Белый чугун для мелющих тел
Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления литых мелющих тел преимущественно в металлургии, а также в горнорудной, цементной , химической, угольной отраслях промышленности . Целью изобретения является повышение кавитационно-эрозионной стойкости, ударостойкости и износостойкости , снижение затрат на легирование -чугуна. Предложенный чугун содержит углерод, кремний, марганец, хром, РЗМ, сурьму, алюминий, висмут и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,0-2,9; кремний 0,2-0,9; марганец 4,1-6; хром 15-20; редкоземельные элементы 0,001-0,090; сурьма 0,001-0,060; алюминий 0,3-1; висмут 0,001-0,020; железо остальное. Дополнительный ввод в состав предложенного чугуна AI и В позволили повысить кавитационно-эрозионную стойкость в 1,1-1,3 раза, износостойкость в 1,02-1,42 раза, ударостойкость в 1,42-1,74 раза и снизить затраты на легирование. 3 табл.
/ СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК (я)5 С 22 С 37/06
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К.АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4780427/02 (22) 09,01.90 (46) 29.02.92. БК1л. М 8 (71) Украинский научно-исследовательский институт металлов (72) Г.П.Клюев, M.È;Àíäðèàíîâ, А.А.Владимирова, В,И.Удовиков, Э.А.Косогонова, В.К.Соленый и А.Ш.Желяков (53) 669,15-196(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР
N 1227708, кл. С 22 С 37/06, 1984.
Авторское свидетельство СССР
N 1176621, кл. С 22 С 37/06, 1984. (54) БЕЛЫЙ ЧУГУН ДЛЯ МЕЛЮЩИХ ТЕЛ (57) Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления литых мелющих тел преимущественно в металлургии, а также в горнорудной, цеменИзобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, предназначенным для изготовления мелющйх. тел, которые подвергаются интенсивному: ударно-абразивному и гидроэрозионному износу в коррозионной среде.
Известен чугун следующего химсостава, мас.%:
Углерод 2,9-3,2
Хром 20-22
Кремний 0,6-1,0
Марганец 0,4-0,8
Никель 1;2-3,2
Титан 0,2-0,4
Железо Остальное
Недостатком данного чугуна является невысокий уровень физико-механических свойств, ударостойкость 25 ударов до разрушения, ввиду наличия большого количества хромистой эвтектики грубого строения. .Ы 1715876 А1 тной, химической, угольной отраслях промышленности. Целью изобретения является повышение кавитационно-эрозионной стойкости, ударостойкости и износостойкости, снижение затрат на легирование чугуна. Предложенный чугун содержит углерод, кремний, марганец, хром, РЗМ, сурьму, алюминий, висмут и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод
2,0-2,9; кремний 0,2-0,9; марганец 4,1-6; хром 15-20; редкоземельные элементы
0,001-0,090; сурьма 0,001-0,060; алюминий
0,3-1; висмут 0,001-0,020; железо остальное.
Дополнительный ввод в состав предложенного чугуна AI u Bl позволили повысить кавита цион но-эрозион ную стойкость в 1,1-1,3 раза, износостойкость в 1,02-1,42 раза, ударостойкость в 1,42-1,74 раза и снизить затраты на легирование. 3 табл.
Известен также чугун следующего химического состава, мас.%:
Углерод 2,8-3,6
Кремний 3,8-5,2
Марганец 5,0-9,0
Хром 2,7-4 G
Титан . 0,2-0,8
Железо Остальное
Недостатком данного чугуна является низкая ударостойкость, 5 ударов до разрушения, кавитационно-эрозионная стойкость
90 мг/м ч и износостойкость 0,567 гlм ч, что
2 объясняется наличием хрупких карбидов типа (Fe, Сг)з С с относительно низкой микротвердостью и крупными размерами.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун следующего состава, мас.%:
Углерод 1,8-3,2
Кремний 0,1-1,0
1715876
2,0-2,9
0,2-0,9
4,0-6,0
15-20
Марганец 0,5-3,5
Хром 12-20
Церий 0,02-0,05
Сурьма 0,05-0,20
Ниобий 0,1-4,0 5
Железо Остальное
Недостатком этого чугуна является недостаточно высокая стойкость при трении в коррозионной среде в условиях значительных ударных нагрузок: удароустойчивость 10
19 ударов до разрушения, кавитационноэрозионная стойкость 88 мг/м ч, износоз стойкость 0,528 г/м ч в связи с низкой устойчивостью аустенита, который претерпевает перлитные превращения при охлаж- 15 дении после литья. Кроме того, большой расход легирующих элементов повышает стоимость указанного чугуна и тем самым ограничивает его применение.
Цель изобретения — повышение кавита- 20 ционно-эрозионной стойкости, ударостойкости, износостойкости, снижение затрат на легирование чугуна.
Поставленная цель достигается тем, что
e,÷óãóí, содержащий углерод, кремний, мар- 25 ганец, хром, РЗМ, сурьму и железо допол-, нительно вводится алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.7, :
Углерод 30
Кремний
Марганец
Хром
Редкоземельные элементы 0,001-0,090 35
Сурьма . 0,001-0,060 . Алюминий 0,3-1,0
Висмут 0,001-0,020
Железо Остальное
Алюминий в составе чугуна приводит к 40 повышению литейных свойств, образованию мелкодисперсных неметаллических включений, измельчающих зерно и рафинирующих металл. Вследствие этого повышается износостойкость и ударостойкость 45 чугуна. Кроме того, наблюдается повы шение кавитационно-эрозионной стойкости за счет способности алюминия на поверхности мелющих тел в процессе их эксплуатации образовывать плотный защитный слой, пре- 50 дохраняющий чугун от окисления.
Модифицирование хромистого чугуна висмутом увеличивает сопротивляемость чугуна ударным, нагрузкам вследствие уменьшения склонности к образованию ra- 55 зоусадочных дефектов в отливках, а также упрочнения металла дисперсными включениями структурно-свободного висмута.
В известном решении алюминий вводится с целью обеспечения графитизации чугуна, уменьшения количества карбидов и улучшения механической обрабатываемости чугуна. Твердость при этом 20-22 HRC.
В известном решении висмут вводят в состав чугуна для повышения предела прочности при изгибе вследствие измельчения структурных составляющих чугуна. Указанный чугун имеет ударостойкость 26 ударов до разрушения, кавитационно-эрозионную стойкость 75 мг/м ч;
Нижние пределы содержания алюминия и висмута выбраны исходя из экспериментально установленного факта начала проявления их влияния на ударостойкость и кавитационно-эрозионную стойкость. Введение алюминия выше верхнего предела способствует графитизации чугуна, образованию плен из окислов алюминия и снижению литейных свойств (увеличивается объем усадочных раковин, литейная усадка), что приводит к повышению уровня напряжений в отливках, а следовательно, к трещинам.
Повышение содержания в сплаве висмута выше приведенных концентраций нецелесообразно, так как происходит укрупнение структурно-свободных включений висмута, что приводит к снижению ударостойкости.
Содержание углерода, хрома, кремния, марганца в чугуне в указанных пределах обусловлено необходимостью придания сплаву структуры доэвтектического хромистого чугуна, состоящего в литом состоянии из аустенита и эвтектики на базе хромистого карбида. При меньшем содержании углерода, хрома уменьшается кавитационно-эрозионная стойкость и износостойкость чугуна из-за образования карбидов цементитного типа. При большем содержании этих элементов уменьшается ударостойкость за счет увеличения общего количества карбидов и появление хрупких первичных карбидов.
При содержании марганца меньше нижнего предела образующий при кристаллизации аустенит в процессе охлаждения частично превращается в перлит. При концентрации марганца больше верхнего предела расширяется интервал аустенитного превращения, снижается прокаливаемость.
В результате пластичность чугуна увеличивается, а его износостойкость и кавитационно-эрозионная стойкость существенно снижается.
Введение РЗМ в указанных пределах способствует очищению сплава от неметаллического включений, гомогенизации расплава, что оказывает благоприятное влияние на кавитационно-эрозионную стой1715876 кость. Располагаясь в металлической основе и тем самым упрочняя ее, РЗМ способствуют повышению ударостойкости и износостойкости.
Сурьма в предлагаемом концентраци-. 5 онном диапазоне образует интерметаллидные включения, располагающиеся в стыках дендритов, а также уменьшает интервал эв-. тектического превращения, что приводит к измельчению зерна первичного аустенита и «10 упрочнению структуры, вследствие этого повышается кавитационно-эрозионнэа стойкость и ударостойкость чугуна. Введе-. ние сурьмы меньше нижнего предела.не изменяет свойства расплава, а выше верх-., 15 него способствует укрупнению интерметал-, лидов на основе сурьмы, что приводит к снижению ударостойкости чугуна.
Исключение ниобия из предложенного чугуна способствует увеличению ударостой20 кости и кавитационно-эрозионной стойкости вследствие устранения сегрегаций карбидов ниобия в виде крупных гексагональных образований, которые гетерогеиизируют и охрупчивают сплав. 25
Положительный эффект при осуществлении изобретения будет получен благодаря тому, что алюминий способствует образованию мелкодисперсных неметаллических включений, рафинирующих ме .30 талл и формирует на поверхности плотный защитный слой, предохраняющий чугун от окисления, а висмут образует структурносвободные включения висмута, в результате чего повышается кавитационно-эрозионная 35 стойкость, ударостойкость и износостой- кость.
Для определения служебных показате- лей чугуна изготовлены 10 сплавов с граничными, выходящими за граничные и 40 оптимальными соотношениями всех ингредиентов, а также с выходящими за граничные и оптимальными соотношениями новых ингредиентов-при фиксированных значениях остальных. Для сопоставительного ана- 45 лиза с прототипом приготовлен также сплав с известным соотношением ингредиентов
ИСТ 016 с основной футеровкой, Основой для выплавки чугуна служил стальной лом 147 кг; электродный бой 2 кг, что обеспечивало получение заданных . пределов содержания углерода и кремния, .55
Для достижения нижнего предела со-, держания марганца, хрома в печь вводили следующие ферросплавы: 90 ферромарганца 9,6 кг; 70 феррохрома 40,5 кг. (см, табл.1).
Каждый сплав выплавлен в лабораторных условиях в 200 кг индукционной печи 50
С учетом коэффициента усвоения К для марганца 0,90, хрома 0,95.
Висмут 0,0023 кг, РЗМ 0,0044 кг, алюминий 0,642 кг добавляли в кусках в ковш перед разливкой. Коэффициент усвоения висмута 0,85, РЗМ 0,50, алюминия 0,93.
Заливку металла производили в металлические формы при начальной температуре 1380 С. Отливали по 56 мелющих тел каждого варианта химического состава, из которых половина (28 шт.) отобрана в литом состоянии, а остальные прошли термическую обработку по следующему режиму: нагрев до 9600С, выдержка в течение 4 ч, охлаждение на воздухе. Микроструктура сплава после термической обработки состоит из тростомартенсита с включениями структурно-свободного висмута, карбидов типа М > С З и неметаллических включений сферической формы.
От каждого варианта отобрано по 10 мелющих тел в литом и термообработанном состоянии для испытания на ударостойкость и кавитационно-эрозионную стойкость и по 5 для определения износостойкости.
«
Испытания на ударостойкость проводили на вертикальном копре и определяли ее как количество ударов до разрушения мелющего тела при падении на него груза массой
79 кг с высоты 5 м с энергией удара 3870 Дж.
Кавитационно-эрозионная стойкость мелющих тел определена в среде водопроводной воды с помощью диффузора при давлении во ы на выходном конце 1,10 х х10 Н/м, напорном давлении 31,7 х х10 Н/м и скорости потока 22 м/с. Исполь5 зовали образцы в виде пластинки размерами 20х40 мм и толщиной 3-5 мм.
Для определения износостойкости из мелющих тел выточены образцы диаметром
10 мм и длиной 25 мм. Испытание проводили на машине МИ-1.М сухим трением скольжения образца по абразивному кругу при давлении 20 дин/см и скорости вращения
1,05 м/с.
С целью определения экономической эффективности использования чугуна по сравнению с прототипом произведен расчет доплат за содержание легирующих элементов в полученных чугунах.
Проведенные испытания показали. (см. табл,2, 3), что по сравнению с прототипом предлагаемый чугун в литом состоянии имеет более высокие кавитационно-эрозионную стойкость на 23-27%, ударостойкость на 10-14 ударов до разрушения, износостойкость на 20-30 .
В термообработанном состоянии предлагаемый чугун имеет на 28-31 более выI
1715876
0,001-0,090
0,001-0,060
0,3-1,0
0,001-0,020
Остальное
Таблица 1
Массовая оля элементов
Чугун иь
Се
Sb езм
Сг
Мл
0,001
0,020
0,0009
0,03
0,0105
0,0009
0,001
0,0105
0,020
0,030
0,3
1,0
0,2
1,1
0,65
02
0,3
0,65
1,0
1.0
0,001
0,060
0.0009
0.070
0,0305
0,0305
0,0305
0,0305
0,0305
0.0305
0,001
0,090
0,0009
О.! 00
0,0455
0,040
0,040
0,040
0.040
0,040
15,0
20,0
14,0
21,0
17,5
17,0
17,0
17,0
17,0
17,0
0,2
0,9
0,1
1,0
0,55
0,4
0,4
0,4
0.4
0,4
2,0
2,9
1,9
3,0
2,45
2,5
2,5
2,5
2,5
2.5
4,1
6,0
4,0, 6,1
5,1
5.0
5,0
5,0
5,0
5,0
1 г
4
6
8
Прототип
2.05
0,035
0,035
0,125
16,0
0,55
2,0
2.5
45
55 сокую кавитационно-эрозионную стойкость, на 15-20 ударов до разрушения более высокую ударостойкость, на 40-60% выше износостойкость по сравнению с прототипом при высоких показателях твердости и предела прочности при растяжении. Снижение затрат на легирование составляет 32753287 руб/т.
Согласно данным проведенных лабораторных испытаний белый чугун в термообработанном состоянии в сравнении с прототипом обладает на 28-31% более высокой кавитационно-эрозионной стойкостью, на 15-20 ударов до разрушения более высокой ударостойкостью, на 40-60% более высокой износостойкостью по сравнению с прототипом при высоких показателях твердости и предела прочности при растяжении.
Снижение затрат на легирование составляет 3275-3287 руб/т, По сравнению с базовым объектом предложенный чугун после термообработки имеет кавитационно-эрозионную стойкость на 29-33% выше, на 30-35 удара до разрушения более высокую ударостойкость, на
46-66% более высокую износостойкость.
Использование чугуна для отливки мелющих тел позволит сэкономить до 1,4 тыс.т чугуна в год.
5 Формула изобретения
Белый чугун для мелющих тел, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, редкоземельные металлы, сурьму и железо, 10 отличающийся тем,что,сцелью повышения кавитационно-эрозионной стойкости, ударостойкости, износостойкости, снижения затрат на легирование, он дополнительно содержит алюминий и вис15 мут при следующем, соотношении компонентов, мас. :
Углерод 2,0-2,9
Кремний 0,2-0,9
Марганец 4,1-6,0
20 Хром 15-20
Редкоземельные металлы
Сурьма
Алюминий
25 Висмут
Железо
1715876
Таблица 2
Предел прочности при растяжении, ов, кгс/мм
Износ, г/м ч
Относительная износостойкость, Тве ость
Кавитационно-зрозионная стойкость, мг/м ч
Ударостойкость, количество ударов до разру шения
Чугун
НВ
HRC
0,4240,477
0,541, 0,514.
0,398
0,535
0,420
0,370
0,398
0,498
0,528
0,567
86
480
49,5
Таблица 3
Чугун
Кавитационноэрозионная стойкость, мг/м ч
Относи,тельная износа стойкость, Ударостойкость, I коли.чество ударов до разрушения
Доплата за содержание легирующих элементов
Износ, г/м ч
Тве ость
Предел прочности при растяжении, ое,, кгс/мм
HRC
НВ
0,528
512
100. 20
3401,73
98
0,5.62
490
67,35
Составитель Г. Дудик
Техред М.Моргентал Корректор М. Пожо
Редактор О. Спесивых
Заказ 581 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
6
8
Прототип
Базовый объект
2
4
6
8
Прототип
Базовый объект
78
76
79
68
81
67
64
68
83
68
83
66
82
62
62
34
36
29
37
29
37
29
28
29
28
31
31
33
29
0,345
0,292
0,318
0,345
0,239
0,558
0,315
0,211
0,290
0,563
98
103
98
106
100
525
510
57
54
56,5
54,5
58
61
57
53,5
54
52
53,5
56
53,5
56,5
56
55,5
52,5
52,0
103
109
101
109
112
107
101
96
96
103
97
106
103
96,41
150,43
89,82
160,83
129,62
112,92
113,99
120,29
126,59
130,43
