65,0НЯОу .

Вторая технологическая схема изготовлешш инструмента состояла з получения точнолитой заготовки, 80 зачистки, довода: по разив-, ам о поизщьи шлифования и отпуска на вторичную твердрсть.Иястру-энт, изготовленный по этой схеме, отличается нз сколы о лонпизн -зй ударной вязкостью, но по азно со стой-лети и тэллэстойкости не ступал инструменту, подвергнутому полной тершие ской обработке а первой схеме. Такую технологическую схему гошо использовать ри изготовшши сверл и концевых фраз дшле-тром 15. ..40 ми.

Инструмент диаметром менее 15 ш яеобгодмда подвергать терми-еской обработке с целью,повышения ударной вязкости. Литой инстру-ент диаметром-более 40 ш без термической обработки лкоэт ион:: -енную твердость из-за само отпуска а процесса охлаждения от.кмк форме. Ноэтоыу для талого инструмента целесообразно использозаве первой схемы. Испытания «проведенные на Брянском заводе ирригационных ium.ii,

в

Брянстам электромеханическом заводе,'ШО ЖТИстроЦдормаы, показала ,что литой инструмент из разработанных безвольфрашвих сплавов во многих случаях может слухкть заменителем инструмента из стандартных быстрорежущих сталей. Особенно эффективно использование • таких сплавов для изготовления многолезвийного инструмента (фрез и сверл), а тахш для изготовления фасонных резцов (для станков -автоматов) и резцов для чистовой обработки деталей (в случае яе-возшгдоств применения твердых сплавов).

, 3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ЙЙЗУЛЬТАТЯ РАБОТЫ

1. Разработаны г исследовались чугуны трех групп:

- сатзакагивавдиеся износостойкие чугуны с эвтектикой на основе карбидов ^С} .используемые в качества заменителя нихарда; .

- високоизяосостойкие с ггл закали в аюдие ся комплексно-легярован-нне белне чугуны с эвтектикаыи на основе карбидов МС и М<?С$ , предназначенные для получения точнолитых деталей без термической обработки и с шшлмаяьяш объемом механической обработки;

- маюуглеродастш белне чугуны, легированные комплексом

V* Сг+Мо + и предназначенные для изготовления литого,

инструмента. Они отличаются шшненной прокаливаемостьа и. шгут бить попользована для получения с амо з акали валце го ся инструмента.

2. ¡¿езду закаливав:,'»стьн я прокаливаешстьэ сшгавов существует . прямая завасимость. Для комплексно-легированных белых чугушв исследованных составов значения предельного диаметра закаливавшего

и критического даакзтра прокаливаемости со впадав т.

3. Ирокативаешсть Рв -й -сшшшв неоднозначно зависит от содержания углерода.В сталях,содеркагузх до О.бйй и закаливаемых из гою генного аустенктного со стояния .нрокал&ваедасть пропорциональ- , на соде ржанию углерода.В сплавах, содергадих от 0,6 да 0,9 %Б , углерод сникает ирокалпвзешстъ ,что объясняется зародышваш действием михролаквацаоняас зон и карбидных вкгачоаий. Дальнейшее увеличение содержания углерода (в т.ч. а в области белых чугунов) несколько уменьшает прокалявааыость сплавов из-за отрицательного влияния карбидов на теплопроводность. .'■.■.

4. Рассчитанные а состроенные в работа разрезы диаграмм состояния тройни и более слонных систем использованы для оценка равновесного хшяческога состава аустснита при температурах на- ' грена сплавов под закалку. Растворим» сть ванадия в аустенате определена тайга непосредственно с помовда термодинамических расче - ■ -. то а. ■•..•--.

5. С использованием ЭШ проведены расчеты процессов охлаждения образцов по методу теплового моделирования.Для комплексно -легированных белых чугунов при охлаждении на воздухе температуры минимальной устойчивости аустешита преодолеваются с одинаковой скорость» дата всех точек образца независимо от температуры закалки.

6. Разработана методика расчета прокаливаемости износостойкие комплексно-легированных белых чугутв.Она заключается в том, что критический диаметр прокаливавшем этих чугунов sa» оценить, зная критический диаметр по составу матрицу а учитывая влияние карбидов я мияроликвацяоянше зон.Для расчета ырокаяиваедаси1 гомогенной стальной матрицы разработана математическая модель, учитывающая взаимовлияние компонентов,растворенных в аустените. По экспериментальным данным и результатам расчетов построена торт-кинетическая диаграмма распада аустзнита в ког-шлексно-тагировсн -ном белом чугуне. . '

7. Для обеспечения высоких механических сеоИстз и износостойкости белых чугунов в них должна сочетаться высокая прокаяпваз -кисть и янвертированнач структура, со значительным проявлением эффекта композиционного упрочнения. Эвтектические композиции а разработанных белых чугунах очршруются на основе специальных карбидов (типа МуН) ,WC) а их сочетание.

31 Разработанные мотоды оценка прокаливаешети сплавов я определения их оптимального химического состава позволяют суцэсгвелго сократить трудоемкость л длительности разработка нот« сплаяов с заранее задаваемыми свойства«.

Экономический эффект на шмент начала использования разрабо -танных сплавов ç производстве составлял:

- ог 2 w 7 тыс.рублей на I г изнашиваемых деталей;

- от 8 до 12 тыо. рублей на I т литого инструмента.

Основное содержание диссертация отратаю в следугаднх работах:

1. Само закаливающие ся белые чугуш/Г.11. Сильман, Б. Л. Остов -ский, Л.Г.Серпик к др.//toi}, листок » 141-85 Брянского ЩТ>1.

2. Получение стюзакаливающихся белых чугунов/Г.П. Сильман, Б.Л. Скловский, Л.Г. Серпик я др.// Зкспресо чшформацпя ЦЕЙГГЭ -отроймаш, 1985. - д 5. - С. 8-10.

3. Износостойкие сплавы о композиционным упрочнением/Т.П.Сидь-мая; Ю.Б. Жаворонков, Л.Г, Серпик и др.//11знос в .».жинах и иедадц завиты от него: Тзз.докл. Всесоиз^конф.-Брянск, 1985.-C.2DC-20I.

4. Сильман Г;И., Серпик Л.Г., Жаворонков Ю.В. Отливки из сааз-

закаливаздзсся белых чугуно ¿(//Ускорение научно-технического прог-т ресса в литейного производстве Дальнего. Во стока? Комсомольск - ыа-Лиура. - IS8S.-- С. Г7-ЭЭ.

5. A.c. 1259904 СССР/Ш14 С22С 37/06. Чугуя/Т.И. Силилан, Л.Г. Серник, Ю.З. Еаворонков.- Одубл. 15.02.87. Бал.» 6.

6. A.c. 1330202, Ш14 022С 38/21. Инструментальный сплав I . Г.И. Сильная, Л.Г, Серпик, 1.1.0. Фрольдав, Ю.В. Каворонкйв -Опубл. 15.06.87. Бэл. да 30.

7. О карбидообразовании в Fß-C-сплавах,содержащих ДР ESV .// Г.И. Сильман, Л.Г. Серпик, A.A. йшишенков, Н.И. Царьковская. -Брянский технологический институт. - Брянск, IS39.' - 17 о. - Два» в Чергюкшфориацва 30.03.89, а S02I.

8". Серплк Л.Г. Закаязшаешсть и прокаливаешсть белых чугу -вов//Проблемы иовкиения качества, надежности и долговечности ма-аин: Сб. науч. тр. - Брянск, IS89. - С. 69-75.

S. Снлькан Г.И., Серпик Л.Г., Жаворонков Ю.В. Белые я половая чатыа чугуны высокой прочности, износостойкости и прокаливаемо сти, Новые конструкционные стала и~сплавы и метода их обработка для ш видения надежности и долговечности изделий: Тез. докл. 17 Всеоовз научи.-техн. конф. - Запорожье, 1939. - С. I9S-I97.

10. Саяыдад Г.И., Серпик Л.Г» Износостойкие чугуны давккенной цро1хяйЕаешсти//'ЕрЕб9техника - машиностроению: Тез. доклада ЕГ Московской науч.-техн. кояф.-Москва, 1989. - С. 62.

11. Сздьмал Г.И., Серпик Л.Г. Математическая модель прокаливав' шом стало й//Поькшекка качества отливок за счет современных ¡лето' дов выплавка, легирования и термической обработки металла: 15». аауч.-^ехн. конф.Брянск, 1990. - С. 40-44. -

12. Серпик Л.Г., Грядуков С.С. Повышение долговэчнооти деталей иатн и инструмента за счет применения ыатериалов о кэшюзи -цйонным уарочнениеы//Лроблемн ыовидения качества, цадогсности' я до; гоьочности наша: Тез. докл. Всесоюз. науч.-тсхн. кон$. - Брянск, 1990. - С. 123. ,

13. Сергшк Л.Г. Свойства а дрзиеыенио сашзакаливагадася бе лых чугуноа//Техкологяческое пошшение надекноста и долговечности деталей иадяя и инструментов: Сб. науч. «р. - Брянск, .1990. -

С. 81-66. ."" " ч . ■ 'У'.'." :

14. (¡ляпш ГЛ';.,Сзрш1к Я.Г. Еовышение издасостоЕкосш белых ■•Стуков ауяан сочетания высокой прокаливдемости и композитной- . стр^ктурьу/Кзшсостойкость нашш; Тез. декя. Всесовз. иаучн.-техн, гопф. «Брянск, 1991. ■ v

16. Износостойкий сгааа. Положительное решение по "заявке л 4862290/0Я'Садьмая Г.И., Лаадак Н.Й., Жаворонков Ю.В.,Дидак Ю.П., Серпик 1.Г.

16. Инструментальный сплаз. По лови тельное решение по заявке л 4865103/0VСедьмая Г.Й., Еалдак Н.Й., Еаворонков В.В. ,Дздяс Ю.П., Серпик Л.Т.