Результат интеллектуальной деятельности: Способ термоупрочнения лемеха плуга

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности к разработке способа получения отбеленной износостойкой отливки.

Известен способ получения износостойких отбеленных деталей, например быстроизнашивающихся сменных деталей металлургического и горнорудного оборудования. Эти детали отливаются с холодильниками в местах предполагаемого получения отбела, а чугун имеет следующий химсостав, %: С 3,2-3,4; Si 2,8-3,5; Cr 5,0-6,5; Al 1,0-1,5; Mn 0,6-2,0; Fe -остальное.

В чугун при выдаче его из печи в ковш никаких добавок не вводится. Отбеленная часть этих отливок имеет твердость 410-520 НВ, твердость «серой» зоны 320-370 НВ, имеется большая переходная зона. (Ю.Н. Таран, В.М. Снатовский, B.C. Лучкин и др. «Чугун» А.С. 742481 М. Кл.2 С22С 37/10.)

Недостатком такого способа получения отбеленных износостойких отливок является: низкая твердость и износостойкость отбеленного слоя из-за наличие карбидов в основной «серой» части отливки затрудняет обрабатываемость ее резанием и может привести к хрупкому разрушению изделия при динамических нагрузках.

Известен способ получения отливок автомобильных распределительных валов, включающий изготовление оболочковой формы, установку холодильников, заливку чугуна и последующее регулируемое охлаждение кристаллизующегося металла, при этом, с целью повышения износостойкости валов, чугун заливают при 1375…1400°С, а охлаждение при первичной кристаллизации осуществляют со скоростью 35…40°С/с в носике кулачка и 0,4…0,5°С/с - в центральной части вала. (В.П. Платонов, А.А. Колпаков «Способ получения отливок автомобильных распределительных валов» А.С. 980955 М. Кл.² B22D 27/04).

Отбел на носиках кулачков получают с помощью:

1. установки холодильников в частях формы, образующих носики кулачков;

2. увеличения содержания карбидообразующих легирующих элементов Mn и Cr;

3. увеличения выдержки и перегрева чугуна в печи;

4. температуры заливки форм.

Недостатком данного способа является недостаточная глубина отбела на носиках кулачков и наличие цементита в опорных шейках.

Все эти способы увеличивают одновременно глубину отбела отливки, в зоне контакта с холодильниками, но при этом увеличивается количество цементита в опорных шейках и в других элементах распредвала, что ухудшает механическую обрабатываемость отливок и делает распредвалы хрупкими.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сущности и достигаемому результату является способ изготовления отливок из отбеленного чугуна, преимущественно с быстроизнашиваемыми отверстиями, включающий заливку чугуна в песчаную литейную форму со стержнями для формирования отверстий в отливке, затвердевание и охлаждение отливок в литейной форме, при этом с целью повышения твердости и абразивной износостойкости рабочих поверхностей отверстий, охлаждение поверхностного слоя отливки в зоне отверстий в процессе затвердевания ведут со средней скоростью 650…800 К/мин, при этом стержни используют с внутренними теплоотводящими металлическими вставками, сообщенными с холодильником (SU, авторское свидетельство №1811976, B22D 27/00).

Недостатком данного способа является отсутствие стабильности в получении необходимой величины отбеленной зоны.

Технической задачей данного изобретения является получение заданной стабильной глубины чистого отбеленного слоя в режущей части лемеха плуга из высокопрочного чугуна, повышение твердости, регламентирование ширины переходной зоны.

Технический результат - повышение износостойкости и эксплуатационных характеристик в режущей кромке лемеха плуга для почв низкой плотности.

Указанный технический результат достигается способом термоупрочнения лемеха плуга, включающим изготовление песчано-глинистой формы, установку в форму холодильников, заливку чугуна в форму и последующее охлаждение кристаллизующегося металла, при этом устанавливают стальные холодильники объемом 2,3⋅10^-8 м³ на квадратный миллиметр отбеливаемой поверхности отливки, чугун с содержанием углерода 3,3…3,6%, кремния 1,27…1,59%, марганца 0,4…0,7%, магния 0,4…0,6% и серы ≤0,02% заливают в сырую песчано-глинистую форму при температуре 1360…1430°С, осуществляют отбел режущей кромки лемеха плуга на глубину 4…5 мм.

Отличительные существенные признаки, влияющие на достижение заявленного технического результата:

- установление стальных холодильников объемом 2,3⋅10^-8 м³ на квадратный миллиметр отбеливаемой поверхности отливки;

- залив чугуна с содержанием углерода 3,3…3,6%, кремния 1,27…1,59%, марганца 0,4…0,7%, магния 0,4…0,6% и серы ≤0,02% в сырую песчано-глинистую форму;

- проведение процесса заливки при температуре 1360…1430°С;

- отбел режущей кромки лемеха плуга на глубину 4…5 мм.

Установление заявленного объема стальных холодильников позволяет обеспечить необходимую скорость охлаждения отливки в местах требуемого повышения износостойкости с формирования структуры ледебурит (отбела) на требуемую глубину.

Выбор предложенного процентного соотношения химических элементов сплава позволяет получать отливки, способные выдерживать динамические (ударные) нагрузки и высокую износостойкость лемеха плуга в процессе эксплуатации, а также получать стабильную глубину отбела.

Использование указанной температуры заливки обеспечивает достаточную жидкотекучесть расплава, исключая появления дефектов литья.

Выбор данной глубины отбела режущей кромки лемеха плуга обусловлен следующим: почвы низкой плотности характеризуются относительно невысокими динамическими нагрузками на лемех плуга, большая глубина отбеленного слоя приведет к хрупкому излому, меньшая - значительно снизит срок эксплуатации. Отбел на глубину 4…5 мм режущей кромки лемеха плуга для почв с низкой плотностью является оптимальным.

При испытаниях проводились исследования влияния процентного содержания углерода, кремния, марганца, магния, а также температуры заливаемого чугуна на толщины отбеленного слоя режущей кромки лемеха плуга.

Для выбора оптимального состава чугуна для отливок лемеха плуга с отбеленным рабочим слоем было выполнено исследование комплексного влияния содержания основных его компонентов - кремния и марганца на глубину и характер отбеленной зоны литых образцов клиновидной формы, залитых в сырую песчано-глинистую форму.

Исследование проводилось на серии опытных плавок чугуна, выплавленного в лабораторной индукционной печи, с фракционной разливкой металла. Содержание углерода выдерживалось на высоком уровне 3,3…3,6%, чтобы обеспечить образование возможно большего количества эвтектического цементита и высокую твердость отбеленного слоя, содержание серы не превышало 0,02%.

В ходе каждой плавки, изначально низкомарганцевого и низкокремнистого чугуна варьировали содержание марганца и кремния дробными добавками сначала первого, а затем второго элемента. После каждой добавки отбирали пробу на химический анализ и заливали опытный образец для изучения характера отбела.

Твердость отбеленной части образцов в зоне чисто белого чугуна для всех фракций была примерно одинаковой и составляла 60…62,5 HRC. Твердость основного тела отливки (зона графитизированного чугуна) и глубина отбела, измеренная до появления первых включений графитовой эвтектики.

Примеры конкретных выполнений.

Пример 1. Была изготовлена песчано-глинистая форма, в которую были установлены холодильники объемом 2,3⋅10^-8 м³ на квадратный миллиметр отбеливаемой поверхности отливки, затем осуществляли заливку чугуна с содержанием углерода 3,3…3,6%, кремния 1,27…1,59%, марганца 0,4…0,7%, магния 0,4…0,6% и серы ≤0,02% в сырую песчано-глинистую форму при температуре 1360°С, при этом происходил отбел режущей кромки лемеха плуга на глубину 4 мм.

Пример 2. Была изготовлена песчано-глинистая форма, в которую были установлены холодильники объемом 2,3⋅10^-8 м³ на квадратный миллиметр отбеливаемой поверхности отливки, затем осуществляли заливку чугуна с содержанием углерода 3,3…3,6%, кремния 1,27…1,59%, марганца 0,4…0,7%, магния 0,4…0,6% и серы ≤0,02% в сырую песчано-глинистую форму при температуре 1430°С, при этом происходил отбел режущей кромки лемеха плуга на глубину 5 мм.

Таким образом, заявленный способ термоупрочнения лемеха плуга обеспечивает повышение износостойкости и эксплуатационных характеристик в режущей кромке лемеха плуга для почв низкой плотности.