Чугун

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з С 22 С 37/06, 37/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4819339/02 (22) 28.04.90 (46) 30.03.92. Бюл. N 12 (71) Краматорский научно-исследовательский и проектно-технологический институт машиностроения (72) С.M,Èâàíåíêî, Ф.Д.Пушкарев и

M.Â.Áoð3åíåö (53) 669.15-196(088.8) (56) Заявка Японии ¹ 59-9616, кл. С 22 С 37/06, F 04 В 15/02, l984.

Авторское свидетельство СССР

¹ 670630, кл. С 22 С 37/10, 1976. (54) ЧУГУН (») Изобретение относится к металлургии, в частности к высокохромистым износоИзобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов высокохромистых чугунов для отливок, подвергающихся абразивному износу в агрессивных кислотных средах, Известен высокохромистый чугун, предназначенный для деталей, подвергающихся коррозионному и механическому износу, содержащий в своем составе, мас.%: С 1,82,2; Sl 2.8 — 4,6; Мп 0,2 — 0,8; Cr 16 — 21; Мо

0;5 — 1,5; V 1,1 — 2,3; В или Tl 0,02 — 0,2; Mg

0,01 — 0,1; Те 0.01 — 0,05; карбонитриды Nb

0,1-0 3; Fe остальное.

Недостатком данного сплава является высокое содержание кремния в сплаве (2,8—

4,6 мас.%), которое сильно снижает абразивную стойкость деталей из-за повышенной хрупкости металлической основы чугуна. К тому же этот сплав содержит в своем составе дефицитный никель и ниобий.

„„Ы3„„1723180 А1 стойким чугунам для отливок деталей, подвергающихся абразивному износу в агрессивных кислотных средах. Цель изобретения — повышение износостойкости в агрессивной среде при температуре 293 — 773 К; Чугун, содержащий углерод, кремний, хром, марганец, ванадий, молибден, бор, теллур и железо, дополнительно содержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%; углерод 2,5-3,5; кремний 0,5-1,5; хром l5,0 — 25,0; марганец 2,5 — 4; молибден

1,0 — 3,0; ванадий 1,0 — 3,0: бор 0,05 — 0.30: алюминий 0,06 — 0,15; теллур 0,06 — 0,13; висмут

0,04-0,12; железо остальное, причем суммарное содержание теллура и висмута составляет 0,10 — 0,25. 2 табл.

Высокохромистый чугун, содержащий мас.%: С 1,0 — 2,5; Cr 10 — 25; Мо 0,5 — 1,0; Мп

0,5 — 2,0; Al 0,1 — 0,2;  0,05-0,3; V 0,5 — 2,5; Sn

0,1 — 0,3; остальное Fe, также не обеспечивает высокой абразивной стойкости деталей из-за низкого содержания в этом сплаве углерода, а пониженное содержание молибдена (не более 1,0 мас.%) не обеспечивает прокаливаемости отливок с толщиной стенки более 70 — 100 мм при термообработке.

Следовательно, в этом чугуне не происходит полного образования наиболее абразивостойкой мартенситной структуры, Этот сплав не обладает высокой устойчивостью к высокотемпературному абразивному истиранию и коррозионной стойкостью в агрессивных средах.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является высокохромистый чугун для

1723180 износостойких деталей, содержащий в своем составе химические элементы, мас,%: С

2,6-3,5; Cr 12 — 30; Si 0,3 — 1,0; Мп 0,4 — 5,5; В

0,001 — 0.15; Мо 0,6-3,5; Ti 0,1 — 0,8; V0,5 — 5,5;

Те 0,001 — 0,06; Р3М 0,001 — 0,25; Be 0,001—

0,30; остальное Fe, Углерод — обязательный компонент, способствующий образованию износостойкой карбидной структуры чугуна; кремний — сопутствующий элемент износостойких чугунов, при увеличении содержания кремния более 1,5 — 2 мас.% снижается твердость, а во многих случаях и износостойкость высокохромистого чугуна; хром — основной легирующий элемент износокоррозионностойких сплавов, способствующий получению износостойкой структуры в чугунах за счет образования собственных карбидов и легирования металлической матрицы, а также повышающий.прочность, твердость и коррозионную стойкость сплавов; марганец — стабилизирующий элемент, эффективно воздействующий на свойства и структуру чугуна за счет легирования металлической основы и замещения железа в карбидах хрома, а также улучшающий прокаливаемость чугунных отливок; молибден — необходимый элемент в высокохромистых износостойких чугунах, способствующий повышению прокаливаемости чугунных отливок и образованию мартенситной структуры, наиболее стойкой к абразивному изнашиванию; ванадий — карбидообразующий элемент, способствующий повышению твердости и абразивной износостойкости чугуна; редкоземельные металлы — рафинирующие элементы; бор — элемент, повышающий твердость

СП IcIBOB; теллур — поверхностно-активный элемент, препятствующий образованию в чугуне крупных карбидов и тем самым способствующий повышению износостойкости чугуна; бериллий — элемент, способствующий образованию мелкозернистой равномерно распределенной структуры чугуна; титан — элемент, способствующий образованию мелкозернистой структуры чугуна.

Известный чугун имеет следующие недостатки, Сплав в своем составе содержит остродефицитный и дорогостоящий бериллий, а также имеет высокое содержание хрома и марганца (соответственно 30 и 5,5 мас.% по верхнему пределу), что вызывает существенное снижение эксплуатационных свойств сплава, Так, при содержании хрома

55 более 25% износостойкость высокохромистого чугуна резко падает из-за образования в его структуре грубых включений заэвтектических карбидов хрома, а при содержании марганца более 4% образуется мягкая аустенитная основа чугуна, имеющая низкую стойкость к абразивному истиранию.

Цель изобретения — повышение абразивной износостойкости чугуна в агрессивной среде при температурах 293 — 773 К.

Исследования по изучению влияния элементов на износостойкость в широком интервале температур, коррозионную стойкость в агрессивных средах, а также механические свойства позволяют определить оптимальные пределы легирования чугуна.

Поставленная цель достигается тем, что чугун содержащий углерод, кремний, хром, марганец, молибден, ванадий, бор, железо и теллур, дополнительно содержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%; углерод 2,5 — 3,5; кремний 0,5 — 1,5; хром 15,0 — 25,0; марганец.2,5—

4,0; молибден 1,0-3,0; ванадий 1,0 — 3,0; бор

0,05 — 0,30; алюминий 0,06 — 0,15; теллур 0,06—

0,13; висмут 0,04 — 0,12; железо остальное, причем суммарное содержание теллура и висмута составляет 0,10 — 0,25.

В предлагаемом составе алюминий, являясь активным раскислителем и дегазатором, полностью исключает применение в составе чугуна дефицитных и дорогостоящих Р3М, при этом алюминий измельчает зерно металлической матрицы, повышает плотность и механические свойства чугуна.

Теллур и висмут являются сильными поверхностно-активными элементами. Эти элементы, вводимые в чугун в виде химического соединения Blues теллурида висмута), взаимоусиливают свои поверхностно-активные свойства и тем самым наиболее эффективно измельчают зерно металлической матрицы, способствуют образованию в структуре чугуна большого количества равномерно распределенных карбидов, препятствуют росту крупных карбидов и тем самым способствуют существенному повышению износостойкости чугуна в отливках, Теоретическое обоснование влияния теллура и висмута на достижение цели изобретения заключается в следующем.

Теллур и вис1иут, являясь сильнодействующими поверхностно-активными элементами, оказывают существенное влияние на процесс кристаллизации жидких металлов и сплавов.

Влияние поверхностно-активных элементов на кристаллизацию имеет следующий характер. Атомы (ионы) элементов, 1723180 поверхностно-активных по отношению к зарождающимся из расплава твердым фазам, адсорбируются (хемосорбируются) по механизму внутренней адсорбции на центрах кристаллизации, скапливаясь- при этом на их поверхности. Такое скопление поверхностно-активных элементов на границах раздела жидкой и твердой фаз выполняет роль своеобразных барьеров-регуляторов для атомов кристаллизующейся из расплава твердой фазы.

В результате такой регуляции существенно затрудняется рост центров кристаллизации при охлаждении жидкого сплава и твердая фаза выпадает в виде многочисленных равномерно распределенных включений. Следовательно, поверхностноактивные элементы могут как препятствовать росту отдельных фаз, так и способствовать образованию в сплавах мелкозернистой структуры. Так, например, теллур и висмут используются в производстве ковкого чугуна. Малые добавки этих элементов в жидкий чугун препятствуют образованию графитных включений и обеспечивают получение сквозного отбела в отливках, измельчают структуру чугуна, Решающее влияние на износостойкость хромистых чугунов оказывают карбиды хрома, их размеры, форма и распределение.

При трении крупные карбиды хрома легко ,выкрашиваются из металлической матрицы, поэтому грубые включения карбидов хрома, например заэвтектического типа, резко снижают износостойкость хромистого чугуна. Небольшие присадки теллура и висмута (до 0,15 — 0,25 0) препятствуют. образованию в этих чугунах грубых карбидов, измельчают карбидные включения, обеспечивают их равномерное распределение в металлической матрице и тем самым способствуют существенному повышению износостойкости предлагаемого сплава. Причем при совместном введении в жидкий чугун теллура и висмута наблюдается взаимное усиливание их поверхностно-активных свойств и тем самым взаимно усиливается благоприятное воздействие этих элементов на структуру и свойства износостойкого чугуна, Висмут — металл V подгруппы периодической системы Менделеева с т.пл. 271ОС, т. кип. 1560 С, выпускается промышленностью в виде слитков. В связи с достаточно высокой температурой кипения применяется в литейном производстве для присадки в жидкий чугун в чистом виде.

Тел лур — метал лоид V I подгруппы пе риодической системы с т.пл. 450 С и т.кип.

990 С. Теллур действует на сплавы железа, как и висмут. В литейном производстве при5

15 ния теллура сплавами железа повышается

55 меняется кэк порошкообразный, так и металлический теллур. В связи с более низкой температурой кипения (следовательно, и упругостью паров) по сравнению с висмутом процент усвоения теллура зависит от способа ввода в жидкий металл.

Так на Московском автомобильном заводе им. Лихачева (ЗИЛ) при производстве ковкого чугуна вместо висмута используется теллур в виде отпрессованных прутков диаметром 30 мм, состоящих из 50% порошкообразного теллура и 50% медного порошка.

При этом процент усвоения теллура жидким чугуном составляет 50 — 60%. Процент усвоедо 70-80%, если используют теллур в виде теллуроидов, имеющих более высокую температуру плавления, чем чистый теллур, Поэтому используют лигатуру. содержащую

48% Bi, 52% Те и состоящую в основном из химического соединения ВцТез. При разработке нового состава износостойкого чугуна производят ковшевую присадку в жидкий металл тугоплавкого теллуроида висмута, имеющего т.пл. 858 К, при этом усвоение теллура и висмута жидким чугуном, составляет 70-80%.

Содержание хрома в количестве 15,025,0% обеспечивает сочетание высокой абразивной износостойкости в широком интервале температур и коррозионной стойкости чугуна в агрессивных средах.

Оптимальное содержание марганца в количестве 2,5 — 4,0% против 0,4 — 5,5% обеспечивает получение в высокохромистом чугуне высокой твердости, прочности, износостойкости и коррозионной стойкости за счет образования легированной марганцем мартенситной структуры. Так как при содержании в высокохромистом чугуне до

1,0 — 1,5 марганца не обеспечивается требуемая прочность сплава и коррозионная стойкость, а при содержании более 4,0% марганца образуется аустенитная основа чугуна, имеющая низкую стойкость к абразивному износу.

Содержание углерода в количестве 2,53,5% обеспечивает получение высокой твердости и износостойкости чугуна за счет образования в его структуре большого количества карбидов и пересыщенной по углероду металлической матрицы.

Бор в количестве 0,05 — 0,30% способствует повышению износостойкости и твердости чугуна.

Содержание молибдена в количестве

1,0 — 3,0% обеспечивает. хорошую прокаливаемость чугуна в массивных отливках и образование мартенситной металлической основы, повышает абразивную износостой1723180

20

35

55 кость, коррозионную стойкость и механические свойства.

Ванадий в оптимальном количестве

1,0 — 3.0% совместно с приведенным содержанием молибдена способствует повышению коррозионной стойкости, износостойкости и механических свойств чугуна, обеспечивает равномерное распределение карбидов по сечению отливки, Приведенное содержание марганца, молибдена и ванадия в сочетании с алюминием, теллуром и висмутом также полностью исключает применение в составе чугуна титана, остродефицитного и дорогостоящего бериллия, при этом обеспечивается более высокая абразивная и коррозионная стойкость предлагаемого сплава при 293 — 773 К.

Пример; Для повышения усвоения чугунным расплавом теллура и висмута до

70 — 80% против 30 — 60% усвоения при раздельном использовании этих. элементов в жидкий чугун теллур и висмут вводят в виде тугоплавкого химического соединения

ВцТез, содержащего; мас.% BI 40-48 и.Те

60 — 52. Для этого специально в печи сопротивления выплавляют теллурид висмута

BhTez. При этом берут измельченные исходные шихтовые компоненты, мас.%: висмут (марки В и 1 ГОСТ 10928-75) 48 и теллур (марки Т 1 ГОСТ 17614-72) 52, которые затем смешиваются и загружаются в алундовый тигель, Для получения соединения ВЬТез алундовый тигель с шихтой помещают в печь сопротивления и медленно нагревают до 623

К, после чего проводят выдержку плавящейся шихты при этой температуре в течение 1 ч, Затем идет дальнейший нагрев до 870 К и выдержка расплава при этой температуре в течение 1,5 ч.

Расплав образовавшегося. химического соединения BizTea разливают в металлические формочки для кристаллизации. После этого полученный теллурид висмута используют в качестве модифицирующей присадки при выплавке износостойкого высокохромистого чугуна. Выплавку теллурида висмута Biz Tea ведут под слоем защитного флюса

NaCI + KCl (1:1), по ходу плавки проводят периодическое перемешивание расплава палочкой из кварцевого стекла. Температуру расплава контролируют платино-платинородиевой термопарой погружения.

Выплавку износостойкого чугуна осуществляют s тигельной индукционной печи

ИСТ-016 с основной футеровкой, Исходная шихта — передельный чугун марок П 1 и П 2 (ГОСТ 805 — 80); феррохром ФХ010А (ГОСТ

4757-79); ферромарганец ФМн 75 (ГОСТ

4755-80), фврромолибден ФМо (ГОСТ 475979); феррова нади и Ф Вд 35 А (TY 14-.5-98-78); алюминий.АВ 97 (ГОСТ 295-73); ферробор

ФБо (ГОСТ 14848-69); теллурид висмута

В !2Тез, а также ферротитан Ти 1 (ГОСТ 476167); лигатура ФЦЦ-6 (содержащая, мас.%:

Се 40-50; La 18 — 25; Mb 10-12; Pr 5-7; Mg

5 — 7; Fe не более 10; бериллий техническим; теллур технический Т 1 (ГОСТ 17614-72); стальной лом; возврат собственного производства и электродный бой.

Феррованадий и ферротитан вводят в печь за 5 — 10 мин до выпуска металла иэ печи. Алюминий вводят в жидкий чугун перед выпуском, а теллур и висмут подают в разливочный ковш в виде тугоплавкого химического соединения В!2Тез (теллурида висмута). Температура перегрева чугуна в печи составляет 1723-1773 К. Температуре заливки расплава в песчано-глинистые формы 1573 — 1603 К.

Отливают образцы размером 16 х 16 х

50 мм для испытания на коррозионную стойкость и износ при 293 — 773 К. цилиндрические пробы диаметром 30 мм и длиной 340 мм для определения предела прочности на изгиб и твердости по шкале HRC, а также массивные отливки перемешивающего устройства сульфат-соляной печи химического завода для работы в условиях высокотемпературного абразивного износа в агрессивной среде хлористого водорода.

Для экспериментальной проверки испытаны пять составов износостойкого чугуна и состав известного чугуна.

В табл. 1 приведено содержание химических элементов в чугунах различного состава.

В табл. 2 приведены результаты испытаний чугунов различных составов.

В табл. 1 и 2 обозначено: 1 — состав, имеющий значения содержания компонентов ниже нижнего предела; 2..— состав, имеющий значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы, по нижнему пределу; 3 — состав, имеющий оптимальные значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы; 4 — состав, имеющий значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы, по верхнему пределу; 5 — состав, имеющий значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы, выше верхнего предела; 6 — состав известного чугуна.

Произведена сравнительная оценка комплекса свойств известного и предлагаемого составов чугуна; предел прочности на изгиб, твердость по шкале HRC в сыром состоянии, износостойкости при температу10

1723180

Таблица 1 рах 293 — 773 К, коррозионной стойкости в концентрированной соляной и серной кислотах. о

Износостойкость литых образцов из предлагаемого износостойкого чугуна и известного в широком интервале температур и повышенных давлениях определяют на установке, в основу которой заложен принцип торцового трения. Данная установка позволяет выявить сплавы с прочной металлической основой при различных температурах по устойчивости геометрических размеров (гравюры) образцов, а также определить их износостойкость при трении о контроле при постоянном удельном давлении. Сильная деформация образца в зоне трения при выбранной температуре испытания свидетельствует о наличии мягкой ферритно-перлитной или аустенитной основы (матрицы) в сплаве, которая имеет низкую стойкость при абразивном изнашивании, Прочная металлическая основа высокохромистого чугуна в сочетании с равномерно распределенными мелкими и средними включениями карбидной фазы обеспечивает высокую абразивную износостойкость легированного чугуна, Испытания образцов на износ проводят при 293 и 773 К при удельном давлении на образец 100 МПа.

Цикличность испытания образцов следующая: нагрузка на вращающийся образец при контакте с контртелом в нагретой зоне трения при заданном удельном давлении; выдержка образца под нагрузкой в течение

60 с, разгрузка и вывод образца из зоны трения и охлаждение образца на воздухе в течение 30 с, а затем следующее повторение цикла, Количество испытаний для каждого образца равно пяти испытаниям, Коррозионную стойкость определяют по потере массы ускоренным методом с выдержкой образцов одинакового размера в концентрированных соляной и серной кислотах в течение 24 ч.

Взвешивание образцов до и после испытаний на износ и коррозию проводят на а нал итичес к их весах ВЛА-200-M.

Анализ полученных результатов иссле5 дования известного и предлагаемого составов износостойкого чугуна показывает следующее, Сплавы 1,3 и 4 имеют высокую коррозионную стойкость в среде и наибольшую износостойкость при 293 и 773 К, а

10 также хорошо держат "гравюру" при этих температурах, Сплав 1 имеет удовлетворительную износостойкость при высоких температурах, но сильно корродирует в концентрированной соляной кислоте.

15 Сплав 5 имеет низкую. износостойкость и плохо держит "гравюру" при 293 и 773 К.

Все это позволяет считать концентрационный интервал легирующих элементов в предлагаемом износостойком чугуне опти20 мальным (сплавы 2, 3 и 4).

Показатели свойств известного чугуна по сравнению с предлагаемым износостойким чугуном с оптимальным содержанием легирующих элементов.

25 Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, хром, марганец, молибден, ванадий, бор, теллур и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения абразивной изно30 состойкости в агрессивной среде при температурах 293 — 773 К, он дополнительно содержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас. ф,:

Углерод 2,5 — 3,5

Кремний 0,5-1,5

Хром 15,0 — 25,0

Марганец 2,5-4,0

Молибден 1,0 — 3,0

Ванадий 1,0 — 3,0

40 Бор 0,05 — 0,30

Алюминий 0,06 — 0,15.

Теллур 0,06 — 0,13

Висмут 0,04 — 0,12

Железо Остальное

45 причем суммарное содержание теллура и висмута. составляет 0,10 — 0,25, 1723180

Продолжение табл1.

Таблица 2.

Примечание. В числителе — потеря массы испытуемого образца на 5 циклов при 293 К, в знаменателе — при 773 К.

Составитель С.Деркачева

Техред М.Моргентал Корректор О, Ципле

Редактор M.Ïåòðîâà

Заказ 1045 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