Чугун

 

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления деталей, работающих в условиях кавитационно-эрозионного воздействия. Цель изобретения - повышение кавитационноэрозионной стойкости. Предложенный чугун содержит, мас.%: С 1,95-2 J5; Si 0,6-1,8; Мп 0,4-2,5; NI 0,5-2,5; Сг 15-26; Мо 0,1-2.0: В 0,001-0,5; AI 0,2-0,8; TI 0,01-0,8; Си 0.2- 2,0; V 0,1-0,8; Са 0,001-0,05 и Fe - остальное . Дополнительный ввод в,состав предложенного чугуна AI, TI, Си, V и Са позволил повысить кавитационно-эрозионную стойкость в 1,7-2,1 раза. 1 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) (11) (5t)5 С 22 С 37/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4843463/02 (22) 27.06.90 (46) 30.09.92. Бюл. ¹ 36 (71) Донецкий политехнический институт (72) Ю.Б. Бычков, Ю.С. Шаповалов, В.ll. Моисеев, П.Е. Власов, Ю.И, Митьковский, Г.А. Петелин и Е. П. Перфирьев (56) 1, Авторское свидетельство СССР № 583192, кл. С 22 С 37/06, 1976, 2. Авторское свидетельство УССР № 223087, кл. С 22 С 37/06, 1981.

Изобретение относится к металлургии и литейному производству и может быть использовано для изготовления деталей, работающих в условиях кавитационно-эрозионного воздействия, например корпусов и рабочих колес шламовых насосов.

Известен чугун, содержащий в качестве основы углерод, кремний, марганец, никель, хром и железо, применяемый для изготовления деталей шламовых насосов и содержащий вышеперечисленные ингредиенты в следующих пределах, мас,%; углерод 2,9„.3,2 кремний 0,6...1,0 марганец 0,4...0,8 никель 1,2...3,2 хром 20,0...22,0 железо остальное (1)

Этот чугун имеет следующие свойства: HRC

47...48; износостойкость 7,9...8,0.

Недостатком этого чугуна является низкая износостойкость в условиях кавитационного воздействия. Низкая кавитационная (54) ЧУГУН (57) Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления деталей, работающих в условиях кавитационно-эрозионного воздействия, Цель изобретения — повышение кавитационноэрозионной стойкости. Предложенный чугун содержит, мас.%: С 1,95-2,75; Si 0,6-1,8;

Мп 0,4 — 2,5; Nl 0,5-2,5; Cr 15 — 26; Мо 0,1— - 2,0;

8 0,001 — 0,5; Al 0,2 — 0,8; Ti 0,01 — 0,8; Си 0.2—

2,0; V 0,1— - 0,8; Са 0,001 — 0,05 и Fe — остальное. Дополнительный ввод в состав предложенного чугуна Al, Tl, Cu, Ч и Са позволил повысить кавитационно-эрозионную стойкость в 1,7-2,1 раза. 1 табл. стойкость объясняется особенностями морфологии карбидной фазы и структурным состоянием матрицы сплава, Крупные эвтектические карбиды хрупко выкрашиваются при кавитационном воздействии. Высокое содержание углерода (2,9...3,2%) способствует образованию большого количества крупных эвтектических карбидов, что приводит к обеднению матрицы чугуна хромом. Это отрицательно сказывается на кавитационной стойкости матрицы. Отсутствие в составе чугуна таких элементов как ванадий"и молибден не дает возможности значительно упрочнять матрицу сплава термической обработкой.

Следовательно вышеуказанный сплав не может успешно применяться в условиях интенсивного кавитационного воздействия.

Наиболее близким по составу и свойствам к новому материалу является чугун (2), содержащий, мас.%: углерод 2,8...4,5 кремний 0,6.„1,8

1765236 марганец 0,4.„0,8 никель 1,5...2,5 хром 15,0„,26,0 молибден 1,0...2,9 бор 0,01...2,5 железо остальное

Эксплуатационные характеристики у этого. чугуна выше, чем у сплава — прототипа, что объясняется наличием в его составе молибдена и бора. Однако высокое содержание углерода способствует образованию большого количества крупных эвтектических карбидов, что ведет к понижению кавитационной стойкости материала.

Следовательно сбалансировав химиче ский состав чугуна — прототипа таким образом, чтобы его структура состояла из мелкодисперсных эвтектических карбидов хрома, расположенных в матрице, состоящей из мартенсита, остаточного аустенита и дополнительно упрочненной специальными карбидами молибдена и ванадия (выделяющимися в процессе отпуска) удастся значительно увеличить основную эксплуатационнуюю характеристику материала — кавитационно-эрозианную стойкость.

Целью изобретения является повышение износостойкости в условиях кавитационноэрозионного воздействия.

Экономический эффект от использования изобретения суммируется за счетувеличения срока службы износостойкихдеталей, увеличения межремонтного периода, сокращения расходов на ремонт и ориентировочно составит 6000...8000 руб. в год.

Поставленная цель достигается тем, что в чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, хром, молибден, бор и железо дополнительно вводится алюминий, титан, медь, ванадий и кальций при следующем соотношении компонентов (мас.%): углерод 1,95...2,75 кремний 0,6...1 8 марганец 0,4„.2,5

Никель 0,5...2,5 хром 15,0...26,0 алюминий 0,2...0,8 титан 0,01...0,8 медь 0;2...2,0 ванадий 0,1...0,8 молибден 0,1...2,0 бор 0,001...0,5 кальций 0,001...0,05 железо остальное

Содержание углерода в чугуне находится в пределах 1,95...2,75%. Углерод является элементом, обеспечивающим образование карбидной фазы. Процентное содержание углерода подобрано таким образом, чтобы обеспечить требуемое количество эвтекти10

25 ческих карбидов в структуре сплава, При понижении или повышении содержания углерода за указанные пределы происходит изменение степени эвтектичности чугуна, что отрицательно сказывается на его технологических (литейных свойствах) и кавитационной стойкости.

Содержание кремния в чугуне находится в пределах 0,6...1,8%. 8 таком количестве кремний вводится для ускорения протекэНия превращения при отпуске. Кремний уменьшает растворимость углерода в аустените и в результате этого облегчается процесс выделения из пересыщен ного аустенита карбидов. Содержание кремния менее 0,6% недостаточно для ускорения протекания p G превращения и облегчения выделения карбидов из пересыщенного аустенита. Увеличение содержания кремния более 1,8% приводит к активной графитизации чугуна, что отрицательно сказывается на эрозионной стойкости.

Содержание марганца в чугуне находится в пределах 0,4...2,5%, В состав сплава марганец вводится для повышения устойчивости аустенита в перлитной области и увеличения его вязкости, При содержании марганца менее 0,4 jo заметного повышения устойчивости аустенита в перлитной обла30 сти не наблюДается, Увеличение содержания марганца свыше 2,5% приводит к образованию s структуре сплава больших полей остаточного аустенита, неупрочненного карбидами, что отрицательно сказы35 вэется на кавитационно-эрозионной стойкости сплава.

Содержание никеля в чугуне находится в пределах 0,5...205%. Никель вводится для повышения коррозионной стойкости мат40 рицы сплава, увеличения вязкости мэртенсита, образующегося в результате термической обработки, Содержание никеля менее 0,5jo не приводит к заметному увеличению коррозионной стойкости мэт45 рицы и повышения пластичности эустенита не наблюдается. Увеличение содержания никеля, более 2,5% нецелесообразно, поскольку увеличения коррозионной стойкости сплава и повышения вязкости мартенсита

50 не наблюдается.

Содержание хрома в чугуне находйтся в пределах i5.0...26,0%, B таком количестве хром, являясь основным элементом, образующим эвтектические карбиды, обеспечива55 ет получение требуемого количества карбидной фазы, а следовательно, и требуемой кавитационно-эрозионной стойкости.

Содержание хрома менее l5,0% недостаточно для достижения высоких значений ка1765236 витационно-эразионной стойкости. Увели-. чение содержания хрома более 26,0% приводит к укрупнению карбидов и при этом заметного повышения износостойкости не наблюдается. 5

Алюминий в составе чугуна находится в пределах 0,2...0,8% и вводится как раскислитель расплава. При содержании алюминия менее чем 0,2% он недостаточно полно выполняет функцию раскисления расплава. 10

Остаточный кислород, присутствующий в твердом растворе, приводит к понижению коррозионной стойкости сплава, что снижает способность материала противостоять коррозионно-эрозионному воздействию. 15

Увеличение содержания алюминия более чем 0,8 нецелесообразно поскольку наблюдается графитизация.

Содержание титана в чугуне находится в пределах 0,01...0,8 . Титан, обладающий 20 большим сродством к углероду, чем хром, образует специальные карбиды, размещенные в матрице сплава. Наличие специальных мелкодисперсных карбидов титана в матрице сплава способствует ее упрочне- 25 нию и повышению кавитационно-эрозионной стойкости чугуна. Понижение содержания титана менее чем 0,01% не приводит к образованию достаточного количества специальной карбидной фазы и 30 заметного повышения кавитационно-эрозионной стойкости не наблюдается, Увеличение содержания титана более, чем 0,8% ведет к заметному укрупнению специальных карбидов, что отрицательно сказывает- 35 ся на кавитационной стойкости чугуна.

Содержание меди в чугуне находится в пределах 0,2...2,0, В таком количестве медь, повышает проKàëèваемость и улучшает коррозионные свойства матрицы, что 40 ведет к повышению кавитационно-эрозионной стойкости сплава, Содержание меди менее чем 0,2% не приводит к заметному повышению прокаливаемости, что не способствует равномерной износостойкости по 45 всей толщине отливки. При увеличении содержания меди свыше 2,0% она выделяется из р-твердого раствора в свободном виде, что понижает кавитационно-эрозионную стойкость сплава, 50

Ванадий в состав сплава вводится в количестве 0,1...0,8%, Это обеспечивает (в результате последующей термической обработки) выделение из матрицы сплава карбидов этого элемента, в результате чего происходит упрочнение и повышение кавитационно-эрозионной стойкости чугуна.

Уменьшение содержания ванадия менее

0,1 не приводит к выделению достаточного количества карбидов и увеличения эксплуатационной стойкости нет. Повышение содержания ванадия более 0,8 нецелесообразно из-за его высокой стоимости, Содержание молибдена в чугуне находится в пределах 0,1„.2,0%. В таком количестве молибден частично образует первичные-карбиды, а частично растворяется в матрице сплава, В результате термической обработки происходит выделение вторичных карбидов из пересыщенного утвердого раствора и аустенит обедняется углеродом, Это приводит к повышению температуры начала мартенситного превращения и увеличениЮ количества мартенсита.

Дополнительное упрочнение матрицы вторичными карбидами молибдена в значительной степени повышают ее способность сопротивляться кавитационному воздействию. Уменьшение количества молибдена менее чем 0,1 % не приводит к образованию достаточного количества вторичных карбидов, Увеличение содержания молибдена свыше 2 0% ведет K значительному укрупнению первичных карбидов и роста кавитационно-эрозионной стойкости не и рой сходит.

Бор в составе чугуна находится s пределах 0,001...0,5 . Применяется бор для модифицирования структуры литого металла:

Являясь элементом, существенно влияющим на кристаллизацию отливки, бор обеспечивает утонение осей дендритов эвтектических карбидов, что повышает эксплуатационные свойства чугуна. Уменьшение содержания бора ниже 0,001 не приводит к утонению осей дендритов, Увеличение содержания бора более чем 0,5% нецелесообразно из-за технологических трудностей, которые обусловлены снижением жидкотекучести сплава.

Содержание кальция в чугуне находится в пределах 0,001...0,05%. Кальций, располагаясь преимущественно по границам раздела фаз, упрочняет межфазную границу, делает ее энергетически более устойчивой. Это приводит к повышению прочности соединения карбидов с матрицей и, как результат, — повышение кавитационноэрозионной стойкости, Содержание кальция в сплаве менее 0,0010% не оказывает влияния на прирост кавитационно-эрозионной стойкости. Увеличение содержания кальция свыше 0,05 технологически затруднительно.

Таким образом, совместное влияние углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, алюминия, титана, меди, ванадйя, молибдена, бора и кальция на свойства чугуна проявляются в следующем : углерод и хром образуя необходимое количество эвтектиче1765236 ских карбидов, обеспечивают получение требуемой эксплуатационной стойкости сплава; кремний, ускоряя у — а превращение при отпуске, увеличивает количество мартенсита и облегчает процесс выделения специальных карбидов ванадия и молибдена; марганец, повышаетустойчивость аустенита в перлитной области; никель обеспечивает достижение требуемой коррозионной стойкости; алюминий активно раскисляет расплав, способствует повышению коррозионной стойкости и сопротивляемости материала кавитационно-эрозионному воздействию; титан, образуя специальные карбиды, дополнительно .упрочняет матрицу чугуна, повышая кавитационную стойкость; медь, повышает прокаливаемость. что способствует достижению равномерности свойств по сечению отливки и улучшает эксплуатационные характеристики деталей; молибден и ванадий образуют специальные карбиды, выделяющиеся из матрицы сплава в результате отпуска— это обеспечивает требуемую кавитационную стойкость спъава; бор, модифицируя структуру, измельчая ее структурные составляющие, способствует повышению всего комплекса эксплуатационных свойств чугуна; кальций, упрочняя межфазные границы, повышает кавитационную стойкость чугуна.

Отсюда следует, что весь комплекс компонентов, входящих в состав сплава (в пределах вышеуказанных массовых соотношений) способствует достижению высоких значений его основной эксплуатационной характеристики — кавитационно-эрозионной стойкости, Помимо этого повышается коррозионная стойкость чугуна.

Совместное влияние дополнительно введенных в состав сплава элементов (алюминия, титана, меди, ванадия и кальция) способствует повышению вязкости матрицы сплава, ее упрочнению в результате дисперсионного твердения, измельчению эвтектических карбидов, упрочнению межфазной границы. Мартенсит (получаемый в результате термической обработки) имеет мелкокристаллическое строение,и находится в количестве, обеспечивающем максимальную износостойкость (35...45%).

Вторичные карбиды равномерно распределены по всему полю матрицы и дополнительно упрочняют ее.

В результате описанных выше структурных изменений чугун приобретает новое свойство — его успешно можно применять в условиях кавитационно-эрозионного воздействия, 30

35 1,0%; силикокальций (СК-45) — 1,95%

В таблице представлены составы нового чугуна (N 1...3), составы чугуна за пределами заявляемого содержания компонентов (№ 4...5), составы чугуна, выбранные в качестве прототипа (N 6.„7).

Изобретение осуществляется следующим способом;

Опытные плавки проводились в открытой индукционной печи, емкостью 60 кг, с основной футе ров кой.

Дня получения сплавов в качестве основного сырья использовали стальной лом. содержащий: углерод 0,5 кремний 0,4 марганец 0,4 железо остальное

По расплавлении стального лома в расплав добавляли:

Для сплава N 1: электродный графит—

1,45%; ферромарганец (ФМ-60) — 0,7%; никель — 0,5%; хром — 15,0%; алюминий—

0,4%; титан — 0,02%; медь — 0,2%; ферромолибден (ФМ вЂ” 60) — 0,25%; феррованадий (ФВ-60) — 0,25%; ферробор (ФБ-50)—

0,004%; силикокальций (СК вЂ” 45) — 0,25%, Для получения сплава, обозначенного в таблице N 2,,по расплавлению стального лома в расплав добавляли: электродный графит — 1,85%; ферромарга нец (Ф М-60)—

1,95%, никель — 1,5%; хром — 20,5%; алюминий — 1,0%; титан — 0,8%, медь — 1,1%, ферромолибден (ФМ вЂ” 60)-1,6%; феррованадий (Ф — 60) — 0,75%; ферробор (ФБ-50)—

Для получения сплава ¹ 3 в расплав добавляли: электродный графит — 2,25%; ферромарганец (ФМ вЂ” 60) — 4,4%; никель—

2 5%; хром — 26%; алюминий — 1,6%; титан — 1,6%; медь — 2,0%; ферромолибден (ФМ—

60) — 4,5%; феррованадий (ФВ-60) — 1,75%; ферробор (ФБ — 50) — 2,0%; силикокальций (CK — 45) — 4,8%.

Для получения сплава № 4 в расплав добавляли; электродный графит — 1,5%; ферромарганец (ФМ вЂ” 60) — 0,9%; никель—

0,4%; хром- 14,9%; алюминий — 0,2%; титан — 0,01%; медь — 0,18%; ферромолибден (ФМ вЂ” 60) — 0,5%; феррованадий (Ф — 60)—

0,45%; фер раб ор (Ф Б-50)-0,002%; сил и кокальций (СК вЂ” 45) — 0,2%.

Для получения сплава N. 5 в расплав добавляли: электродный графит — 2,3%; ферромарганец (ФМ-60) — 4,6 %; никель—

2,6%; хром — 26,1%; алюминий — 1,8%; титан — 1,8%; медь — 2,1%; ферромолибден (ФМ—

60) — 4,5%; феррованадий (ФВ-60) — 2,1%; ферробор (ФБ — 50) — 2,2%, силикокальций (СК вЂ” 45) — 5,0%.

1765236

10 увеличить срока! службы деталей шламовых насосов.

1,95 — 2,75

0,6-1,8

0,4-2,5

0,5-2,5

15-26

0,1-2,0

0.001-0,5

0,2-0,8

0,001 — 0,8

0,2 — 2,0

0,1-0,8

0,001-0,05 остальное

Химические элементы мас

Потеря массы образом мг

Ft:

Са мо. Cv

Sl Mn Nl сплава ог

1,1 г .о

0.18 г,!

8.1

7.2 !

О,4

10,9

14,2

139

0стальное

О.001

0.025

0,05

0,0009

0.06

О,ОО!

0,25

0.5

0,0009

0.6

0,О!

О,!

0.8

0,18 о,9

0,1

1,î г.о

0,19 г,!

1,О

О,О1

О,4

0,8

0,009

О9

0,2

0,5

0,8 о,!

0.9

15,0

20,5

26,0

14,9

26,1

0.5

1,5

2,5

0,4

2,6

1,5

0.6

1,45

1,8

О.4

2.5

0,6

1,8

1.95

2.35

2.75

1.9

2,8 г,б

О.4

1 1,7

2,5

0.8

2.6

0,4 О 8 ь Испытания иэносостойкости производились после термообработки образцов Ilo следующему режиму: нормализация от 1108 С; отпуск при 380 ...420 С 3,5 ... 4.0 час.

Составитель Ю.Шаповалов

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор O. Кравцова

Редактор

Заказ 3356 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101

После экспресс-анализа. доводки расплава по химсоставу и контрольного анализа чугун разливали по литейным формам.

В результате проведенных плавок получен чугун с аустенитной матрицей, в которой расположены карбиды типа М1Сз, После нормализации матрица представляет собой мелкокристаллический мартенсит и остаточный аустенит, В результате дисперсион ного твердения (при отпуске) в матрице появляются мелкие сложнолегированные карбиды ванадия и молибдена.

В таблице приведены значения потери массы образцов в результате кавитационноэрозионного воздействия. Испытания проводились на установке типа Штауффера.

Частота вращения головки с образцами—

980 об/мин., соотношение жидкость (твердая фаза — 10/1. Реакция жидкой фазы— слабокислая (pH около 5), Из таблицы видно, что в условиях кавитационно-эрозионного воздействия новый сплав в 1,8-2,2 раза превосходит чугун выбранный в качестве прототипа.

Более высокие эксплуатационные характеристики сплава позволят значительно

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремниИ, марганец, никель, хром, молибден, бор и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения кавитационно-эрозионной

10 стойкости, он дополнительно содержит алюминий, титан, медь, ванадий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. : углерод

15 кремний марганец никель хром молибден

20 бор алюминий титан медь ванадий

25 кальций железо