Способ получения литой заготовки из белого износостойкого чугуна для быстроизнашиваемой детали

 

Изобретение может быть использовано в металлургии, в частности, в способах получения отливок из белого износостойкого чугуна, которые могут использоваться в качестве быстроизнашивающихся деталей, например, сменных деталей горно-обогатительного оборудования, мелющих тел шаровых мельниц. Согласно способу выплавку чугуна осуществляют расплавлением в электропечи железоуглеродистой шихты с одновременным легированием его на заданный состав. Модифицирование осуществляют силикобарием при сливе в ковш нагретого в печи до 1400 - 1470^oC расплава. После модифицирования получает чугун следующего состава, мас. %: C 2,4 - 4,0; Si 0,5 - 1,5; Mn 2,0 - 4,0; Ni 2,0 - 4,0; Cr 8,0 - 12,0; MoО 0,5 - 0,8; B 0,1 - 0,3; Ba 0,005 - 0,001; P 0,02 - 0,01; S 0,02 - 0,07; Fe остальное. Отливки получают заливкой заданного состава чугуна в песчаную или металлическую форму. Отливки подвергают очистке, обрубке и термообработке. Термообработку осуществляют в виде высокотемпературного отпуска с нагревом до 690 - 710^oC, выдержкой при ней 6 - 7 и охлаждением с печью до 400^oC, а затем на воздухе. Изобретение позволяет получить отливки с высокой твердостью и износостойкостью, эксплуатационной стойкостью и низкой стоимостью.

Изобретение относится к металлургии, в частности, к способу получения отливок из белого износостойкого чугуна, которые могут использоваться в качестве быстроизнашивающихся деталей, например сменных деталей горно-обогатительного оборудования, мелющих тел шаровых мельниц.

Известен способ получения отливок из белого чугуна [1], включающий выплавку чугуна с последующей заливкой его в металлическую форму при 1220 - 1300^oC при следующем соотношении в нем компонентов, мас.% Углерод - 2,8 - 3,8 Кремний - 0,5 - 1,3 Марганец - 1,2 - 2,5 Железо - Остальное Указанные отливки могут быть использованы в качестве мелющих шаров в шаровых мельницах. Недостатками способа являются: неравномерная структура, невысокая твердость и повышенная хрупкость отливок шаров, что снижает их износостойкость и эксплуатационную стойкость при использовании в шаровых мельницах.

Известен способ получения отливок из высоколегированного белого чугуна с высокой твердостью и износостойкостью [2 и 3, с. 336 - 434]. Недостатками способа являются использование повышенного количества в качестве легирующих дорогих и дефицитных элементов хрома, никеля, молибдена, ванадия, титана, меди, алюминия и других, что увеличивает стоимость отливок; низкие технологические свойства чугуна, в частности, низкая жидкотекучесть, высокая склонность к усадке и образованию трещин при литье и термической обработке, плохая обрабатываемость, что затрудняет получение качественных отливок и деталей из них.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения литой заготовки из белого чугуна, раскрытый в [4], заключающийся в литье заэвтектического предельного чугуна в заготовки белого литейного чугуна, их нагреве и горячей пластической деформации при 900 - 1125^oC с целью получения шаров из белого литейного чугуна, которые затем подвергаются быстрому охлаждению и отпуску при температуре ниже точки A_c1 или отжигу при 150 - 200^oC. Структура этих шаров характеризуется тем, что эвтектическая цементитная сетка преобразуется в мелкий эвтектический цементит, равномерно в виде концентричных сфер диспергированный в перлитной матрице шара, что придает им высокую ударную вязкость и износостойкость.

Недостатками указанного способа являются: кроме литья из жидкого металла заготовки предусматривается применение дополнительных технологических операций нагрева литой заготовки до высокой температуры 900 - 1125^oC и ее пластической деформации с целью получения шаров, что существенно усложняет и удорожает весь технологический процесс их получения по сравнению с литьем шаров из жидкого металла; из-за низкой пластичности заготовок из белого чугуна при 900 - 1125^oC возможен большой брак шаров по трещинам и низкой твердости.

Задачей изобретения является получение отливок из белого износостойкого чугуна с высокой твердостью и износостойкоcтью, эксплуатационной стойкостью, хорошими технологическими свойствами и низкой стоимостью.

Для решения указанной задачи выплавляют чугун в электропечи с одновременным его легированием, модифицируют его силикобарием при сливе металла из печи в ковш при 1400 - 1470^oC, получают из него отливки литьем в песчаную или металлическую форму и затем подвергают их термической обработке высокотемпературной нормализации путем нагрева их до 1050 - 1100^oC и выдержки при ней 2 - 3 ч с последующим охлаждением на воздухе и последующему высокотемпературному отпуску после механообработки путем нагрева их до 690 - 710^oC, выдержки при ней 6 - 7 ч., охлаждения с печью до 400^oC и последующим охлаждением на воздухе, при этом используются чугуны следующего химического состава, мас.%: Углерод - 2,4 - 4 Кремний - 0,5 - 1,5 Марганец - 2 - 4 Хром - 8 - 12
Никель - 2 - 4
Молибден - 0,5 - 0,8
Бор - 0,1 - 0,3
Фосфор - 0,02 - 0,1
Сера - 0,02 - 0,07
Барий - 0,005 - 0,01
Железо - Остальное
В результате получают отливки из легированного белого чугуна, микроструктура которых состоит из легированной и поэтому твердой бейнитно-троститно-сорбитно-аустенитной металлической основы, легированных хромом, марганцем, молибденом и бором и поэтому очень твердых крупных изолированных первичных и выделившихся в большом количестве в металлической основе мелких изолированных вторичных карбидов и карбонитридной фазы высокой дисперсности.

Такая микроструктура обеспечивает высокую твердость, износостойкость, прочность и повышенную вязкость чугуна, в результате чего отливки из него обладают высокой эксплуатационной стойкостью.

Модифицирование чугуна силикобарием улучшает его литейные свойства - повышает жидкотекучесть, снижает склонность к усадке и трещинообразованию, что обеспечивает получение качественных отливок. Уменьшение содержания легирующих элементов снижает стоимость отливок.

Применение высокотемпературной нормализации способствует снижению твердости отливок, что улучшает их обрабатываемость. Применение высокотемпературного отпуска способствует увеличению твердости, износостойкости и вязкости отливок и деталей, что повышает их износостойкость и эксплуатационную стойкость.

Такой способ получения отливок из износостойкого белого чугуна выбран на основе проведенных исследований влияния параметров различных этапов технологического процесса и состава чугуна на их микроструктуру и свойства и выбора их оптимальных значений, обеспечивающих наилучшие показатели свойств.

Легирование чугуна наиболее целесообразно производить в электропечи при его выплавке, так как при этом обеспечивается наилучшее усвоение легирующих элементов из вводимых легирующих добавок и точное получение заданного химического состава чугуна.

Модифицирование чугуна силикобарием принято потому, что он является наиболе эффективным модификатором для белого чугуна по сравнению с известными другими модификаторами, например ферросилицием или силикокальцием. Он хорошо и быстро усваивается расплавом, способствует эффективной очистке его от серы и других вредных примесей, увеличивает его жидкотекучесть, снижает склонность чугуна к усадке и образованию усадочных дефектов и трещин, сохраняет длительный эффект модифицирования при заливке, измельчает структуру отливок, что способствует получению качественных отливок, кроме того, он недефицитен и недорогой. Модифицирование силикобарием осуществляется одним из известных простых способов, например, путем введения его в виде крошки под струю расплава при сливе его из печи в ковш или на дно ковша. Наибольший эффект модифицирования расплава белого чугуна силикобарием достигается при его температуре 1400 - 1470^oC. При ее снижении ниже нижнего указанного предела или увеличения выше верхнего указанного предела существенно снижается усвоение жидким чугуном силикобария, что сильно снижает эффект влияния модифицирования на качество отливок.

Содержание в белом износостойком чугуне 2,4 - 4% углерода способствует образованию в нем карбидов, что повышает его твердость и износостойкость.

Снижение содержания углерода ниже нижнего указанного предела резко снижает количество карбидов в белом чугуне и его твердость и тем самым снижает его износостойкость, а повышение содержания углерода выше верхнего указанного предела способствует образованию в белом чугуне сплошного каркаса очень хрупких первичных карбидов, что резко снижает его вязкость и повышает хрупкость.

Содержание в белом износостойком чугуне 0,5 - 1,5% кремния повышает его технологические свойства - увеличивает жидкотекучесть, снижает склонно к усадке и увеличивает его прочность и вязкость, что повышает качество и свойства отливок.

При снижении содержания кремния ниже нижнего указанного предела существенно снижается его положительное влияние, а при увеличении его содержания выше верхнего указанного предела образуются силикокарбиды, резко повышающие хрупкость и снижающие вязкость белого чугуна.

Содержание в белом износостойком чугуне 2 - 4% марганца повышает его износостойкость и вязкость как вследствие увеличения его прокаливаемости, так и вследствие увеличения в его структуре количества легированных им карбидов и аустенита, который под его воздействием накапливается и тем самым повышает износостойкость отливок.

Снижение содержания марганца ниже нижнего указанного предела резко снижает его положительное влияние на структуру и свойства белого чугуна, а повышение его содержания выше верхнего указанного предела приводит к образованию в его структуре большого количества аустенита, что снижает его твердость и износостойкость.

Содержание в белом износостойком чугуне 8 - 12% хрома обеспечивает его высокую твердость и износостойкость как вследствие образования в его микроструктуре большого количества очень твердых карбидов (Cr, Fe)₇C₃, так и вследствие увеличения его прокаливаемости. При снижении содержания в белом чугуне хрома ниже нижнего указанного предела в его микроструктуре не образуются карбиды (Cr,Fe)₇C₃, а образуются лишь карбиды (Fe,Cr)₃C, которые имеют пониженную твердость, что существенно снижает твердость и износостойкость белого чугуна.

Повышение содержания хрома выше верхнего указанного предела не приводит к дальнейшему увеличению прокаливаемости чугуна и количество карбидов (Cr, Fe)₇C₃ в микроструктуре, что не способствует дальнейшему повышению его твердости и износостойкости, но увеличивает стоимость отливок.

Содержание 2 - 4% никеля в белом чугуне способствует повышению его износостойкости и вязкости как вследствие резкого повышения под его воздействием прокаливаемости чугуна, так и количества в его микроструктуре легированного им аустенита, который под его воздействием наклепывается и тем самым повышает износостойкость отливок.

При снижении содержания никеля ниже нижнего и при увеличении выше верхнего указанного предела существенно снижается его положительное влияние на износостойкость белого чугуна.

Содержание 0,5 - 0,8% молибдена в белом чугуне улучшает свойства получаемых из него отливок, так как увеличивает прокаливаемость чугуна, препятствует образованию в его микроструктуре первичных карбидов в виде длинных пластинчатых и столбчатых кристаллов, повышающих его хрупкость, и способствует стабилизации аустенита, повышающего вязкость чугуна.

При снижении содержания молибдена в белом чугуне ниже нижнего указанного предела существенно снижается его положительное влияние на свойства отливок, а при превышении его содержания выше верхнего указанного предела не наблюдается дальнейшего увеличения положительного его влияния, но существенно возрастает стоимость отливок, так как он имеет высокую стоимость.

Содержание 0,1 - 0,3% бора в белом чугуне повышает его твердость и износостойкость, так как он легирует карбиды и повышает их твердость и образует самостоятельную высокодисперсную очень твердую карбонитридную фазу, увеличивающую его твердость и износостойкость. Кроме того, бор способствует измельчению литой структуры чугуна в отливках, что повышает их свойства.

При снижении содержания бора ниже указанного предела резко снижается его положительное влияние на структуру и свойства белого чугуна, а при превышении его содержания выше верхнего указанного предела он способствует увеличению хрупкости белого чугуна, что снижает эксплуатационные свойства отливок.

Содержание в белом чугуне 0,02 - 0,07% серы и 0,02 - 0,1% фосфора соответствует их принятому содержанию, поэтому является приемлемым и не оказывает влияния на его свойства.

Содержание в белом чугуне 0,005 - 0,01% бария достигается при модифицировании его расплава силикобарием, влияние которого на структуру и свойства отливок указано выше.

При снижении содержания бария ниже нижнего указанного предела не обеспечивается эффект модифицирования расплава белого чугуна силикобарием, а при превышении содержания его выше верхнего указанного предела не происходит дальнейшего увеличения положительного влияния модифицирования силикобарием, кроме того, образуется при этом повышенное количество неметаллических включений в виде оксисульфидов бария, что повышает хрупкость отливок и снижает их эксплуатационную стойкость.

Высокотемпературная нормализация отливок из белого чугуна обеспечивает повышение их износостойкости, вязкости и обрабатываемости, при этом наилучшие свойства достигаются при принятом их химическом составе и нагреве до температуры 1050 - 1100^oC и выдержке 2 - 3 ч. При таком режиме нормализации в микроструктуре отливок образуются изолированные первичные карбиды вместо образующегося при литье сплошного их каркаса, резко повышающего хрупкость отливок, а так же бейнитно-троостито-аустенитная металлическая основа с большим количеством аустенита, что снижает их твердость и улучшает обрабатываемость. Такая микроструктура чугуна повышает также его вязкость и снижает склонность к образованию трещин в отливках.

Снижение температуры нагрева и времени выдержки при нормализации отливок ниже нижних указанных пределов не обеспечивает полноты протекания в них диффузионных процессов и получение указанной выше микроструктуры чугуна в них и поэтому не повышают свойства отливок, превышение же их выше верхних указанных пределов не обеспечивает дальнейшего ускорения диффузионных процессов, а приводит лишь к росту зерна и снижению высокотемпературной прочности чугуна, что может приводить к образованию трещин и разрушению отливок в процессе термообработки.

Высокотемпературный отпуск отливок из белого износостойкого чугуна после их нормализации и механообработки обеспечивает повышение их эксплуатационной стойкости, при этом наилучшие свойства достигаются при принятом их химическом составе и нагреве их до 690 - 710^oC, выдержке при ней 6 - 7 ч, охлаждении с печью до 400^oC и последующим охлаждении на воздухе. При таком режиме отпуска структура отливок из белого чугуна принятого химсостава состоит из бейнитно-трооститно-сорбитно-аустенитной металлической основы, крупных изолированных первичных и выделившихся в большом количестве в металлической основе очень мелких изолированных вторичных карбидов и карбонитридной фазы высокой дисперсности.

Снижение температуры нагрева и времени выдержки при отпуске отливок ниже нижних указанных пределов не обеспечивает полноты протекания диффузионных процессов и выделение в большом количестве вторичных карбидов, что снижает твердость и износостойкость чугуна и эксплуатационную стойкость отливок, а превышение их выше верхних указанных пределов больше не увеличивает количества вторичных карбидов в микроструктуре отливок, а повышает лишь их стоимость.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в достижении высокой твердости, износостойкости и эксплуатационной стойкости, хороших технологических свойств и низкой стоимости отливок. Это достигается получением в их микроструктуре бейнитно-трооститно-сорбитно-аустенитной металлической основы, крупных изолированных первичных и располагающихся в металлической основе в большом количестве очень мелких изолированных вторичных очень твердых карбидов (Cr,Fe)₇C₃ и высокодисперсной карбонитридной фазы. Такие отливки и получаемые из них детали могут использоваться в качестве быстроизнашивающихся деталей с повышенной ударостойкостью, например, сменных деталей горно-обогатительного оборудования, мелющих тел шаровых мельниц и в других случаях, где одновременно требуется высокая износостойкость и ударостойкость.

Способ может быть осуществлен с использованием следующих технических приемов.

Плавку чугуна с одновременным его легированием осуществляют в плавильных электропечах, а его модифицирование силикобарием - в разливочных ковшах. Отливки получают путем заливки жидкого чугуна после его модифицирования в литейные песчаные или металлические формы. После извлечения из форм отливки подвергают очистке и обрубке обычно применяемыми для этого способами. Очищенные и обрубленные отливки подвергают термической обработке нормализации в обычно применяемых для этих целей термических печах, при этом подвергаемые механической обработке отливки после нормализации сначала обрабатывают, а затем подвергают отпуску, а необрабатываемые сразу же после нормализации подвергают отпуску.

Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок с заявленными свойствами.

Пример. В плавильной электропечи расплавляли шихтовые материалы и получали легированный чугун. После нагрева расплава в печи до 1450^oC его сливали в разливочный ковш, в который предварительно засыпали 0,5% от массы расплава дробленный силикобарий, что обеспечивало после модифицирования следующее содержание в чугуне элементов, мас.%:
Углерод - 3,57
Кремний - 0,82
Марганец - 3,31
Хром - 10,44
Никель - 3,18
Молибден - 0,66
Бор - 0,19
Фосфор - 0,062
Сера - 0,033
Барий - 0,007
Железо - Остальное
Из модифицированного чугуна получали отливки мелющих шаров диаметром 60 мм путем заливки его в металлическую форму. Одновременно заливали пробы на определение жидкотекучести и линейной усадки чугуна.

Жидкотекучесть выплавленного чугуна по спиральной пробе составила 722 мм, а усадка - 1,37%. Жидкотекучесть выплавленного чугуна выше прототипа на 15%, а усадка ниже на 25%.

Полученные отливки шаров подвергали обрубке - удаляли на них остатки литниковой системы, замеряли их твердость на прессе Роквелла, а затем подвергали их термической обработке.

Твердость шаров в литом состоянии составляла HRC 59. твердость полученных шаров в литом состоянии выше прототипа на 30%.

Высокотемпературную нормализацию отливок шаров производили путем нагрева их в термической камерной печи до 1100^oC и выдержки при ней 2,5 ч., после чего они извлекались из печи и охлаждались на воздухе.

Твердость шаров после высокотемпературной нормализации составляла HRC 50. Твердость полученных шаров после нормализации ниже прототипа на 8%. Снижение твердости отливок после высокотемпературной нормализации обеспечивает их механообработку. Полученные мелющие шары механической обработке не подвергаются, так как они используются в виде необработанных отливок. После высокотемпературной нормализации отливок шаров их подвергали высокотемпературному отпуску в камерной термической печи путем нагрева их до 700^oC, выдержки при ней 6,5 ч, охлаждения с печью до 400^oC, после чего они извлекались из печи и охлаждались на воздухе.

Твердость шаров после высокотемпературной нормализации и высокотемпературного отпуска составила HRC 65, что выше прототипа на 20%.

Проведенные испытания на машине трения Х4-Б показали, что относительная абразивная износостойкость при испытаниях по закрепленному образцу заявленого чугуна выше прототипа на 52%.

Стоимость заявленного чугуна ниже стоимости чугуна прототипа на 9%.

Получение отливок из белого износостойкого чугуна заявленным способом обеспечивает высокую их твердость, износостойкость и эксплуатационную стойкость, хорошие технологические свойства и низкую стоимость.

Формула изобретения

Способ получения литой заготовки из белого износостойкого чугуна для быстроизнашиваемой детали, включающий выплавку, легирование и модифицирование чугуна, с получением заданного состава чугуна, получение отливки заливкой заданного состава чугуна в песчаную или металлическую форму, очистку и термообработку отливки, отличающийся тем, что выплавку чугуна осуществляют расплавлением в электропечи железоуглеродистой шихты с одновременным легированием его на заданный состав, модифицирование осуществляют силикобарием при сливе в ковш нагретого в печи до температуры 1400 - 1470^oC расплава, а термообработку осуществляют в виде высокотемпературной нормализации с нагревом до температуры 1050 - 1100^oC и выдержкой при ней 2 - 3 ч и последующего высокотемпературного отпуска с нагревом до температуры 690 - 710^oC, выдержкой при ней 6 - 7 ч и охлаждением с печью до температуры 400^oC, а затем на воздухе, при этом после модифицирования получают чугун следующего состава, мас.%:
Углерод - 2,4 - 4,0
Кремний - 0,5 - 1,5
Марганец - 2,0 - 4,0
Никель - 2,0 - 4,0
Хром - 8,0 - 12,0
Молибден - 0,5 - 0,8
Бор - 0,1 - 0,3
Барий - 0,005 - 0,001
Фосфор - 0,02 - 0,10
Сера - 0,02 - 0,07
Железо - Остальноег