Износостойкий чугун
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам, для работы в условиях ударно-абразивного износа. Износостойкий чугун содержит, мас.%: углерод 3,6-4,2; кремний 2,2-3,2; марганец 4,5-12,0; хром 2,7-4,3; медь 0,25-1,2; титан 0,15-0,65; молибден 0,5-1,5; ниобий 2,5-4,5; кальций 0,005-0,01; железо - остальное. Техническим результатом является повышение ударно-абразивной износостойкости. 1 табл.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам, для работы в условиях ударно-абразивного износа.
Известен износостойкий чугун [А.с. СССР №945218, С 22 С 37/06, 23.07.82. Бюл. №27], содержащий, мас.%:
Углерод 2,8-3,6
Кремний 3,8-5,2
Марганец 5,0-9,0
Хром 2,7-4,3
Титан 0,2-0,8
Железо остальное
Недостатком известного чугуна является невысокая ударно-абразивная износостойкость.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун [А.с. СССР №1013508, С 22 С 37/00, 23.04.83. Бюл. №15], содержащий, мас.%:
Углерод 3,2-4,2
Кремний 2,25-3,0
Марганец 6,5-16,0
Хром 2,5-4,8
Никель 0,5-6,5
Медь 0,5-2,2
Ванадий 0,3-4,85
Иттрий 0,005-0,05
Церий 0,02-0,05
Титан 0,15-0,65
Алюминий 0,15-0,8
Молибден 0,4-1,8
Бор 0,005-0,08
Железо остальное
Недостатком прототипа являются относительно невысокая ударно-абразивная износостойкость (в среде дроби, окалины, песка и т.д.), ударная вязкость и высокая стоимость. Наличие в составе этого чугуна алюминия способствует стабилизации аустенитной металлической структуры, что при абразивном изнашивании неблагоприятно, т.к. аустенитная матрица не переходит в мартенситную при трении об абразив. Наличие в составе иттрия и церия приводит к значительному измельчению карбидной фазы, что неблагоприятно при изнашивании о закрепленный абразив. Действие абразивных частиц на мелкие карбидные включения приводит к “выкрашиванию” последних из металлической матрицы, что понижает износостойкость.
Изобретение решает задачу повышения ударно-абразивной износостойкости чугуна путем образования метастабильного аустенита, который в процессе ударно-абразивного воздействия в поверхностном слое претерпевает аустенитно-мартенситное превращение.
Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, молибден, титан и железо, дополнительно содержит ниобий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 3,6-4,2
Кремний 2,2-3,2
Марганец 4,5-12,0
Хром 2,7-4,3
Медь 0,25-1,2
Титан 0,15-0,65
Молибден 0,5-1,5
Ниобий 2,5-4,5
Кальций 0,005-0,01
Железо остальное
Предлагаемый чугун в литом и термообработанном состоянии имеет преимущественно аустенитную металлическую основу и карбиды типов (Fе, Мn)3С, (Fе, Сr)3С и NbC. Повышение ударно-абразивной износостойкости достигается получением очень твердых карбидов ниобия преимущественно сферической формы, располагающихся в метастабильной аустенитной матрице. В процессе изнашивания аустенит претерпевает в поверхностном слое деталей превращение в мартенсит, сопровождающееся выделением избыточных дисперсных карбидов, что вызывает дополнительное повышение износостойкости.
Содержание компонентов в чугуне в указанных пределах обеспечивает высокий уровень механических свойств чугуна и износостойкость.
При содержании углерода менее 3,6% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы, при содержании углерода, превышающем 4,2%, в структуре появляется большое количество свободного графита, что обуславливает снижение прочности чугуна.
Кремний в указанных пределах способствует образованию карбида хрома. При содержании кремния менее 2,2% образуется избыточное количество карбидов, увеличение его содержания более 3,2% сопровождается образованием большого количества графита, что уменьшает прочностные свойства чугуна.
Марганец значительно понижает эвтектоидное превращение железоуглеродистых сплавов и способствует аустенизации чугунов. При содержании марганца менее 4,5% в структуре металлической основы появляется значительная доля мартенсита и продуктов перлитного распада, что снижает износостойкость и ударную вязкость. Повышение концентрации марганца более 12,0% приводит к чрезмерной стабилизации аустенита, что уменьшает эффект поверхностного самоупрочнения при изнашивании и снижает ударно-абразивную износостойкость.
Присутствие хрома обусловлено необходимостью получения в структуре чугуна карбидов хрома, обладающих высокой микротвердостью. Содержание хрома в указанных пределах обеспечивает оптимальное количество карбидной фазы.
Медь способствует аустенизации и повышает жидкотекучесть чугуна. Медь повышает дисперсность перлита и снижает степень его аномальности, что способствует повышению твердости и износостойкости чугуна. Поскольку аномальность перлита в наибольшей степени проявляется в глубинных слоях отливки, то медь способствует снижению спада твердости (износостойкости) по глубине рабочего слоя. Такое влияние меди проявляется при повышении ее содержания от 0,25%. Однако при содержании ее более 1,2% аномальность перлита устраняется полностью, а дальнейшее увеличение ее содержания сопровождается появлением графитных включений.
Ведение в состав чугуна молибдена обеспечивает повышение прочности металлической матрицы, увеличение износостойкости, способствует измельчению структуры металлической основы. Благоприятное влияние молибдена на микроструктуру и свойства чугуна начинает проявляться при его содержании в чугуне больше 0,5%. При увеличении содержания молибдена больше 1,5% его влияния на свойства чугуна не наблюдается.
Титан в используемых количествах является модификатором. Его модифицируемое действие начинает проявляться при содержании 0,15%. При содержании титана больше 0,65% наблюдается ухудшение формы и увеличение размеров графитовых включений, что приводит к снижению прочностных свойств чугуна.
Введение в состав чугуна ниобия приводит к образованию очень твердых карбидов NbC, преимущественно сферической формы, располагающихся в метастабильной аустенитной матрице. При содержании ниобия ниже 2,5% доля карбидов повышенной твердости NbC значительно уменьшается, что вызывает падение износостойкости. Увеличение концентрации ниобия более 4,5% нецелесообразно, т.к. это не приводит к заметному росту износостойкости, однако существенно удорожает чугун.
Кальций вводится для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен, улучшения механических и литейных свойств. Введение кальция в количествах, меньших 0,005%, заметного эффекта не дает, а добавки его более 0,01% вызывает удорожание чугуна без заметного роста свойств.
Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.
Таким образом, заявляемая совокупность и концентрации легирующих элементов позволяют повысить ударно-абразивную износостойкость чугуна, вязкость и снижает спад твердости по глубине рабочего слоя.
Плавку исследуемых чугунов проводят в индукционных печах с основной футеровкой тигля. В качестве шихтовых материалов используют литейный и передельный чугуны, катодную медь, ферросплавы молибдена, хрома, марганца, титана, ниобия, силикокальций. Металл нагревают до 1420-1450°С, а разливка производится при температуре 1380-1400°С в просушенные и прогретые песчано-глиняные формы.
В таблице представлены результаты механических свойств чугунов. При испытаниях на износостойкость в качестве эталона был принят серый чугун СЧ 18.
Эффективность заявляемого технического решения заключается в экономии металла и снижении эксплуатационных затрат за счет увеличения долговечности деталей, изготовленных из предложенного чугуна.
| Таблица | ||||||||||||||||||
| № плавки | Содержание элементов*, маc.% | Твердость НВ | Предел прочности при растяж., МПа | Относ. ударно-абразивная износостойкость, Е | ||||||||||||||
| С | Si | Mn | Cr | Ni | Си | V | Y | Се | Ti | Аl | Мо | В | Nb | Са | ||||
| 1 | 3,6 | 2,2 | 4,5 | 2,7 | - | 0,25 | - | - | - | 0,15 | - | 0,5 | - | 2,5 | 0,005 | 360 | 455-462 | 92,5 |
| 2(оптим.) | 4,0 | 2,8 | 9,5 | 4,1 | - | 0,85 | - | - | - | 0,2 | - | 1,29 | - | 4,2 | 0,008 | 390 | 481-490 | 118 |
| 3 | 4,2 | 3,2 | 12,0 | 4,3 | - | 1,2 | - | - | - | 0,65 | - | 1,5 | - | 4,5 | 0,01 | 382 | 470-485 | 112 |
| По составу прототипа | 3,51 | 2,98 | 6,5 | 3,74 | 0,95 | 1,82 | 0,51 | 0,05 | 0,05 | 0,65 | 0,39 | 0,69 | 0,009 | - | - | 357 | 448-461 | 85 |
| *Остальное железо и примеси. |
Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, молибден, титан и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 3,6-4,2
Кремний 2,2-3,2
Марганец 4,5-12,0
Хром 2,7-4,3
Медь 0,25-1,2
Титан 0,15-0,65
Молибден 0,5-1,5
Ниобий 2,5-4,5
Кальций 0,005-0,01
Железо Остальное
