Износостойкий чугун

 

Изобретение относится к литейному производству, в частности к износостойким чугунам. Может использоваться для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся абразивному и гидроабразивному износу. Предложен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий, мас.%: углерод 3,2-4,0; кремний 1,4-2,5; марганец 0,4-1,2; хром 7,0-10,0; никель 2,5-5,5; бор 0,2-0,4; ванадий 0,6-1,0; алюминий 0,05-0,15; церий 0,05-0,20; магний 0,03-0,12; кальций 0,05-0,20; железо - остальное. Техническим результатом является повышение прочности, твердости, стойкости в условиях ударно-абразивного износа при сохранении высоких показателей литейных свойств. 1 табл.

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к износостойким чугунам для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся абразивному и гидроабразивному износу, например, деталей рудо- и углеразмольного оборудования, шламовых насосов, пульпопроводов и т.п.

Известен износостойкий чугун, содержащий (мас.%): углерод - 3-3,7, кремний - 0,5-3; марганец - 0,2-1,5; хром - 6,8-15; никель - 4-8; фосфор - до 0,4; сера - до 0,15; железо - остальное (см. патент США №2662011, кл. 75-128, 1953).

Недостатками этого чугуна являются: большая линейная усадка, высокие значения модуля упругости и коэффициента линейного расширения. В связи с этим в процессе затвердевания и охлаждения в отливках возникают большие остаточные литейные напряжения, которые не позволяют применить этот чугун для изготовления металлических отливок из разнородных материалов, так как при затвердевании износостойкого слоя из известного чугуна из-за высоких термических напряжений возникают трещины, приводящие к разрушению износостойкого слоя и получению некачественных биметаллических отливок.

В качестве наиболее близкого аналога выбран износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий, мас.%: углерод - 3,6-3,8, кремний - 1,6-2,1, марганец - 0,5-0,7, никель - 0,8-1,2, молибден - 0,5-0,6, хром - 0,2-0,4, церий - 0,10-0,16, медь - 0,15-0,30 и железо (а.с. СССР 1560605, МПК С 22 С 37/00, опубл.30.04.1990).

Однако этот известный чугун с шаровидным графитом в литом состоянии не обеспечивает необходимую стойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания. Требуемые свойства известного чугуна обеспечиваются только после сложной термической обработки (изотермической закалки).

Техническим результатом является повышение прочности, твердости и стойкости чугуна по сравнению с известным чугуном в условиях ударно-абразивного изнашивания и сохранение высоких показателей литейных свойств, получение мелкозернистой структуры металлической основы и карбидной фазы при небольшом количестве остаточного аустенита и шаровидного графита.

Для достижения технического результата износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, церий и железо, согласно изобретению дополнительно содержит бор, алюминий, магний, кальций и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 3,2-4,0

Кремний 1,4-2,5

Марганец 0,4-1,2

Хром 7,0-10,0

Никель 2,5-5,5

Бор 0,2-0,4

Ванадий 0,6-1,0

Алюминий 0,05-0,15

Церий 0,05-0,20

Магний 0,03-0,12

Кальций 0,05-0,20

Железо Остальное

Предложенный состав чугуна обеспечивает в литом состоянии получение мелкозернистой структуры металлической основы и карбидной фазы при небольшом количестве остаточного аустенита и шаровидного графита. В результате повышается прочность, твердость и стойкость чугуна в условиях ударно-абразивного изнашивания и сохраняются высокие показатели литейных свойств.

Введение в состав предложенного чугуна бора позволяет увеличить долю карбидной эвтектики тонкого строения. Введение бора менее 0,2% не обеспечивает выделения в достаточном количестве карбидной фазы в виде эвтектики тонкого строения, что снижает твердость чугуна; увеличение содержания бора свыше 0,4% вызывает выделение крупных заэвтектических карбидов, что снижает прочностные характеристики металла.

Добавка в состав предложенного чугуна ванадия способствует обеднению аустенита углеродом за счет образования карбидов ванадия, благодаря чему повышается температура мартенситного превращения, часть остаточного аустенита превращается в аустенит, при этом доля остаточного аустенита снижается и соответственно повышается прочность, твердость и износостойкость чугуна.

Введение в состав чугуна ванадия менее 0,6% не обеспечивает выделения достаточного количества карбидов ванадия, не изменяет долю остаточного аустенита, в результате чего не повышается твердость чугуна. Увеличение количества ванадия свыше 1% препятствует образованию свободного углерода в виде шаровидных включений графита и повышает склонность чугуна к трещинообразованию.

Выплавка износостойкого чугуна предложенного состава осуществляется следующим образом.

Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, хром и ванадий вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1450-1500°С на зеркало расплава вводят кремний и марганец в виде 75%-ного ферросилиция и 60%-ного ферромарганца. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе сфероидизирующей присадки, а также церий и бор в виде ферроцерия и ферробора вводят на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.

Химический состав, структура, механические свойства и относительная износостойкость предложенного чугуна приведены в таблице.

Из данных таблицы видно, что предлагаемый чугун, за счет более высокой прочности (850-1050 МПа) и твердости (60-63 HRC), а также за счет меньшего количества остаточного аустенита (10-15%) имеет более высокую износостойкость, чем прототип.

Временное сопротивление чугуна при изгибе (σ_изг) определяли на цилиндрических образцах (⊘25×200 мм), отлитых в кварцевые трубки, заформованные в песчано-глинистой смеси.

Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 мин каждый. Испытания на ударно-абразивный износ проводили на лабораторной планетарной мельнице конструкции ЦНИИТМАШ. В качестве абразива использовали кварцевый песок определенной зернистости. За эталон принимали износ образцов, изготовленных из стали 20.

По сравнению с прототипом чугун предложенного состава обладает низкой склонностью к трещинообразованию и может быть использован для изготовления как монометаллических, так и биметаллических износостойких деталей.

Применение предлагаемого износостойкого чугуна для отливок, например, бандажей и мелющих элементов среднеходных углеразмольных мельниц позволяет исключить брак литья по горячим трещинам и существенно (на 50-80%) увеличить срок службы деталей в эксплуатации в условиях ударно-абразивного изнашивания.

Результаты даны в таблице.

Формула изобретения

Износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор, алюминий, магний, кальций и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 3,2 - 4,0

Кремний 1,4 - 2,5

Марганец 0,4 - 1,2

Хром 7,0 - 10,0

Никель 2,5 - 5,5

Бор 0,2 - 0,4

Ванадий 0,6 - 1,0

Алюминий 0,05 - 0,15

Церий 0,05 - 0,20

Магний 0,03 - 0,12

Кальций 0,05 - 0,20

Железо Остальное