ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР.

Предлагаемый литой твердый сплав содержит углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, медь, молибден, дополнительно содержит РЗМ и алюминий при следующем соотношении компонентов, 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.

В качестве примесей в сплаве могут присутствовать сера (до 0,03%) и фосфор (до 0,08%).

Состав сплава выбран исходя из следующих соображений.

Увеличено содержание углерода как по нижнему (3,47%), так и по верхнему (4,21%) пределам, с целью увеличения количества карбидов в структуре сплава и повышения его твердости. При этом содержание углерода скоррелировано с содержанием карбидообразующих элементов (ванадия и хрома). При содержании углерода менее 3,47% матрица (металлическая основа) сплава оказывается малоуглеродистой, что проявляется в ее плохой закаливаемости и пониженной твердости сплава. Увеличение содержания углерода более 4,21% приводит к увеличению количества карбидов М ₇С ₃ (типа Сг ₇С ₃) и снижению доли карбидов ванадияVС, что проявляется в нарушении композитного характера структуры сплава и ухудшении его механических свойств (прочности и ударной вязкости).

Снижено содержание марганца (до 1,84 по нижнему пределу и до 3,42% по верхнему пределу) с целью уменьшения количества остаточного аустенита в структуре и повышения твердости сплава. При содержании марганца менее 1,84% прокаливаемость сплава оказывается недостаточной и уже в отливках с сечением
30....40мм твердость сплава уменьшается. При повышении содержания марганца более 3,42% в структуре сплава увеличивается количество остаточного аустенита, что приводит к снижению твердости сплава.

Содержание хрома уменьшено (по нижнему пределу до 9,85%, по верхнему - до14,40%)для формирования в сплаве композитной структуры на основе карбидов ванадия, что обеспечивает высокий уровень механических свойств и износостойкости сплава. При содержании хрома менее 9,85% уменьшается общее количество карбидов, что приводит к снижению твердости сплава. При увеличении содержания хрома более 14,40% уменьшается доля карбидовVС и ухудшаются механические свойства сплава.

Принятое содержание ванадия обеспечивает преобладание в сплаве карбидовVС и композитный характер структуры. Если содержание ванадия менее 7,12%, то это условие не соблюдается. Увеличение содержания ванадия более 11,03% приводит к удорожанию сплава без повышения его свойств.

В сплаве увеличено содержание молибдена с целью повышения его прокаливаемости, особенно в толстостенных отливках (более 40 мм). При содержании менее 0,49% положительное влияние молибдена в сплаве не обнаружено. Увеличение содержания молибдена более 3,12% приводит к существенному удорожанию сплава без заметного улучшения его свойств.

В состав сплава дополнительно введены редкоземельные металлы (РЗМ) и алюминий в качестве модифицирующих и микролегирующих добавок. РЗМ измельчают структуру сплава, способствуют образованию карбидов МС (типаVС) и формированию композитной структуры на основе этих карбидов. При остаточном содержании РЗМ менее 0,02% модифицирующий эффект не проявляется. Слишком большое количество РЗМ (более 0,06%) не приводит к повышению свойств, но удорожает сплав.

Алюминий введен в состав сплава с целью его частичного раскисления и воздействия остаточного алюминия на диспергирование включений карбидных фаз, что повышает свойства сплава. При остаточном содержании менее 0,08% такое действие алюминия не проявляется. Увеличение содержания алюминия более 0,34% приводит к заметному ухудшению литейных свойств сплава и образованию в отливках газовых дефектов.

Медь и кремний содержатся в сплаве в пределах, аналогичных прототипу, и их влияние не отличается от изложенного в описании прототипа.

Сплав выплавляли в индукционной тигельной печи ИСТ-0,06 с основной хромомагнезитовой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, передельного чугуна, электродного боя, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома, феррованадия, ферромолибдена), отходов электротехнической меди и алюминия. Алюминий использовался частично и в составе модифицирующей смеси совместно с добавкой РЗМ в виде сплава ФЦМ-5. Модифицирование проводили в разливочном ковше емкостью 50 кг при температуре жидкого сплава 1520-1550°С.

Жидкий сплав разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали стандартные разрывные образцы диаметром 10 мм (типа образцов для ковкого чугуна) и пластины сечением 12х12 и 40х40 мм. Из пластин 12х12 мм изготавливали образцы для проведения испытаний на износ, ударный изгиб и на твердость, а также образцы для металлографического анализа, а из пластин 40х40 мм - образцы для определения твердости и проведения металлографического анализа. Перед испытанием образцы подвергали отпуску для снятия напряжений (200°С, 1 час).

Испытания на износ проводили трением по абразивной ленте (из корундовой шкурки) при скорости движения ее 6 м/мин и удельной нагрузке 3 МПа. Износ определяли по потере массы в процессе изнашивания. Относительную абразивную износостойкость оценивали коэффициентом

=И_э/И_м,

где Иэ и И_м-значения износа эталона и испытуемого материала соответственно.

В качестве эталона использовали образцы из стали 45 с твердостью НВ 200.

Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены в табл. 1 и 2 в сопоставлении с прототипом.

Видно, что сплав предлагаемого состава отличается от известного более высокими и стабильными значениями механических свойств, твердости и износостойкости, в частности более высокими и стабильными значениями твердости в отливках различного сечения.

При выходе за предлагаемые пределы содержаний компонентов в сплаве (сплавы 6 и 7) существенно ухудшаются его свойства: у сплава 6 - все исследуемые свойства (и появляются литейные дефекты), у сплава состава 7 - твердость и износостойкость.

Таблица 1

Химические составы сплавов

⁺⁾примечание: в состав прототипа также входят 0,21%Tiи 0,012% В.

Таблица 2

Свойства сплавов