Эвтектический сплав

/04 2 МИТЕТТКРЫТИЯ ОСУДАРСТВЕННЫИПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ ПРИ ГКНТ СССРОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 8ский инсМ. Голуб итут им. Г.В, ц и И,Б. Сте 8.8) О, ССР983,85,75 (О 59 в 11 льство 38/04, 1(54) ЭВТЕ (57) Изоб в частнос жащих и используе покрытий повышен КТИЧЕСКИИ СПЛАВ етение относится к ме и к созданию углерод-, ругих сплавов на осно мых для получения изно и легированных сплав е износостойкости и таллургии, борсодерве железа, состойких ов. Цель - твердости(56) Заявка Японии Мкл. С 22 С 37/10, 1984Авторское свидетМ 1008267, кл. С 22 С сплавов эвтектического типа системы Ре - 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- С - В - Я 1 - Сг 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, 31, 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. 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 -0,8 - 12,0 1280 С легкоплавких компонентов (чугуна имарганцесодержащего вещества), в расплав дополнительно вводят Мп, Я 1, С, а вкачестве железосодержащего, марганцесодержащего и кремнесодержащего веществиспользуют чугун марганец или ферромарганец, ферросилиций при следующем соотношении компонентов, мас. ,:Марганцесодержащеевещество (марганецили ферромарганец) 4,9 - 63,5Боросодержащее вещество (борный ангидрид,карбид бора и ферробор)Крем несодержащеевещество (ферросилиций) 4,1 - 5,5Чугун (передел ьн ыйили серый чугун) ОстальноеВ качестве борсодержащего веществаиспользуют карбид бора, ферробор или борный ангидрид. С целью получения сплава сэвтектической структурой соотношение железа и марганца в сплаве равно 1:0,02-0,95при содержании углерода 0,53 - 3,02 и бора2,06 - 4,3 мас.,4,Недостатком известных способов являются низкие износостойкость и твердостьполучаемых сплавов.Цель изобретения - повышение износостойкости и твердости сплавов эвтектического типа системы Ре - Мп-С - В - Я-Сг срегулируемыми морфологией и функциональными свойствами.Для достижения поставленной цели используют порошковые смеси системы Ре -Мп - С - В - Я - Сг, в которой существуют триэвтектики; Ре-В-С, Ре-Сг-С и Ре-Мп-С,чтосущественно расширяет область формирования сплавов со структурой эвтектики ивозможность их легирования, В системе Ре -М п-С область эвтектики определяется только содержанием углерода С (0,4 мас.).Содержание маганца не ограничено в эвтектическом сплаве, поскольку он с железомобразует непрерывный ряд твердых растворов. Область эвтектики в системе Ее - В - Сограничена содержанием углерода (1,0 - 1,5мас, ) и бора (2,9 - 3,24 мас. ). В системеРе-Сг-С эвтектика образуется при содержании Сг 8 мас.и углерода 3,6 масОбразование эвтектики системы Ре - Сг-Спозволяет получить в структуре сплава карбид СпСз, Хром также легирует у-Ге, повышая его твердость.Нагрев шихтового материала проводятдо температуры плавления легкоплавкихметаллических компонентов шихты. Приэтом в состав шихты включают элементы(Мп, С, В, Сг), образующие с железом эвтектику при температуре, меньшей температу 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 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 Ре - Мп - С - В - Я, чтобы получать сплавы заданного состава и, как следствие, с определенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами.Получение сплавов системы Ре - Мп-СВ-Я-Сг эвтектического типа исходя из систем Ре-Мп-С, Ре-Сг - С и Ре-В-С определяется содержанием железа и марганца в сплаве, соотношение которых должно составлять Ре:Мп = 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 Ре - Сг-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 создавать40 45 50 55 сплавы с необходимыми свойствами или комплексом свойств.Предлагаемый способ получения эвтектических сплавов на основе железа осуществляют следующим образом,П р и м е р 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 (Ре: Мп = 1: 0,56),П р и м е р 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: Мп = = 1: 0,62).П р и м е р 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 (Ре:Мп = 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.и 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 Ге - Мп - С - В - В - Сг, в частности, по примеру 2 (возможно 1 и 3) вводили последовательно или в определенном сочетании, Ч, Св, %, Т, А 1, ЯЬ, О/ 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 5 10 15 20 25 30 35 с определенной структурой, а следователь. но, целенаправленно регулируемыми физи. ко-механическими и эксплуатационным свойствами,Получение эвтектического сплава типа перлит - карбид системы Ре - Мп - С - В - Я и возможность его легирования, в частности, Сг и другими металлическими элементами периодической системы позволяют умень. шить содержание бора в сплаве до 1 - 3 мас.при сохранении или увеличении физико-механических и эксплуатационных свойств эвтектических сплавов.Структура получаемых сплавов системы Ре - Мп-С - В - Я - Сг состоит из эвтектики типа перлит (или аустенит) - карбид (Ре, Мп)гз (СВ)6 и у-Ее+ РеэС+ СгтСз.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. Микро- структура стали 45 после закалки и низкого отпуска состояла из мертенсита отпуска твердостью 48 - 52 НВС. Испытания проводили в индустриальном масле МИ - 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 Ее - Мп-С - В - Я - Сг при изнашивании со сталью 45 (сплав 4; Ее:Мп = 1:0,15) выше в 3 раза в сравнении с износостойкостью известного сплава, а также выше в 3 - 10 раз по сравнению с самофлюсующимися сплавами ПГ - СРЗ, ПГ - СР 4 и ПГ - 10 Н - 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 Ре - Мп - С - В - Я, 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 качестве1733494 Сплав Состав шихты, мас.Ф ИарганецметаллическийИР 2 ФерромарганецФИн 1,5 Чугун передельный чушковый коксовый ПЛ 2 А Хром металлическийХ 98,5 Карбидбора Углерод ОстальноеТо же 1,2 3,0 21,7 0,6 5,0 г 4 н Известныи сплав 6ПГ-СР 3ПГ-СР 4ПГОН4,Э ГОСТ 21448-75То жеТУ 48-1 У-84 Продолжение таолицы 1Температура ли-видуса сплава,Сплав Ферросилиций Железо Ферробор ФБ 1200 12001200 1200 1200 1250 1250 1250 1250 1250 5,1 7,8 4,2 3,8 4,0 13,3 273 1200 1250 легирующих добавок всех металлических элементов периодической системы, в частности Сг, 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 ющ и й с я тем, что, с целью повышения 6 12,0 65,5ПГ-СРЗПГ-СР 4ПГН"01 износостойкости и твердости, он дополнительно содержит марганец и хром при следующем соотношении элементов, мас,ф,:Углерод 0,58 - 3,2 5 Бор 1,54 - 2,8Марганец 38 - 332Кремний 2,1 - 4,3Хром 7,3 - 11,2Железо Остальное 10 причем соотношение Ге:Мп составляет1:0,05 - 0,83. Предлагаемый сплав43,0 12,030,0 8,015,0 10,516,5 10,55,6 10,5 Темпера, тура плавления легкоплавкихкомпонен-тов, С1733494 10 Продолжение таблицы Состав сплава, мас.Ф Сплав 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 ОстальноеТо же6ГГ-СР 3ПГ-СР 4ПГН-Ц 1 0,53 3,0 3,4 2,4 0,005 0,004 Продолжение таблицы Сплав Соотношеие в сплаве жеИзнос, х 10 кг/м 2 ч Коэффициентпары тре, ния вала вкладыша трения леза и марганца 1: 0;56 1:0,62 1:0,37 1:0,15 1:0,05 23355 55556 6900 43210 13270 18519 2654 9259 51486 49383 6ПГ-СР 3ПГ-СР 4ПГН1:0,04 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, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 2345 2 3 4 5 48-56 51-62 54-60 58-7058-65 52-58 54-55 54-58 52-54 2,8 4,3 2,3 2,1 2,2 11,27,310,010,010,0 78911 50110 31789 11913 100869 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,07 О,ОЬ 0,11 0,08 0,08 0,08 0,07 0,07 0,08 0,02 0,02 0,02 0,02 0,02