CC BY
53
новое в металлургии
УДК 669.131.2:621.78
Разработка инструмента из белого чугуна без применения специального легирования
В. К. Афанасьев, А. В. Кольба
Введение
Современные инструментальные материалы создают в основном благодаря усложнению их химического состава и обработки. Высшее достижение в области стального режущего инструмента — быстрорежущие стали. Их высокие свойства обеспечиваются комплексным легированием дорогостоящими элементами: вольфрамом, молибденом, ванадием, хромом, кобальтом и др. Термическая обработка таких сталей — сложный технологический процесс, в котором применяются соляные и щелочные ванны, многоступенчатые нагревы и охлаждения, высокие температуры нагрева под закалку.
Задачи создания ресурсосберегающей технологии получения инструмента, снижения его стоимости обусловливают поиск и разработку альтернативных сплавов. В инструментальной промышленности существует концепция повышения содержания углерода в быстрорежущих сталях и других сплавах, так как этот недорогой элемент благоприятно сказывается на режущих свойствах. Иногда применяется легирование азотом. Снижение себестоимости быстрорежущих сталей возможно при исключении деформации из процесса их обработки. Литые быстрорежущие стали могут обладать более высокой твердостью и теплостойкостью по сравнению с деформированными. Они лишь немного уступают деформированным по прочностных свойствам и ударной вязкости из-за более развитой карбидной неоднородности.
Чугун дешевле, чем сталь, обладает хорошими литейными свойствами, имеет сравнительно невысокую температуру плавления. Попытки его использования в качестве материала для литого режущего инструмента зачастую заканчивались неудачей или теряли актуальность.
Свойства доменного чугуна определяют выделения графита [1]. Они значительно ухудшают твердость, прочность, жаропрочность,
износостойкость, коррозионную стойкость, жаростойкость и др. О возможности удаления графита из чугунных отливок без специального легирования упоминал еще в 1898 году А. Ле-дебур [2]. Для обработки материалов применяется специальный чугун, из которого графит удален с помощью карбидообразующих элементов (хрома, ванадия, вольфрама и др.). Так называемые малоуглеродистые комплексно-легированные белые чугуны для режущего инструмента содержат: углерод — 1,6-2,0 % масс.; кремний — 1,4-2,3 % масс.; марганец — 0,30,8 % масс.; хром — 6,5-7,5 % масс.; ванадий — 5,5-7,0 % масс.; молибден — до 3,5 % масс. [1]. Комплексно-легированные инструментальные хромованадиевые чугуны имеют следующий химический состав: углерод — 3,5-3,9 % масс.; кремний — до 1,0 % масс.; марганец — 0,6-0,8 % масс.; хром — 17,0-18,0 % масс.; ванадий — 6,0-8,0 % масс. [1]. Чугун может обладать более высокими режущими свойствами, чем большинство инструментальных сталей, в том числе и быстрорежущие, но это достигается введением большого количества дорогостоящих элементов, необходимого для повышения износостойкости и теплостойкости (до 50 % масс.). Несмотря на то что такой специальный чугун имеет более высокие режущие свойства, чем быстрорежущая сталь, его использование для выпуска инструмента многоцелевого назначения сдерживается следующими причинами: высокой стоимостью, сложным химическим составом, очень низкой способностью к пластической деформации, низкими прочностными свойствами и ударной вязкостью. В связи с этим является актуальным усовершенствование составов и обработки инструментальных чугунов.
Разработка способов обработки расплава
Белые инструментальные чугуны выплавляют в дуговых или индукционных электропечах. Плавка ведется методом переплава
новое в металлургии
без активных металлургических вмешательств. В качестве шихты может использоваться как доменный чушковый чугун и ферросплавы, так и лом быстрорежущей стали, в расплав которого после модифицирования редкоземельными металлами и окислами вводят различные науглероживатели для увеличения содержания углерода.
Как известно, фтор-, кислород- и углерод-содержащие веществ используются для обработки расплава чугунов [3, 4]. Эти вещества могут быть эффективны в составе модификаторов для измельчения структурных составляющих и для улучшения механических свойств чугунных отливок. Кроме воздействия на химический состав расплава, существуют и другие факторы, с помощью которых можно повлиять на его свойства. Для получения специального высококачественного железоуглеродистого сплава применяют многократное изменение температуры расплава [5].
Разработки по получению литого режущего инструмента из нелегированного белого чугуна и предварительные испытания этого инструмента проводятся сотрудниками кафедры физики металлов и новых материалов Сибирского государственного индустриального университета (СибГИУ) под руководством д-ра техн. наук профессора В. К. Афанасьева [5-11].
В условиях различных предприятий (Западно-Сибирского металлургического комбината, Кузнецкого машиностроительного завода, Юргинского машиностроительного завода, ЗАО «Томский инструмент») были отработаны различные режимы получения высоких свойств доменного чугуна с помощью высокотемпературной циклической обработки (ВТЦО). После такой обработки при последующей кристаллизации с любой скоростью графит в чугуне не образуется. Химический состав, объемная доля цементита и твердость у доменного чугуна производства ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» после переплава с применением указанной обработки приведены в табл. 1, 2. В составе полученного чугуна присутствуют небольшие содержания хрома, никеля, меди и ванадия (доли процента), так как на этом предприятии выпускается природнолегированный доменный чугун, в состав которого эти элементы входят в виде постоянных примесей.
Термоциклическая обработка расплава позволяет получить у чугунных отливок без специального введения карбидообразующих элементов (Сг, Мп, V и др.) перлито-ледебу-ритную структуру без выделений графита,
Таблица 1
Химический состав белого чугуна для режущего инструмента, % масс.
Эле- Проба
мент 1 2 3 4 5 6
С 4,000 4,000 4,300 4,300 4,200 4,250
Мп 0,240 0,240 0,240 0,240 0,230 0,230
81 0,160 0,170 0,190 0,220 0,240 0,210
Р 0,060 0,062 0,068 0,070 0,065 0,068
8 0,030 0,035 0,030 0,028 0,023 0,023
Сг 0,250 0,250 0,230 0,230 0,210 0,160
N1 0,060 0,060 0,060 0,060 0,060 0,060
Си 0,020 0,020 0,020 0,020 0,020 0,020
V 0,040 0,040 0,040 0,039 0,039 0,039
Таблица 2
Влияние условий кристаллизации на твердость и объемную долю цементита в белом нелегированном чугуне
Способ кристаллизации Размер отливки (длина 1 х ширина Ь х высота Н), мм Твердость ЫИС Объемная доля цементита ¥и, %
В стальном кокиле 0 25, Н = 300 52-53 72
В земляной форме 25 х 40 х 200 50-52 67
В земляной форме 40 х 130 х 240 50-51 58
В оболочковых 125 х 16 х 21 51-52 69
формах для токар-
ных резцов
В оболочковых 50 х 20 х 15 52-54 74
формах для ножей наборных фрез
Таблица 3
Влияние обработки расплава на количество графита и механические свойства серого чугуна
Способ модифицирования Объемная доля графита, % Предел прочности МПа Предельная степень пластической деформации до раз-рушения, %
Смесь*, содержащая коллоидно-графитовый препарат 25% и порошок меди с размером частиц 2-10 мкм — остальное, в количестве 0,5% от веса шихты 12,3 180 17
Политетрафторэтилен (£2^4) в количестве от массы расплава, %: 0,10 0,25 0,30 4,6 2,2 0 340 362 403 40 44 50
* Известный способ. ** Предлагаемый способ.
Таблица 4
Влияние обработки расплава шлаком производства синтетического силумина на твердость передельного чугуна (заливка в медный кокиль)
Содержание реагента, % от массы расплава Твердость НВ, МПа Содержание реагента, % от массы расплава Твердость НВ, МПа
0,5 330-340 3,0 480
1,0 350-360 3,5 525-535
1,5 400-420 4,0 540-550
2,0 440-450 4,5 560
2,5 440
Таблица 5
Влияние обработки расплава на механические свойства доменного чугуна
Способ модифицирования Количество мо-дифика-тора, % от массы расплава Предел прочности св> МПа Твердость НВ, МПа
Смесь* (окалина железа 45-50%, карбид кальция 10-15%, плавиковый шпат 5-10%, карбид кремния или его шлам — остальное) 1 240-260 205-214
Шлак** производства синтетического силумина * Известный способ. ** Предлагаемый спос МёО — 2,5% масс.; А12О3 8102-42,7% масс.; 81 — 14, 0,5 1,0 1,2 об. Хими -8,1% мас 0% масс.; 393 387 420 !еский сост с.; ТЮ2-1,Г А1 — остал 445 420 450 ^ав шлака: '% масс.)\; ьное.
твердость и прочность уровня специальных износостойких чугунов (ИИС 50-57, предел прочности св = 500 МПа, предел текучести Со 2 = 408 МПа). Кроме термоциклической разработаны и запатентованы другие способы обработки чугунного расплава. Обработка расплава полимером тетрафторэтилена также позволяет удалить выделения графита
из доменного чугуна — получить без введения дорогостоящих карбидообразующих элементов чугун с ледебуритной структурой и повысить временное сопротивление разрыву со 180 до 400 МПа и предельную степень пластической деформации до разрушения с 17 до 50 % для отливок (табл. 3). Обработка расплава шлаком производства синтетического силумина позволяет увеличить твердость доменного чугуна со 180 до 450 ИВ при достижении прочности Св = 420 МПа (табл. 4, 5). Инструмент кристаллизовался в оболочковых формах для средних токарных проходных упорных резцов (ГОСТ 18879-73) и ножей для наборных фрез (ГОСТ 24359-80).
Разработка режимов термической обработки
Разработаны режимы термической обработки, исключающие трещинообразование нелегированного белого чугуна при нагреве и охлаждении. После обработки в этих режимах твердость рассматриваемого материала может превышать твердость закаленного инструмента из полутеплостойких и быстрорежущих сталей. Отжиг способен привести к уменьшению, а закалка — к увеличению микротвердости цементита или металлической матрицы примерно на 2000-3000 МПа (табл. 6, рис. 1) и макротвердости до 65-67 ИИС. Показаны возможности широкого варьирования состава и свойств чугунного инструмента по сечению. После отжига или закалки отливок из нелегированного белого чугуна зафиксировано уменьшение объемной доли эвтектического цементита без образования графита, а также изменение его микротвердости.
С помощью многократной закалки от 1000 °С в разработанной среде, не вызывающей тре-щинообразования, — кипящем водном растворе карбамида и медного купороса — получено наиболее значительное уменьшение объемной доли хрупкой структурной
Таблица 6
Влияние отжига на объемную долю цементита, микротвердость и твердость отливок из белого нелегированного чугуна
Отливка Температура отжига, Выдержка, ч Микротвердость Иа Объемная доля цементита Уц, % Твердость ИИС
Цементит Перлит
Проба 0 25 мм, высота Без отжига - 7130 3170 73 51 -52
к = 300 мм (кристалли- 700 48 - - 54 50 -51
зация в стальном 900 48 5840 2520 65 49
кокиле) 1000 30 4120 2440 42 33 -34
Проба Без отжига - 7320 2960 58 50 -52
40 х 130 х 240 мм 700 48 6440 3670 82 50 -51
(кристаллизация 900 48 6130 2860 77 48 -50
в земляной форме) 1000 48 6600 3060 58 47 51
1130 24 9460 2600 - 30 -35
новое в металлургии
10 000 п
9 000-
£
8 000-
7 000-
% 6 000-
| 5 000-
4 000-
3 000-
2 000
0 15 30 45 60 75 90
Время выдержки при температуре под закалку, мин
Рис. 1. Влияние отжига (1000 °С, 6 ч) с последующей закалкой (900 °С, кипящая вода) на микротвердость резцов из белого нелегированного чугуна: 1 — цементит; 2 — основа
а)
Уц, %
Твердость НЕС 75 С
70
65-
60 -
55-
50
0
10 15
Количество циклов
20
составляющей — эвтектического цементита (с 73 до 51 % после 1 цикла и до 27 % после 20 циклов) при отсутствии графита или его наличии в небольшом количестве (7 % после 20 циклов). Результаты уменьшения объемной доли эвтектического цементита приведены на рис. 2, 3 и в табл. 7. В закаленном состоянии малые резцовые пластины из высокоуглеродистого (4,25 % углерода) нелегированного белого чугуна режут стекло и имеют твердость как у некоторых металлокерамических твердых сплавов (ВК8В, ВК10, ВК15, ВК20, ВК25, Т5К12В, ТТ7К12) — 67-70 ИИС (до 85-87 ИИА).
Получены результаты самозакаливаемости нелегированного белого чугуна. Многократное охлаждение на воздухе от 1000 °С приводит к увеличению твердости резцов с 51-52 до 54-56 ИИС, ножей наборных фрез — с 52-53 до 56-57 ИИС, а при закалке от 1100 °С твердость последних возрастает до 57-60 ИИС (табл. 8). Такие же значения твердости зафиксированы у быстрорежущих и у некоторых других высоколегированных инструментальных сталей, охлажденных на воздухе с высоких температур.
б)
Уц, %
Твердость НЕС 75
70 65 60 55 50 45 40 -35 -30 -
25 0
10 15
Количество циклов
20
Рис. 2. Влияние термоциклической обработки на объемную долю цементита Уц и твердость резцов из белого нелегированного чугуна в условиях разных режимов: а — 900 °С, 20 мин:
1, 3 — твердость ИИС; 2, 4 — объемная доля цементита; 1, 4 — охлаждение в масле при 90°С; 2, 3 — охлаждение на воздухе;
б — 1000 °С, 20 мин, кипящий водный раствор (медный купорос — 0,5 % масс.; карбамид — 0,3 % масс.): 1 — твердость ИИС; 2 — объемная доля цементита
1
2
¡1
г
Рис. 3. Микроструктура инструмента из передельного доменного чугуна (закристаллизованного в оболочковой форме для токарных резцов) без обработки расплава (а), после обработки расплава (б — г). х300 (масштаб 1:12): а, б — без термической обработки; в — 1000 °С, 20 мин, кипящая вода, 15 раз; г — 900 °С, 20 мин, масло (90 °С), 15 раз
Таблица 8
Влияние многократной закалки на воздухе на твердость режущего инструмента из белого нелегированного чугуна
Количество Твердость НИС
циклов резцов ножей
наборных фрез
1000 С 1100 С 1000 С 1100 С
0 51-52 51-52 52-53 52-53
1 51-52 45-46 53-54 51-52
2 52-53 41-42 56-57 54-56
3 54-56 41-42 56-57 57-60
4 54-56 40-41 56-57 57-60
Примечание. 1 цикл: 1 ч, воздух.
Таблица 9
Влияние температуры и среды охлаждения при отпуске (время отпуска — 1 ч) на твердость закаленных (900° С, 1 ч, охлаждение в кипящей воде) резцов из белого нелегированного чугуна )
Температура отпуска, Твердость НИС после охлаждения
в кипящей воде на воздухе с печью
Без отпуска 64-66 64-66 64-66
300 63-64 64-66 63-65
400 61-62 63-64 63-64
500 60-61 61-63 61-63
600 57-58 55-58 54-57
700 51-52 50-52 49-51
Таблица 7
Влияние многократной закалки на твердость, объемную долю цементита и графита белого нелегированного чугуна
Отпуск при температурах 300-400 °С не приводит к значительному уменьшению твердости закаленного инструмента из нелегированного белого чугуна (табл. 9). После трехкратного отпуска при 550 °С, применяемого для быстрорежущей стали Р6М5, у нелегированного белого чугуна получена твердость 59-61 НИС, характерная для полутеплостойких сталей (Х6ВФ, 85Х6НФТ, Х12, Х12М) после окончательной термической обработки (табл. 10). Значения свойств и уровни стоимости износостойких материалов приведены в табл. 11, 12.
Таблица 10
Влияние закалки (900 °С, 1 ч, кипящая вода) с последующим отпуском на твердость резцов из белого нелегированного чугуна
Режим отпуска Твердость НИС
Без термообработки 50- -52
Без отпуска 64- 66
550 °С, 1 ч, воздух 62- -63
550 °С, 1 ч, воздух (3 раза) 59- -61
550 °С, 1 ч, воздух (3 раза) + 51- 53
+ 620 °С, 4 ч, воздух
Апробация
Рассмотрены перспективы применения литого режущего инструмента из нелегированного белого чугуна. в перспективе можно использовать чугунный инструмент (в виде пластин) вместо инструмента из стали ХВ5 для обработки твердых изделий, например, отбеленных чугунных валков, термообработанных сталей с малыми скоростями резания. Отпуск при 550 °С приводит к уменьшению твердости пластин до 57-58 НИС, то есть до уровня твердости не-термообработанных. В перспективе можно заменить не только сталь ХВ5, но и высокохромистые полутеплостойкие стали ледебуритно-го класса, применяемые для штампов, деталей,
Количество циклов* Твердость ИКС Объемная доля, %
цементита Уц графита Урр
0 50-52 73 0
1 61-62 51 0
3 63-64 56 0
5 63-64 49 2
10 63-64 46 3
15 63-64 42 5
20 *1 цикл: 1С 56-58 00 °С, 20 ми 27 н, кипящий вод 7 ный раствор
МЕТАЛЛООБРАБОТКА
□\jdviy новое в металлургии
Таблица 11
Твердость, теплостойкость и стоимость инструментальных износостойких материалов
Материал Твердость* ИКС Теплостойкость (ИКС 58), °С Стоимость материала с учетом НДС**, руб./кг
Сталь неглубокой прокаливаемости ХВ5 66-67 И 250 140
Сталь повышенной прокаливаемости 9ХС 63-64 300 45-50
Полутеплостойкие стали глубокой прокаливаемости, повышенной износостойкости Х6ВФ, Х12, 85Х6НФТ и др. 62-64 300 100-150
Полутеплостойкие стали глубокой прокаливаемости, высокой износостойкости Х12М, 250Х25В3 и др. 62-65 400-500 120-300
Быстрорежущие стали пониженной теплостойкости 6Х4М2ФС, Р3М3Ф2, Р2М2Ф3 62-65 570-600 300
Быстрорежущие стали умеренной теплостойкости Р18, Р6М5 (и повышенной теплостойкости) 64-65 620 (630) 350-500
Быстрорежущая сталь пониженной теплостойкости с интерметаллидным упрочнением (стойкая против коррозии) 03Н10Х11М2Т2 54-55 460
Металлокерамические твердые сплавы 71-74 (84-94 ИКА) До 800-1000 4000
Разработанный микролегированный белый чугун: малая резцовая пластина*** токарный резец**** 69-72 (до 84-87 ИКА) 62-64 До 500-550 До 500-550 20-30 20-30
* В термообработанном состоянии ** Усредненная стоимость в состоянии поставки (по состоянию российских рыночных цен на инструментальные материалы в 2010 г.) *** 1 = 6,5 мм; Ь = 14 мм; к = 6 мм **** 1 = 125 мм; Ь =16 мм; к = 21 мм
Таблица 12
Химический состав, свойства и стоимость износостойких сплавов
Характеристика В2К (стеллит) ЦС-1 (сормайт № 1) Т-590 ЧХ32 ЧХ28Н2 Разработанный модифицир. белый чугун
Химический состав, %: углерод кремний марганец хром ванадий другие 2,2 1,5 2,1 30,0 15,0 49,0 (Со) 3.0 3,2 1.1 29,0 4,0 (N1) 3,2 2,2 1,2 25,0 1,0 (В) 2,5 1,0 2,0 32,0 2,5 1,0, 1,0 28,0 2 (N1) 4,0 0,9 1,0 0,25 0,2 (Т1)
Предел прочности в 600 380 400 290 350 450-500
Твердость ИКС 47 50 55-62 24-34 35-50 48-55
Стоимость*, руб./кг 1020 165 150 110 120 20-30
* Усредненная стоимость в состоянии поставки в полуфабрикатах и необработанных отливках (по состоянию российских рыночных цен на инструментальные материалы в 2010 г.)
работающих в условиях гидроабразивного износа, для обработки сыпучих материалов, в том числе горных пород, а также быстрорежущие стали пониженной теплостойкости (см. табл. 11).
Апробация чугунного инструмента проводилась в условиях нескольких предприятий Новокузнецка (механической мастерской лаборатории контроля испытаний проката ОАО «Сталь.КМК», ремонтно-механического цеха Абагурской аглофабрики, Кузнецкого
машиностроительного завода, ремонтно-ме-ханического цеха ООО «Мебельдрев» (Новокузнецкая мебельная фабрика)). Выявлена возможность качественной токарной обработки термообработанными резцами из нелегированного белого чугуна таких материалов, как сталь 3 и серый чугун, на производственных площадках ОАО «Кузнецкий машиностроительный завод» и ремонтно-механиче-ского цеха Абагурской аглофабрики.
Предложено заменить чугуном предложено заменить легированные стали и твердые сплавы при современной токарной, фрезерной и других видах обработки дерева [8]. Возможности замены инструментальных сталей и твердых сплавов на нелегированный белый чугун при обработке деревостружечных композиций и различных пород дерева показаны в цехах ООО «Мебельдрев» и ОАО «Кузнецкле-спром». Выявляется перспектива применения нелегированного белого чугуна вместо полутеплостойких сталей 9ХС, 85Х6НФТ, Х6ВФ и др. для быстрого и качественного резания ДСП и древесины различных пород.
Результаты испытаний, полученные на машиностроительных, металлургических и деревообрабатывающих предприятиях Кузбасса, в цехах механической обработки, показаны в табл. 13.
Для сравнения: термообработанный токарный инструмент из сплава Мушета (2,15 % углерода, 0,38 % марганца, 5,44 % вольфрама и 0,4 % хрома, остальное — железо) второй половины XIX века мог резать металл со скоростью около 7,5 м / мин [5], а первый инструмент из быстрорежущей стали типа Р18 (18 %W), созданной Тейлором и Уайтом в начале ХХ века, — со скоростью около 18 м / мин. Первый стеллит позволил повысить скорость резания до 45 м / мин при температуре 700750 °С. Инструмент из современных высоколегированных сверхбыстрорежущих сталей и металлокерамических твердых сплавов режет металл со скоростями 50-100 м / мин, но по стоимости за единицу массы они в десятки и сотни раз дороже, чем разработанный инструмент из чугуна (твердые сплавы на основе карбида вольфрама приблизительно
Таблица 13
Режимы резания различных материалов литым токарным инструментом из нелегированного белого чугуна (стойкость резца Т = 60 мин, теплостойкость тер-мообработанного резца 550 °С, 4 ч, 57—58 HRC)
Режим Обрабатываемый материал
Сталь 3 Серый чж Пихта, береза, лиственница, ДСП
Термообработка резца:
отжиг, °С 1000 1000 Без тер-
продолжительность, ч 4 4 мообра-
закалка + + ботки
отпуск, ч 1 1
Твердость НКС 58-60 58-60 51-52
Глубина резания, мм 2 25 5
Скорость резания, м/мин 35,0 56,5 300,0
Подача, мм/об 0,8 0,2 2,5
в сто раз дороже, чем разработанный чугун).
На кафедре физики металлов и новых материалов СибГИУ были проведены исследования деформируемости белых нелегированных чугунов, обработанных в расплавленном состоянии, и показано, что у таких чугунов предельная степень пластической деформации до разрушения может составлять 50 % [3], при этом есть возможность получать качественные деформированные изделия из белого чугуна. Так, в условиях производства Томского инструментального завода В. К. Афанасьев получил первую партию качественных крупных чугунных сверл методом горячего прессования (1997).
В отделении напайки механического цеха ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» получены качественные паяные соединения литых чугунных пластин (57 НИС) с державками из стали 45. Для пайки использовалась латунь. После пайки с температурой нагрева 750 °С графита в структуре чугуна не было. Допустимо использование напаек для деревообрабатывающего инструмента. В условиях кузнечно-термического цеха ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» проводилась наплавка доменного чугуна на державки из стали У8 без выделений графита. Чугун наплавлялся на зубья циркулярных пил для резки дерева вдоль волокон и фрез для получения сложного профиля. Графит в наплавленном чугуне отсутствовал, твердость наплавки составляла 56-58 НИС после охлаждения на воздухе с температуры наплавки и 63-66 НИС — после охлаждения с температур 900-1000 °С смазочно-охлаждаю-щей жидкостью. Отпуск для снятия литейных напряжений в наплавках проводили при температурах 300 и 500 °С. Наплавленный инструмент проходил механическую обработку, заточку и испытывался на производственной площадке ОАО «Кузнецклеспром». Структура слоя различных наплавленных чугуном деталей и инструмента состоит из трех зон, например при наплавке доэвтектоидной стали:
• основной металл — доэвтектоидная сталь (феррит + перлит);
• переходная зона термического влияния — эвтектоидная и заэвтектоидная сталь (перлит или мартенсит + вторичный цементит);
• наплавленный металл — доэвтектический белый чугун (ледебурит + перлит или мартенсит).
В одной из научно-практических экспериментальных работ проводились попытки замены высоколегированных износостойких наплавочных материалов, например сормай-та, на новый нелегированный белый чугун.
новое в металлургии
Сравнительное изучение наплавленных соединений «сталь 65Г — сормайт 1» и «сталь 65Г — разработанный белый чугун» позволило обнаружить ряд преимуществ наплавки электродами из нелегированного чугуна. После наплавки графит в структуре чугуна отсутствовал, образовалась значительной толщины переходная зона от основного металла к наплавленному, наблюдалось большое количество (до 30-40 %) эвтектических карбидов, что должно свидетельствовать о сохранении износостойкости наплавленного слоя. В результате электродуговой наплавки чугунными электродами постоянным током на рабочую кромку стрельчатой лапы (безотвального плуга) посевного агрегата «Конкорд» получен износостойкий слой твердостью 56-57 ИКС. После двух сезонов работы износ наплавки и, соответственно, износ стрельчатой лапы был почти не заметен (менее 1 мм), в то время как размер «лапы» без наплавки значительно уменьшился в результате износа (более 10 мм). Сормайт 1 содержит 46 % дорогостоящих легирующих элементов, а разработанный наплавочный чугун не легирован и дешевле сормайта в 5-6 раз.
Разработанный чугун успешно испытан в виде наплавок (после наплавки проводили химико-термическую обработку, закалку и низкий отпуск) на буровые коронки типа «ласточкин хвост»: получены удовлетворительные результаты при бурении пород средней твердости. Используемые в настоящее время твердые сплавы в сотни раз дороже.
Выводы
Таким образом, как показали натурные испытания — доменный чугун без выделений графита является перспективным инструментальным и наплавочным сплавом, который можно успешно применять в современной промышленности. В связи с увеличивающимся дефицитом и дороговизной легирующих элементов (молибдена, вольфрама, ванадия, никеля и др.), использующихся в инструментальных и износостойких материалах, следует проводить дальнейшие активные исследования по эффективному применению белых нелегированных и экономнолегированных чугу-нов для инструмента различного назначения. В дальнейшем мы планируем разработать литые твердые сплавы на основе белого чугуна, микролегированнного элементами внедрения.
В настоящее время проводится поиск предприятия-заказчика на эти научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Литература
1. Чугун: Справ. изд. / Под ред. А. Д. Шермана и А. А. Жукова. М.: Металлургия, 1991. 576 с.
2. Ледебур А. Металлургия чугуна, железа и стали. СПб.: Издание книжного магазина В. Эриксон, 1898. 361 с.
3. Пат. 2151198 Российская Федерация. С21С1 / 00, С22С35 / 00. Способ модифицирования серого чугуна / В. К. Афанасьев, В. А. Койнов, А. В. Кольба и др.; заявитель и правообладатель Сибирский государственный индустриальный университет. № 99123819 / 02; заявл. 10.11.1999; опубл. 20.06.2000. Бюл. № 17.
4. Пат. 2162109 Российская Федерация. С21С1 / 00, С22С35 / 00. Способ модифицирования чугуна / В. К. Афанасьев, В. А. Койнов, А. В. Кольба; заявитель и правообладатель Сибирский государственный индустриальный университет. № 99124959 / 02, заявл. 22.11.1999; опубл. 20.01.2001. Бюл. № 2.
5. Афанасьев В. К., Айзатулов Р. С., Кустов Б. А. и др. Прогрессивные способы повышения свойств доменного чугуна. Кемерово: Кузбассвузиздат, 1999. 258 с.
6. Афанасьев В. К., Кольба А. В., Чибряков М. В. О некоторых особенностях доменного чугуна для производства инструмента (сообщение 1) // Инструмент Сибири. 2000. № 6 (9). С. 4-7.
7. Афанасьев В. К., Кольба А. В., Чибряков М. В. О влиянии термической обработки на микроструктуру режущего инструмента из доменного чугуна без выделений графита (сообщение 2) //Инструмент Сибири. 2001. № 12. С. 20-21.
8. Афанасьев В. К., Кольба А. В., Чибряков М. В. О возможности применения доменного чугуна для изготовления деревообрабатывающего инструмента (сообщение 3) // Обработка металлов. 2002. № 3 (12). С. 7-9.
9. Кольба А. В. Получение и термическая обработка литого режущего инструмента из доменного чугуна: Автореф. дис. ... канд. техн. наук. Новокузнецк, 2003. 23 с.
10. Афанасьев В. К., Щербединский Г. В., Коль-ба А. В. и др. Влияние высокотемпературных нагревов на свойства белого доменного чугуна // МиТОМ. 2003. № 2. С. 17-19.
11. Афанасьев В. К., Кольба А. В., Золотов-ский А. А. и др. Разработка чугунного деревообрабатывающего инструмента // Вестник РАЕН (ЗСО). 2006. Вып. 8. С. 135-143.
