Чугун

Изобретение относится к металлургии, в частности к литейным износостойким чугунам. Может использоваться для изготовления корпусов, защитных дисков, колосников спекательных тележек и грохотов агломерационных машин, роликов и волок проволочных станов и др. Чугун содержит, мас.%: углерод 2,2-2,6; кремний 0,2-0,5; марганец 0,2-0,5; хром 20,0-28,0; бор 0,01-0,03; титан 0,2-0,5; ниобий 0,3-0,6; железо - остальное. Техническим результатом является повышение износостойкости, коррозионной стойкости и жаростойкости. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, а именно, к литейным износостойким чугунам, используемым для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного изнашивания при различном рН среды и высоких температур и может быть использовано для изготовления различных отливок, например корпусов, защитных дисков, рабочих колес песковых, грунтовых и шламовых насосов, колосников спекательных тележек и грохотов агломерационных машин, роликов и волок проволочных станов и др.

Известен износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, церий, кальций, медь и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	2,8-3,2
Кремний	0,9-1,2
Марганец	3,0-5,0
Хром	18,2-22,0
Церий	0,008-0,012
Кальций	0,005-0,01
Медь	1,6-2,5
Железо	Остальное

(см. патент РФ №2102517, С 22 С 37/06).

Недостаткоми известного чугуна являются низкая износостойкость, невысокаие жаростойкость и коррозионная стойкость. При этом низкая износостойкость чугуна возникает в результате повышенного содержания углерода, кремния, которые снижают критическое содержание хрома в чугуне, что приводит к образованию крупных заэвтектических карбидов М₂₃С₆ и обеднению металлической основы хромом и углеродом. Кроме того, высокое содержание марганца в чугуне приводит к увеличению доли остаточного аустенита и снижению доли карбидов за счет перераспределения углерода между аустенитом и эвтектическим расплавом, что также снижает износостойкость чугуна. Кремний в указанном колличестве уменьшает растворимость хрома в кремнистом феррите и образует с хромом химическое соединение CrSi, что положительно действует на процессы графитизации, а следовательно, снижает коррозионную стойкость чугуна. Содержание церия в указанном количестве приводит к образованию неметаллических включений с высокой плотностью (оксидов, сульфидов, оксисульфидов и др.) трудноудалимых из расплава, что снижает жаростойкость, коррозионную стойкость и износостойкость чугуна.

Наиболее близким аналогом к заявляемому чугуну является износокоррозионностойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, церий и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод	1,8-2,2
Кремний	0,5-1,0
Марганец	0,9-1,3
Хром	30,0-34,0
Церий	0,008-0,011
Железо	Остальное

(см. патент РФ №2042729, 22С 37/06).

Недостатками известного чугуна являются невысокая износостойкость, жаростойкость, коррозионностойкость за счет того, что указанное содержание хрома и кремния приводит к образованию крупных заэвтектических карбидов типа М₂₃C₆ и обеднению металлической основы хромом и углеродом. Кроме того, образуемые в чугуне кристаллические оксисульфиды церия снижают жаростойкость и коррозионную стойкость за счет увеличения межзеренной коррозии при высоких температурах.

В основу изобретения поставлена задача разработать состав чугуна, который обладал бы одновременно комплексом высоких технических свойств: износостойкостью, коррозионной стойкостью и жаростойкостью.

Поставленная задача решается тем, что известный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром и железо, согласно изобретению дополнительно содержит бор, титан, ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	2,2-2,6
Кремний	0,2-0,5
Марганец	0,2-0,5
Хром	20,0-28,0
Бор	0,01-0,03
Титан	0,2-0,5
Ниобий	0,3-0,6
Железо	Остальное

Известно, что для повышения износо-, жаро-, коррозионной стойкости использование титана в качестве раскислителя и модификатора, обеспечивающего устранение эффекта транскритализации, повышения дисперсности структуры, а также в качестве легирующего элемента для образования как собственных, так и комплексных карбидов (см. Рахманкулов М.М., Паращенко В.М. Технология литья жаропрочных сплавов. - М.: Интермет инжиниринг, 2000. С.77-83).

Известно использование в чугуне бора в качестве модифицирующий и микролегирующей добавки для повышения прокаливаемости, измельчения зерна, увеличения твердости и микротвердости (см. Колокольцев В.М., Мулявко Н.М., Вдовин К.Н., Синицкий Е.В. Абразивная износостойкость литых металлов и сплавов. - Магнитогорск: МГТУ, 2004. С.134-140).

Известно использование ниобия для образования в а- или y-железе как самостоятельных, так и сложных карбидов, обеспечивающих повышение износо-, жаро-, коррозионной стойкости (см. Рахманкулов М.М., Паращенко В.М. Технология литья жаропрочных сплавов. - М.: Интермет инжиниринг, 2000. С.88-91).

В заявляемом чугуне титан (Ti), бор (В) и ниобий (Nb) проявляют вышеуказанные известные технические свойства.

Однако наравне с известными техническими свойствами Ti, В, Nb в заявляемом чугуне при взаимодействии с углеродом и хромом проявляют новое техническое свойство, заключающееся в образовании компактных, стабильностойких высокотвердых комплексных карбидов типа Cr(Ti,Nb,B)_xC_y с высокой дисперсностью. Это происходит следующим образом.

В заявляемом чугуне бор при кристаллизации чугуна, взаимодействуя с карбидообразующими элементами, образует сложные комплексные карбобориды, одновременно увеличивая дисперсность комплексных карбидов путем ограничения их роста. В свою очередь титан при кристаллизации расплава образует многочисленные карбиды с размерами значительно меньшими размеров карбидов хрома и находящимися в виде изолированных включений, что приводит к увеличению концентрации хрома в твердом растворе. Одновременно с этим указанные карбиды, являясь центрами кристаллизации, приводят к увеличению дисперсности структурных составляющих чугуна. Все это способствует повышению жаро-, износо-, коррозионных свойств чугуна.

Ниобий, обладая ограниченной растворимостью в твердом растворе, образует собственные стабильные карбиды и одновременно участвует в образовании комплексных стабильностойких карбидов путем вывода регулируемого количества углерода и хрома из пересыщенного твердого раствора, что препятствует образованию карбидной фазы типа М₂₃С₆ и обеднению металлической основы хромом. Кроме того, ниобий повышает твердость матрицы и твердость карбидов типа М₇С₃ за счет растворения в них.

Таким образом, совместное взаимодействие титана, бора и ниобия с углеродом и хромом в количественном соотношении ((Cr·C)²·Ti·B·Nb)/C=0,5-1,8 позволяет получить компактные, стабильностойкие высокотвердые комплексные карбиды типа Cr(TiNbB)_xC_y, имеющие значительные силы молекулярно-механического сцепления за счет соотношения компонентов и их распределения в структуре чугуна.

Это позволяет значительно увеличить износо- жаро- корозионностойкость заявляемого чугуна и обеспечить стабильность комплекса указанных свойств в условиях работы деталей при высоких температурах в агрессивных средах.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый чугун не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Введение в чугун углерода (С) в заявляемом количестве обеспечивает образование карбидов типа М₇С₃, которые способствуют повышению его износостойкости.

При введении в чугун углерода в количестве менее 2,2 мас.% резко падает объемная доля карбидов, что снижает износостойкость чугуна, а в количестве более 2,5 мас.% - приводит к обеднению металлической основы хромом, снижает ростоустойчивость и окалиностойкость чугуна, а следовательно, и жаростойкость.

Кремний (Si) в заявляемом количестве, являясь технологической добавкой, распределяется при кристаллизации между аустенитом и эвтектическим расплавом, обеспечивает достаточную жидкотекучесть чугуна.

Содержание кремния в количестве менее 0,2 мас.% снижает жидкотекучесть чугуна, что ограничит его применение в литейном производстве, а в количестве более 0,5 мас.% - увеличивает верхнюю критическую скорость отбеливания чугуна и снижает устойчивость аустенитной структуры, что приводит к снижению износостойкости.

Марганец (Mn) в заявляемом количестве также является технологической добавкой. Содержание марганца в количестве менее 0,2 мас.% снизит его стабилизирующие воздействие на аустенит, а в количестве больше 0,5 мас.% - понизит количество карбидов, что снизит износостойкость.

Хром (Cr) в заявляемом количестве предназначен для образования комплексных карбидов типа (Fe,Cr)₇С₃ и повышения сопротивляемости окислению металлической основы чугуна, что способствует повышению износо- коррозионно- и жаростойкости чугуна.

При содержании хрома менее 20 мас.% в структуре чугуна образуются наряду с карбидами (Fe,Cr)₇C₃ карбиды (Fe,Cr)₃С, уменьшается содержание хрома в металлической основе, появляются продукты распада аустенита, что приводит к снижению жаро-, износостойкости чугуна. При содержании хрома более 28 мас.% в структуре чугуна увеличивается общая доля крупных первичных карбидов, появляются крупные и хрупкие карбиды типа (Fe,Cr)₂₃С₆, что приводит к снижению жаро-, износостойких свойств.

Бор (В) в заявляемом количестве предназначен для образования сложных комплексных карбоборидов и одновременного увеличения дисперсности комплексных карбидов путем ограничения их роста, что приводит к повышению износо- коррозионно- и жаростойкости чугуна.

При содержании бора в заявляемом чугуне менее 0,01 мас.% резко падает количество комплексных карбоборидов, не достигается нужная дисперсность комплексных карбидов и других структурных составляющих чугуна, а при содержании более 0,03 мас.% снижается эффект модифицирования за счет образования легкоплавкой боридной эвтектики, присутствие которой значительно понизит весь комплекс заявляемых свойств чугуна.

Титан (Ti) в заявляемом количестве предназначен для образования как собственных, так и комплексных карбидов, а также к увеличению дисперсности структурных составляющих чугуна, что приводит к повышению износо- коррозионно- и жаростойкости.

При содержании титана менее 0,2 мас.% его влияние будет заключаться только в модифицирующим эффекте, при этом количество собственных и комплексных карбидов будет незначительно, а при содержании более 0,5 мас.% ослабнут силы молекулярного сцепления, что приведет к дестабилизации образованных высокотвердых включений и их распаду. Кроме того, увеличится газонасыщенность и загрязненность расплава. Все это приведет к снижению жаро-, износостойких свойств.

Ниобий (Nb) в заявляемом количестве предназначен для образования как собственных, так и комплексных карбидов, а также для повышения твердости матрицы и твердости карбидов типа М₇С₃, что приводит к повышению износо- коррозионно- и жаростойкости.

При содержании ниобия менее 0,3 мас.% его влияние на стабилизацию образованных совместно с титаном и бором высокотвердых включений снизится, что приведет к их распаду при высоких температурах и снижению всего комплекса заявляемых свойств.

Вводить в чугун ниобий более 0,6 мас.% нецелесообразно из-за значительного увеличения себестоимости заявляемого чугуна.

Железо является основой заявляемого чугуна.

Для обоснования преимуществ заявляемого чугуна по сравнению с прототипом в лабораторных условиях были проведены испытания шести составов чугунов: с заявляемым соотношением компонентов (состав №1-№3, табл.1), с соотношением компонентов, выходящих за заявляемое минимальное значение (состав №4, табл.1), с соотношением компонентов, выходящим за максимальное значение (состав №5, табл.1) и чугуна, взятого за прототип (состав №6, табл.1). Заявляемый чугун выплавляли по общепринятой технологии в индукционной тигельной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой.

Титан, хром, ниобий, бор вводили в чугун в виде ферротитана ФТи 32, феррохрома ФХ 650, феррониобия ФБн 37, ферробора ФБр 20.

Износостойкость (К_и) определяли согласно ГОСТ 23.208-79. Износостойкость исследуемых образцов оценивали путем сравнения их износа с износом эталонного образца. В качестве эталона использовали сталь 45.

Жаростойкость оценивали по ГОСТ 6130-71 после выдержки в печи в течение заданного времени (100 ч) при постоянной температуре (800°С) глубинной проникновения коррозии по методу увеличению массы образца (мм).

Определение стойкости к агрессивным средам (коррозийной стойкости) определяли согласно ГОСТ4732-81.

Результаты испытаний образцов, изготовленных из заявляемого чугуна (составы №1-3), и чугуна, взятого за прототип (состав №6), приведены в таблице 2.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что заявляемый чугун по сравнению с прототипом имеет в среднем:

- на 10,5-34,2% выше износостойкость;

- на 36-70% выше жаростойкость;

- на 5-42% выше коррозионностойкость.

Использовать составы чугунов с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы (состав №4 и 5), нецелесообразно, так как в этих случаях у чугунов наблюдается снижение вышеуказанных свойств.

	Таблица 1 Содержание компонентов, мас.%
Состав	С	Si	Mn	Cr	Се	Nb	Ti	В	S	Р	Fe
Заявляемый	1	2,20	0,20	0,20	20,00	-	0,30	0,20	0,01	0.01	0,6	76,82
	2	2,40	0,35	0,35	24,0	-	0,45	0,35	0,02	0,01	0,6	71,47
	3	2,60	0,50	0,50	28,00	-	0,60	0,50	0,03	0,01	0,6	66,66
	4	2,00	0,19	0,15	15,0	-	0,22	0,16	0,008	0,01	0,6	81,662
	5	2,68	0,62	0,54	30,20	-	0,65	0,72	0,04	0,01	0,6	63,94
Прототип	6	2,15	1,2	0,86	32,4	0,008	-	-	-	0,01	0,6	62,772

Таблица 2
Образцы, изготовленные из чугуна	Жаростойкость , г/м2	Относительная износо стойкость Ки, ед	Коррозионная стойкость, (HNO3 50% 20°C), г/м2·ч	Коррозионная стойкость, (H2SO4 50% 20°С), г/м2·ч	Коррозионная (HCl3 50% 20°С), г/м2·ч
Заявляемого состава	1	0,25	8,4	0,00085	2,6	0,0084
2	0,20	10,2	0,0007	2,1	0,007
	3	0,22	8,8	0,0008	2,8	0,0095
	4	0,36	8,1	0,0012	3,2	0,016
	5	0,29	9,5	0,0014	3,1	0,015
Состав прототипа	6	0,34	7,6	0,001	3,0	0,01

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит бор, титан и ниобий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	2,2-2,6
Кремний	0,2-0,5
Марганец	0,2-0,5
Хром	20,0-28,0
Бор	0,01-0,03
Титан	0,2-0,5
Ниобий	0,3-0,6
Железо	Остальное