Износостойкий чугун

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано при производстве износостойких сплавов. Сущность изобретения: предложенный чугун содержит, мас.%: С 2,1-3,6; Si 0,3-1,3; Мп 1,9-3.4; Сг 5.3-10,1; V 3,7-7,1; AI 0,1-0,5; Са 0,002-0,02 и Fe остальное . Дополнительный вргод в состав предложенного чугуна Са и AI позволяет повысить HRC3 в 1,07-1,16 раза и снизить износ в абразивной среде в 2,08-2,89 раза. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!) 5 С 22 С 37/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ (54) ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН Э (Я 4 (Я

1 (21) 4866950/02 (22) 27.09.90 (46) 07.04.92. Бюл. N 13 (72) Г. И. Сильман (53) 669.15-196(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР йт 378492, кл. С 22 С 37/06, 1971.

МИТОМ, 1981, N 1, 52-55.

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким сплавам.

Известен сплав, содержащий, мас.,(:

Углерод 2,3-3,4

Кремний 1,2-3,0

Марганец 1,5-5,0

Хром 11,5-18,0

Ванадий 0,2-2,5

Железо Остальное

После термической обработки этот чугун при высокой твердости (HRC 60-62) имеет недостаточно высокие. значения прочности (o> до 500 МПа) и износостойкости (относительная абразивная износостойкость я до 2,6), Еще ниже свойства этого чугуна в литом состоянии (т.е. без термической обработки).

Наиболее близким к предлагаемому по свойствам является белый чугун следующего химического состава, мас, :

Углерод 2,1-3,7

Кремний 0,6-1,9

Марганец 0,8-20

Хром 4-15

Ванадий 6-17

Железо Остальное

„„. Ж„, 1725757 А3

1 (57) Изобретение ртносится к металлургии и может быть использовано при производстве износостойких сплавов. Сущность изобретения: предложенный чугун содержит, мас. Д: С

2,1-3,6; Si 0,3-1,3; Мп 1,9-3,4; Cr 5,3-10,1; V

3,7-7,1; Al 0,1-0,5; Са 0,002-0,02 и Fe остальное. Дополнительный в (од в состав предложенного чугуна Са и Al позволяет повысить

HRC., в 1,07-1,16 раза и снизить износ в абразивной среде в 2,08-2,89 раза. 2 табл.

Этот чугун обладает более высокими значениями прочности и иэносостойкости непосредственно в литом состоянии. Однако несогласованное соотношение содержаний марганца и хрома может приводить к частичной или полной аустенитизации металлической основы (матрицы) чугуна. что ограничивает возможности его использования условиями ударно-абразивного воздействия (наподобие стали 110 Г13Л), в которых он обладает высокой износостойкостью. В условиях чисто абразивного изнашивания (без значительных ударных нагрузок) износостойкость этого чугуна существенно ниже, особенно для деталей небольших сечений (до 40-50 мм).

Целью изобретения является повышение абразивной износостойкости чугуна в литом состоянии.

Указанная цель достигается тем, что чугун, содержащий железо, углерод, кремний, марганец, хром и ванадий, дополнительно содержит алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. ф,:

Углерод 2,1-3,6

Кремний 0,3-1,3

1725757

Марганец 1,9-3,4

Хром 5,3-10,1

Ванадий 3,7-7,1

Алюминий 0,1-0,5

Кальций 0,002-0,02

Железо Остальное

B качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,06 ) и фосфор (до

0,08 ). Кроме того, содержания компонентов должны. соответствовать следующим условиям: П1 = V/Ñã = 0,7-1,0, П = V + Cr =

=9,0-17,2 ; Пз = Мп + 0,3 Cr = 3,64-6,15 .

Состав чугуна выбран исходя из следующих соображений.

По сравнению с прототипом упорядочено суммарное содержание марганца и хрома в соответствии с параметром Пз. В этом параметре содержания марганца и хрома суммируются пропорционально их коэффициентам концентрации в аустените. Ограничение по параметру Пз обеспечивает получение в отливках мартенситной структуры матрицы чугуна при небольшом возможном количестве остаточного аустенита, не оказывающем существенного влияния на твердость и износостойкость чугуна.

Минимальное содержание марганца (1,9 ) рекомендуется для тонкостенных отливок (с толщиной сечения до 15 мм). Верхний предел содержания марганца (3,4 ) целесообразно использовать для отливок с толщиной сечения 40-50 мм. В этом случае условия охлаждения отливки в форме обеспечивают ее сквозную прокаливаемость на достаточно высокую твердость (не менее

HRC355). В промежуточных сечениях (с толщиной 15-30 MM) достаточно стабильные результаты по твердости и износостойкости обеспечивает весь интервал содержаний марганца.

Содержание хрома ограничено интервалом 5,3-10,1 . При выходе содержания хрома за нижний предел становится недостаточной степень легирования аустенита и мартенсита, следствием чего является снижение прокаливаемости, твердости и износостойкости чугуна, При содержании хрома более 10,1 в структуре литого сплава резко уменьшается количество двойной эвтектики А + VC (где А — аустенит, VC — карбид ванадия) и преобладающей становится тройная эвтектика А+ м7Сз+ vC (где м7Сз — комплексный карбид типа СгтСз). Это приводит к снижению свойств чугуна.

Верхний и нижний пределы интервала значений параметра Пз обусловлены условиями необходимой прокаливаемости аналогично требованиям по содержанию марганца, Интервал значений Пз обеспечивает получение литой структуры с преобла5

55 данием мартенситной основы, что проявляется в высокой твердости и износостойкости чугуна.

Кремний в пределах содержаний до

1,3 обеспечивает карбидное старение матрицы чугуна при охлаждении отливки в форме. Кремний также способствует замене ледебурита в структуре белого чугуна специальными эвтектиками, что обеспечивает повышение свойств чугуна. При содержании кремния более 1,3 наблюдается снижение прочности чугуна из-за ускоренной коагуляции упрочняющих карбидных частиц. На нижнем пределе (0,3 ) кремний является технической примесью.

Содержание ванадия рекомендуется в интервале 3,7-7,1 / (в зависимости от содержаний углерода и хрома). При содержании ванадия менее 3,7 в структуре чугуна преобладает тройная эвтектика, что проявляется в снижении свойств чугуна.

Минимально необходимое содержание ванадия определяется также условиями

П и П (в зависимости от содержаний хрома), При несоблюдении этих условий свойства чугуна ухудшаются из-за резкого увеличения в структуре количества тройной эвтектики и даже появления ледебурита. Содержание ванадия более 7,1/ нецелесообразно из-за существенного удорожания сплава без заметного улучшения свойств.

Содержание ванадия в чугуне рекомендуется принимать в зависимости от содержания углерода при, /: С 2,1-2,5 V — 3,7-4,5, С 2,8-3,2 V 5-6; С 3,4-3,6 V— - до7,1.

Алюминий в составе чугуна обеспечивает три эффекта: совместно с кремнием усиливает карбидное старение сплава, ускоряет распад аустенита и увеличивает степень мартенситного превращения; совместно с силикокальцием оказывает модифицирующий эффект и измельчает эвтектические колонии в структуре чугуна. Все это повышает твердость и износостойкость чугуна. Однако слишком большое количество алюминия (свыше 0,5 /) резко ухудшает литейные свОйства сплава.

Кальций вводится в сплав в виде силикокальция и оказывает сильный модифицирующий эффект. Его остаточное содержание целесообразно поддерживать в количестве

0,002-0,02 / . Меньшее содержание кальция . соответствует немодифицированному сплаву, В большем количестве он образует неметаллические включения, ухудшающие свойства чугуна. Модифицирующий эффект действия кальция приводит к измельчению структуры, повышению твердости и износостойкости чугуна.

1725757

Таблива

Содержание элементов, мас.2 с. Ju(al ) с1п, (м (k,36

3,64

4,29

5,84

6,15

3,09

Соотвествует формуле изобретения

0 18 0 018 070

0,39 0>002 0,81

0,10 0,008 1,00

0,50 0,020 0,78

0,23 0;010 0,70

1,51

9,00

10,54

11,71

14, 46

17,20

12,12

5,30 3,70

5,80 4,74

5,85 5,86

8,14 6,32

10,10 7,10

4,82 7,30

2,77

1,90

2;53

3,40

3,12

1 >64

1 210 130

2 2,68 0,84

3 2 93 0 30

4 3,15 0,55

5 3,60 0,71

6 1,82 0,73

Отклонения по

С,Мп, Cr,V А1, и. nnf- nn3

Отклонения по Si, 3

Отклонения по С, V, А1, Са, ll П

Отклонения по Бз, 11в, А1, Са, Оаи

7 2,98 1,68 4,62 12,30 5,40 0,23 0,005 0,44 12,70

8,31

8 3,94

0,91 3,10 6,13 2,02 0,82 0,031 О, 33 8,15

4,94

1 40 5 12 6 96 6,04 - - О 87 13 00

7,21

Э(из- 2,87 вестний) 55

Предлагаемый интервал содержания углерода (2,1-3,6%) обеспечивает формирование в структуре сплава колоний двойной и тройной эвтектики. Когда необходима повышенная ударная вязкость, целесообразно 5 использовать малоуглеродистый чугун (2,124 % С). В этом случае в структуре чугуна преобладает двойная эвтектика, небольшое количество тройной эвтектики располагается в структуре в виде изолированных вклю- 10 чений. Чем больше углерода в чугуне, тем больше количество специальных карбидов и выше абразивная износостойкость. Однако при содержании углерода более 3,6% в структуре чугуна появляются крупные заэв- 15 тектические карбиды, которые в процессе эксплуатации деталей легко выкрашиваются, что увеличивает износ деталей.

Плавки чугуна проводили в открытых индукционных тигельных печах на шихте, 20 состоящей из углеродистой стали, электродного боя и ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома и феррованадия). Ферросплавы вводили в расплав, перегретый до 1380-1450 С (в зависимости от 25 содержания углерода). При переливе металла в разливочный ковш вводили алюминий и силикокальций.

Жидкий металл разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали заготовки 30 сечением 15х15 мм и разрывные образцы с рабочим сечением диаметром 10 мм. Из квадратных заготовок изготавливали образ- цы для определения твердости и износостойкости, а также стандартные образцы на 35 ударный изгиб. Испытания на износ проводили трением по абразивной ленте (из корундовой шкурки) при скорости движения ее 6 м/мин и удельной нагрузке 3 МПа.

Износ определяли по потере массы в про- 40 цессе изнашивания. Относительную абразивную износостойкость оценивали коэффициентом = 47эИм, где U0 и UM — значения износа эталона и испытуемого материала. В качестве эталона использовали образцы из стали 45 (НВ 197207).

Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены в табл. 1 и 2 в сопоставлении с прототипом..

Видно, что чугун предлагаемого состава (сплавы 1-5) отличается от прототипа более высокой твердостью и значительно более высокой абразивной износостойкостью.

При выходе за предлагаемые пределы содержаний компонентов в сплаве существенно снижаются его свойства, прежде всего

ИЗНОСОСТОЙКОСТЬ.

Формула изобретения

Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения твердости и абразивной износостойкости, он дополнительно содержит алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 2,1-3,6

Кремний 0,3-1,3

Марганец 1,9-3,4

Хром 5,3-10,1 ,Ванадий 3,7-7,1

Алюминий 0,1-0,5

Кальций 0,002-0,02

Железо Остальное причем содержания хрома, ванадия и марганца удовлетворяют следующим соотношениям: 177 Сг=0,7-1,0; V+ Cr=9,0-17,2%;

Mn+ 0,3 Cr = 3,64-6,15%.

Характеристика

jII22 (П,,2

1725757

Таблица 2

* Износ приведен на пути трения 1 м.

Составитель Г. Дудик

Редактор Н. Лазаренко Техред М.Моргентал Корректор М. Демчик

Заказ 1188 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