Эвтектический сплав

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к созданию углерод-, борсодержащих и других сплавов на основе железа, используемых для получения износостойких покрытий и легированных сплавов. Цель - повышение износостойкости и твердости сплавов эвтектического типа системы Fe - Мп -C-B-Si-Crc регулируемыми морфологией и функциональными свойствами: Сущность изобретения состоит в нагреве шихтового материала до температуры плавления 1250-1280°С легкоплавких металлических компонентов шихты (чугуна и марганецсодержащего вещества). При этом в состав шихты дополнительно вводят Mn, Si, С, Сг, а в качестве железосодержащего , марганцесодержащего, кремнесодержащего веществ используют чугун, марганец или ферромарганец, ферросилиций , хром металлический. В качестве борсодержащего вещества используют карбид бора или ферробор. С целью получения сплава с эвтектической структурой соотношение железа и марганца в сплаве равно 1:0,05 - 0,83 при содержании, мас.%: углерод 0,58 - 3,2; бор 1,54 - 2,8; хром 7,3-11,2; марганец 3,8-33,2; кремний 2,1 -4,3; железо остальное. 1 табл. (Л С

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 22 С 38/04

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4727509/02 (22) 24.05.89 (46) 15.05.92. Бюл. ¹ 18 (71) Физико-механический институт им. Г.В, Карпенко (72) M.È; Пашечко, B.M. Голубец и И,6. Стефан ишин (53) 669.15 — 018.2:621.785,75 (088.8) (56) Заявка Японии N 59 — 116160, кл. С 22 С 37/10, 1984, Авторское свидетельство СССР

N1008267,,кл. С 22 С 38/04, 1983. (54) ЭВТЕКТИЧЕСКИЙ СПЛАВ (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к созданию углерод-, борсодержащих и других сплавов на основе железа, используемых для получения износостойких покрытий и легированных сплавов. Цель— повышение износостойкости и твердости сплавов эвтектического типа системы Fe — Мп—

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам создания углерод-, борсодержащих и других сплавов на основе железа, используемых для получения износостойких покрытий и легированных сплавов.

Известен способ получения борсодержащего сплава на основе железа, включающий приготовление борсодержащей добавки, плавление основного металла с введением добавки и охлаждение расплава, С целью повышения содержания бора в сплаве и степени его усвоения расплавом в качестве борсодержащей добавки используют смесь карбида бора с ферробором, расплав охлаждают до температуры ликвидуса. Ж,„, 1733494 А1 — С вЂ”  — Si — Cr с регулируемыми морфологией и функциональными свойствами; Сущность изобретения состоит в нагреве шихтового материала до температуры плавления 1250 — 1280 С легкоплавких металлических компонентов шихты (чугуна и марганецсодержащего вещества). При этом в состав шихты дополнительно вводят

Мп, Si, С, Cr, а в качестве железосодержащего, марганцесодержащего, кремнесодержащего веществ используют чугун, марганец или ферромарганец, ферросилиций, хром металлический. B качестве борсодержащего вещества используют карбид бора или ферробор, С целью получения сплава с эвтектической структурой соотношение железа и марганца в сплаве равно

1:0,05 — 0,83 при содержании, мас.%: углерод 0,58 — 3,2; бор 1,54 — 2,8; хром 7,3 — 11,2; марганец 3,8 — 33,2; кремний 2,1 — 4,3; железо остальное, 1 табл. сплава и осуществляют 3 — 5-кратное термоциклирование в интервале температур

1250 — 1500 С с выдержкой при граничных значениях температуры в течение 0,5-5 мин, Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения эвтектических сплавов на основе железа, включающий расплавление железосодержащего материала. ввод борсодержащего материала, выпуск и затвердевание расплава. С целью получения сплава эвтектического состава, повышения его износостойкости и снижения себестоимости шихту нагревают до температуры плавления — 1250—

1733494

0,8 — 12,0

1280 С легкоплавких компонентов (чугуна и марганцесодержащего вещества), в расплав дополнительно вводят Mn, Si, С, а в качестве железосодержащего, марганцесодержащего и кремнесодержащего веществ используют чугун марганец или ферромарганец, ферросилиций при следующем соотношении компонентов, мас. /:

Марганцесодержащее вещество (марганец или ферромарганец) 4,9 — 63,5

Боросодержащее вещество (борный ангидрид, карбид бора и ферробор)

Крем несодержащее вещество (ферросилиций) 4,1 — 5,5

Чугун (передельный или серый чугун) Остальное

В качестве борсодержащего вещества используют карбид бора, ферробор или борный ангидрид. С целью получения сплава с эвтектической структурой соотношение железа и марганца в сплаве равно 1:0,02-0,95 при содержании углерода 0,53 — 3,02 и бора

2,06 — 4,3 мас., Недостатком известных способов являются низкие износостойкость и твердость получаемых сплавов.

Цель изобретения — повышение износостойкости и твердости сплавов эвтектического типа системы Fe — Mn-С вЂ”  — Si-Cr c регулируемыми морфологией и функциональными свойствами.

Для достижения поставленной цели используют порошковые смеси системы Fe—

Mn — С вЂ”  — Si — Cr, в которой существуют три эвтектики; Fe —  — С, Fe-Cr-С и Fe — Mn — С, что существенно расширяет область формирования сплавов со структурой эвтектики и возможность их легирования, В системе Fe—

М п-С область эвтектики определяется только содержанием углерода С (0,4 мас. ).

Содержание маганца не ограничено в эвтектическом сплаве, поскольку он с железом образует непрерывный ряд твердых растворов. Область эвтектики в системе Fe —  — С ограничена содержанием углерода (1,0 — 1,5 мас. O) и бора (2,9 — 3,24 мас. ). В системе

Fe-Cr-С эвтектика образуется при содержании Сг 8 мас. и углерода 3,6 мас.-" .

Образование эвтектики системы Fe — Cr-С позволяет получить в структуре сплава карбид СгтСз, Хром также легирует у-Fe, повышая его твердость.

Нагрев шихтового материала проводят до температуры плавления легкоплавких металлических компонентов шихты. При этом в состав шихты включают элементы (Mn, С, В, Cr), образующие с железом эвтектику при температуре, меньшей температу5

55 ры получения сплава. В качестве легкоплавких шихтовых материалов используют серый чугун, чугун передельный, марганец металлический и ферромарганец, в качестве источника атомов бора — карбид бора и ферробор, атомов хрома — хром металлический.

При наличии в шихте компонентов (кроме легкоплавких), температура плавления которых выше температуры получения сплава, в частности хрома, происходит частичное расплавление шихты. В этом случае образовавшийся расплав как бы обволакивает нерасплавившиеся частицы шихты (хрома), значительно интенсифицируя их диффузионное перераспределение по объему жидкой фазы. Предлагаемый способ исключает необходимость отдельного (обязательного) приготовления эвтектического сплава, а условия его получения заложены в состав компонентов порошковой шихты и режим последующей обработки металлических изделий наплавкой различными способами, в частности наплавкой при печном нагреве и нагреве ТВЧ, центробежной биметаллизацией с нагревом ТВЧ, наморгживанием, газоплазмен ной и плазменной наплавкой, импульсным упрочнением и др, Состав шихтовых материалов может быть различным в зависимости от того, какими элементами необходимо легировать базовый сплав Fe — Mn — С вЂ”  — Si, чтобы получать сплавы заданного состава и, как следствие, с определенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Получение сплавов системы Fe — Mn-СВ-Si Cr эвтектического типа исходя из систем Fe-Мп-С, Fe-Cr — С и Fe-В-С определяется содержанием железа и марганца в сплаве, соотношение которых должно составлять Fe:Mn = 1; 0,05-0,83 при содержании углерода и бора не менее 0,58 и 2,6 мас. соответственно, С целью получения в сплаве эвтектики Fe Ñã-С содержание хрома должно составлять 7,3 — 11,2 мас. при содержании углерода 3,6 мас. .

При запредельных значениях содержания элементов сплавы с эвтектической структурой не образуются.

Звтектическая структура позволяет получать композиционные дисперсионноупрочненные сплавы с оптимальным сочетанием твердости и пластичности, обусловленным наличием матричной более пластичной и армирующих высокопрочных фаз, соотношение которых можно целенаправленно изменить. Указанные свойства и возможность легирования эвтектического сплава металлическими элементами периодической системы позволяют создавать

1733494

50

55 сплавы с необходимыми свойствами или комплексом свойств.

Предлагаемый способ получения эвтектических сплавов на основе железа осуществляют следующим образом.

Пример 1. Шихту, содержащую, мас. . чугун передельный 35,7; марганец металлический 43,0; карбид бора 13,2; углерод 1,2; ферросилиций 5,1; хром 12,0, помещают в тигель и подвергают нагреву в индукционной печи до расплавления чугуна и марганца (1250 С), выдерживают 2 мин, затем охлаждают (Fe: Мп = 1: 0,56).

Пример 2. Шихту, содержащую, мас, : чугун пределный 18,9; марганец металлический 30,0; ферромарганец 21,7; ферробор 13,6; ферросилиций 7,8; хром 8,0, помещают в тигель и подвергают нагреву в индукционной печи до расплавления чугуна, ферромарганца и марганца (1250 С), выдерживают 2 мин, затем охлаждают(Ре: Mn =

= 1: 0,62).

Пример 3. Шихту, содержащую, мас. : чугун передельный 74,5; марганец металлический 5,6, карбид бора 5,4; ферросилиций 4,0; хром 10,5, помещают в тигель и подвергают нагреву в индукционной печи до расплавления чугуна и марганца (1250 С), выдерживают 2 мин, затем охлаждают (Fe:Mn = 1:0,05), Данные по примерам 1 — 3 представлены в таблице.

При необходимости получения электродов для ЭИО расплав разливают в специальные формы, при получении порошковых материалов распыляют, в случае создания покрытия наносят на поверхность детали наплавкой, напылением, электроискровым легированием, намораживанием и др. способами. Возможность уменьшения концентрации углерода в сплаве до 0,58 мас. u более позволяет использовать его при плазменной наплавке в защитной атмосфере аргона деталей диаметром более 30 мм.

Увеличение содержания углерода вызывает появление трещин в наплавленном слое.

С целью изучения возможности расширения номенклатуры легирующих элементов для создания сплавов эвтектического типа с регулируемыми морфологией и функциональными свойствами в указанный состав шихты системы Fe — Mn — С вЂ”  — Si — Cr, в частности, по примеру 2 (возможно 1 и 3) вводили последовательно или в определенном сочетании, V, Cu, Ni, Ti, Al, Sb, W и др. металлические элементы периодической системы в широком интервале концентраций, В результате реализации указанных в примере режимов были получены эвтектические сплавы типа перлит(аустенит) — карбид

40 с определенной структурой, а следовательно, целенаправленно регулируемыми физико-механическими и эксплуатационнblMv свойствами.

Получение эвтектического сплава типа перлит — карбид системы Fe — Mn — С вЂ”  — Si u возможность его легирования, в частности, Cr и другими металлическими элементами периодической системы позволяют уменьшить содержание бора в сплаве до 1 — 3 мас. при сохранении или увеличении физико-механических и эксплуатационных свойств эвтектических сплавов.

Структура получаемых сплавов системы

Fe — Mn-С вЂ”  — Si — Cr состоит из эвтектики типа перлит (или аустенит) — карбид ((Fe, Мп)гз (C>B)e) и Fe+ РезС+ СпСз.

Износные испытания проводили по схеме вал — вкладыш. На вал наносили методом плазменной наплавки в защитной атмосфере эвтектический слой толщиной не менее

0,5 мм, а вкладыш использовали из закаленной и низкоотпущенной стали 45. Микроструктура стали 45 после закалки и низкого отпуска состояла из мертенсита отпуска твердостью 48 — 52 HRC. Испытания проводили в индустриальном масле МИ вЂ” 20. Режимы испытаний: удельная нагрузка 4 МПа, скорость скольжения 0,4 м/с, путь трения

1440 м. Относительная ошибка при определении износа образцов гравиметрическим способом не превышала 12/. Как видно из результатов испытаний (см.таблицу), износостойкость эвтектических сплавов системы

Fe — Мп-С вЂ”  — Si — Cr при изнашивании со сталью 45 (сплав 4; Fe:Ìn = 1:0,15) выше в 3 раза s сравнении с износостойкостью известного сплава, а также выше в 3 — 10 раз по сравнению с самофлюсующимися сплавами

Пà — СРЗ, Пà — СР4 и Пà — 10Н вЂ” 01. Повышение содержания углерода и марганца или понижение марганца в сплаве приводят к уменьшению износостойкости сплавов.

Твердость предлагаемых сплавов превышает твердость известных (см таблицу).

Предлагаемый эвтектический сплав на основе железа обеспечивает возможность использования широкой номенклатуры легирующих элементов для бороуглеродистых сплавов. Определив базовую систему компонентов Fe — Mn — С вЂ”  — Si, позволяющую формировать эвтектический сплав, можно вводить в состав шихты все металлические элементы периодической системы. При этом степень легирования и связанные с ней структура и фазовый состав сплава оп,ределяются характером взаимодействия легирующего элемента с компонентами шихты при формировании структуры сплава. В результате использования в качестве

1733494!

Сплав

Состав шихты, мас.Ф

Иарганец металлический

ИР2

Ферромарганец

ФИн 1,5

Чугун передельный чушковый коксовый

ПЛ 2А

Хром металлический

Х 98,5

Карбид бора

Углерод

Остальное

То же

1,2

3,0

21,7

0,6

5,0

5 4

Известный сплав

ПГ-СР3

ПГ-СР4

ПГ-1ОН-01

4,9

ГОСТ 21448-75

То же

ТУ 48-19-383-84

Продолжение таблицы

1 ! Температура ли;;» видуса сплава, С

Сплав

Ферросилиций

Железо

Ферробор ФБ

1200

1250

5,1

7,8

4,2

3,8

4,0

13,6

13,3 27,3

4,1

1200

1250 легирующих добавок всех металлических элементов периодической системы, в частности Cr, возможно получение сплавов эвтектического типа с регулируемыми морфологией и функциональными свойствами, отличающихся от известных борсодержащих сплавов на основе железа.

Формула изобретения

Э втектический сплав, содержащий углерод, бор, кремний и железо, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения

6 12,0 65,5

ПГ-С 3

ПГ- СР4

ПГ-10Н- 01 износостойкости и твердости, он дополнительно содержит марганец и хром при следующем соотношении элементов, мас,7;:

Углерод 0,58 — 3,2

5 Бор 1,54 — 2,8

Марганец 3,8 — 33,2

Кремний 2,1 — 4,3

Хром 7,3 — 11,2

Железо Остальное

10 причем соотношение Fe:Mn составляет

1:0,05 — 0,83.

Предлагаемый сплав

43,0 12,0

30,0 8,0

15,0 10,5

16,5 10,5

5,6 10,5

Темпера, тура плавления лег-! коплавких

KOMllGHeH

l тов, С !

1733494

Продолжение таблицы

Состав сплава, мас.Ф

Сплав

Cr

Г1п

Si.J

2 9 1 54 29 3

0 58 2,8 33,2

3,2 2,6 10,2

0,8 2,8 11,2

3,2 2,8 3,8

Остальное

То же

«!!»

l! ! !

Ilr СР3

ПГ-СР4

ПГ-10Н-01

0,53 3,0 3,4

2,4

0,005 0,004

Продолжение таблицы

Спю!г в

Соотношее в сплаве жеHRC

Износ, х 10 кг/м2 ч

Коэффициент пары треI ния вала вкладыша трения

f леза и марганца

23355 55556

6900 43210

13270 18519

2654 9259

51486 49383

1:0,04

52-58

54-55

54-58

52- 4

7962 30864 38826

7962 18519 26481

1062 18519 19581

26539 18519 45058

ЬО

Составитель Г,Дудик

Техред М,Моргентал

Корректор Э.Лончакова

Редактор А,Огар

Заказ 1641 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

2

4

3

6

ПГ-СР3

ПГ-СР4

ПГ-108-01

1: 0;56

1:0,62

1:0,37

1:0,15

1:0,05

48-56

51-62

54-60

58-70

58-65

2,8

4,3

2,3

2,1

2,2

11,2

7,3

10,0

10,0

10,0

78911

31789

11913

100869

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

0,07

0,06

0,11

0,08

0,08

0,08

0,07

О, 0-7

0,08

0,02

0,02

0,02

0,02

0,02