Чугун

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным жаро- и износостойким чугунам, и может использоваться для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного износа при температурах до 1100°С и газообразных окислительных сред, в частности колосников грохотов, спекательных тележек, арматуры термических печей, волок и роликов проволочных станов. Чугун содержит, мас.%: углерод 2,0-2,6; кремний 0,1-0,6; марганец 4,0-5,0; хром 17,0-21,0; титан 0,3-0,7; никель 0,3-2,2; ниобий 0,2-1,0; железо - остальное. Полученный чугун обладает высокой износостойкостью и жаростойкостью. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным жаро-, износостойким чугунам, используемым для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного изнашивания при высоких температурах до 1100°С и газообразных окислительных сред, и может быть использовано для изготовления колосников грохотов и спекательных тележек агломерационных фабрик, арматуры термических печей, волок и роликов проволочных станов и т.п.

Известен чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, алюминий, теллур или висмут и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	2,5-3,0
Кремний	0,5-1,5
Марганец	2,7-4,5
Хром	22,0-25,0
Молибден	1,0-3,0
Ванадий	1,0-2,0
Алюминий	0,05-0,15
Теллур
или висмут	0,06-0,15
Железо	остальное

(см. авт. св. СССР №1656005, С22С 37/10).

Недостатком известного чугуна являются низкие жаростойкость и износостойкость. Низкая износостойкость характеризуется наличием в чугуне высоких концентраций углерода, кремния и алюминия, снижающих критическое содержание хрома в твердом растворе, что приводит к образованию крупных заэвтектических карбидов М₇С₃ и обеднению металлической основы хромом и углеродом. Кроме того, низкие жаростойкость и износостойкость чугуна характеризуются наличием в его составе висмута, который, концентрируясь по границам зерен, образует легкоплавкие эвтектики. Содержание в известном чугуне ванадия и молибдена вызывает образование на поверхности изготавливаемых деталей пористой, рыхлой оксидной пленки, исключающей возможность защиты поверхности деталей от воздействия высоких температур и газообразных окислительных сред.

В основу изобретения поставлена задача разработать состав чугуна, обладающего высокой износостойкостью и жаростойкостью.

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

Углерод	2,0-2,6
Кремний	0,1-0,6
Марганец	4,0-5,0
Хром	17,0-21,0
Титан	0,3-0,7
Никель	0,3-2,2
Ниобий	0,2-1,0
Железо	остальное

Известно использование в сплавах 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). Кроме того, известно использование в сплавах ниобия для улучшения морфологии карбидной фазы и существенного увеличения микротвердости металлической основы, что обеспечивает повышение износо-, жаростойкости (см. Романов Л.М., Козлов Л.Я., Бакаляров В.М. Влияние V, Nb и Та на кристаллизацию и структуру хромистых чугунов // Литейное производство, 1987, №2. - С.8).

Известно использование в сплавах никеля в качестве легирующей добавки для устранения полиморфных превращений и формирования стабильной однофазной аустенитной структуры, что обеспечивает повышение износо-, жаростойкости (см. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. - М.: Металлургия, 1983, с.123). Кроме того, никель образует оксид NiO, который имеет в структуре мало вакансий, что затрудняет диффузию через пленку оксида, и тем самым повышает жаростойкость (см. Специальные стали. Учебник для вузов. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. - М.: Металлургия, 1985, с.342).

В заявляемом чугуне никель (Ni) и ниобий (Nb) проявляют вышеуказанные известные технические свойства.

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

Ниобий, обладая ограниченной растворимостью в твердом растворе, кроме того, что образует собственные стабильные карбиды, одновременно участвует совместно с Ti в образовании комплексных стабильностойких карбидов типа (Fe,Cr(Ti,Nb))_xC_y путем вывода регулируемого количества углерода и хрома из пересыщенного твердого раствора, что препятствует образованию карбидной фазы типа М₂₃С₆, которая приводит к охрупчиванию сплава и обеднению металлической основы хромом. Кроме того, ниобий повышает микротвердость карбидов типа М₇С₃ за счет растворения в них.

Никель, в заявляемом чугуне, полностью концентрируясь в γ-фазе, способствует дисперсионному твердению при выделении карбидов из пересыщенного хромомарганцевого аустенита в условиях эксплуатации изделий. Совместное проявление ниобием и никелем новых технических свойств приводит к инвертированию структуры, что способствует значительному повышению жаро-, износостойких свойств чугуна.

Таким образом, совместное легирование ниобием и никелем позволяет эффективно управлять процессами первичной и вторичной кристаллизации и фазообразования чугуна, получать необходимую структуру для данных условий работы деталей, которая является стабильной в рабочих условиях, что обеспечивает их высокие эксплуатационные свойства.

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».

Углерод (С) в заявляемом количестве вводится в чугун для образования карбидов типа М₇С₃, которые способствуют повышению износостойкости чугуна.

При содержании в чугуне углерода менее 2,0 мас.% резко падает объемная доля карбидов, что снижает абразивостойкость, а при содержании углерода более 2,6 мас.% происходит обеднение металлической основы хромом, что значительно снижает жаростойкость чугуна.

Кремний (Si), вводимый в чугун в заявляемом количестве, является технологической добавкой и при кристаллизации распределяется между аустенитом и эвтектическим расплавом, улучшая жидкотекучесть чугуна.

Содержание кремния в количестве менее 0,1 мас.% снижает жидкотекучесть чугуна, а в количестве более 0,6 мас.% - увеличивает верхнюю критическую скорость отбеливания чугуна, уменьшая его отбеливаемость, снижает устойчивость аустенитной структуры, а также приводит к увеличению хрупкости отливок.

Марганец (Mn) в заявляемом количестве обеспечивает получение стабильной аустенитной структуры металлической основы чугуна, повышает его жаростойкость, жаропрочность и ударную вязкость чугуна.

Содержание марганца в чугуне в количестве менее 4,0 мас.% приводит к снижению устойчивости аустенита, жаростойкости чугуна. При содержании марганца более 5,0 мас.% происходит обеднение металлической основы чугуна углеродом и хромом, что снижает жаро- и абразивостойкость.

Хром (Cr), вводимый в чугун в заявляемом количестве, необходим для образования комплексных карбидов типа (Fe, Cr)₇С₃ и повышения сопротивляемости окислению металлической основы чугуна, что обеспечивает высокую абразиво- и жаростойкость отливок.

При содержании хрома менее 17,0 мас.% в структуре чугуна наряду с карбидами (Fe, Cr)₇C₃ образуются 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 21,0 мас.% в структуре чугуна появляются крупные и хрупкие карбиды типа (Fe, Cr)₂₃С₆, в результате чего происходит снижение износостойкости. Кроме этого, снижение указанных свойств происходит за счет увеличения общей доли крупных первичных карбидов в структуре чугуна.

Никель (Ni), вводимый в чугун, в заявляемом количестве при взаимодействии с марганцем и хромом способствует получению стабильной однофазной аустенитной структуры металлической основы, способствует инветированию микроструктуры, что способствует значительному повышению жаростойкости и износостойкости заявляемого чугуна.

При содержании никеля менее 0,3 мас.% снижается устойчивость аустенитной структуры, что снижает жаростойкость чугуна. Увеличение содержания никеля более 2,2 мас.% усиливает графитизацию чугуна, нейтрализует стабилизирующее влияние хрома, что снижает жаро-, износостойкость. Кроме того, возможно образование сульфидов никеля NiS, сильно разрыхляющих защитную оксидную пленку, что также снижает жаростойкость.

Титан (Ti), вводимый в чугун, в заявляемом количестве способствует увеличению дисперсности первичной структуры, устраняет столбчатое строение отливок, модифицирует чугун, что позволяет получать однородные механические свойства по толщине отливок, стабилизирует структуру.

При содержании титана в чугуне менее 0,3 мас.% стабилизирующее влияние будет незначительное, так как невелико количество карбидов TiC, что приводит к снижению износостойкости. При содержании титана свыше 0,7 мас.% в чугуне образуются пленочные включения оксидов титана больших размеров, которые располагаются по границам аустенитных зерен, что снижает износостойкость и жидкотекучесть чугуна, а также способствует газонасыщению расплава, а следовательно, повышению склонности отливок к поражению газовыми дефектами. Кроме того, происходит снижение жаростойкости чугуна из-за формирования двухфазной структуры металлической основы.

Ниобий (Nb) в заявляемом количестве предназначен для образования как собственных, так и комплексных карбидов путем вывода регулируемого количества углерода и хрома из пересыщенного твердого раствора, что препятствует образованию карбидной фазы типа М₂₃С₆, которая приводит к охрупчиванию сплава и обеднению металлической основы хромом, а также Nb обеспечивает повышение микротвердости карбидов типа М₇С₃. Все это приводит к повышению износо- и жаростойкости заявляемого чугуна.

При содержании ниобия ниже 0,2% его влияние на стабилизацию образованных совместно с титаном комплексных стабильностойких карбидов снизится, что приведет к их распаду при высоких температурах и снижению всего комплекса заявляемых свойств. При содержании ниобия свыше 1,0 мас.% в чугуне произойдет вывод избыточного углерода из твердого раствора, что снизит заявляемые свойства, а также ввиду своей дороговизны значительно увеличит себестоимость заявляемого чугуна.

Пример. В индукционной тигельной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой выплавляли 5 опытных составов заявляемого чугуна (состав №1 - с содержанием компонентов, выходящим за минимальные значения; составы №2-4 - с заявляемым содержанием компонентов; состав №5 - с содержанием компонентов, выходящим за максимальные значения) и 2 состава чугуна, взятого за прототип (составы №6, 7), по общепринятой технологии. Составы чугунов приведены в таблице 1. Титан, хром, марганец, никель, кремний, ванадий, ниобий, барий вводили в чугун соответственно в виде ферротитана ФТи 32,

Таблица 1
Состав	Содержание компонентов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	Ni	Ti	Nb	V	Ba	Fe
Заявляемый	1	1,82	0,05	3,85	15,8	0,20	0,21	0,15	-	-	77,57
	2	2,0	0,10	4,0	17,0	0,30	0,30	0,20	-	-	76,10
	3	2,25	0,39	4,5	19,0	1,20	0,50	0,65	-	-	71,51
	4	2,60	0,60	5,00	21,0	2,20	0,70	1,00	-	-	66,90
5	2,75	0,72	5,54	22,3	2,45	0,80	1,3	-	-	64,14
Прототип	6	2,30	0,50	4,7	23,5	-	0,07	-	0,07	0,008	68,852
7	2,80	1,40	5,8	24,7	-	0,20	-	0,02	0,017	64,863

феррохрома ФХ 650, ферромарганца ФМн 72, никеля НП 1, ферросилиция ФС 75, феррованадия ФВд 40, феррониобия ФН55С, алюмосиликобария.

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 двум показателям: окалиностойкости и ростоустойчивости.

Окалиностойкость оценивали по ГОСТ 6130-71 после выдержки в печи в течение заданного времени (100 ч) при постоянной температуре (900°С) весовым методом по увеличению массы образца (г/м²).

Ростоустойчивость (L) оценивали по ГОСТ 7769-82 на образцах длиной 150 мм и диаметром 20-25 мм по изменению длины (%) за 150 ч испытания при температуре 900°С.

Результаты испытаний образцов, изготовленных из заявляемого чугуна (составы №1-5), и чугуна, взятого за прототип (составы №6 и 7), приведены в таблице 2.

Таблица 2
Образцы, изготовленные из чугуна	Окалиностойкость	Ростоустойчивость, %	Относительная износостойкость, ед.
Заявляемого состава	1	32,3	0,17	4,22
	2	27,0	0,13	5,17
	3	25,5	0,12	5,99
	4	22,2	0,10	6,7
5	35,3	0,15	4,87
Состава прототипа	6	43,0	0,29	3,2
7	40,0	0,26	3,0

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

- в 1,62-2,23 раза выше износостойкость;

- в 1,13-1,94 раза выше окалиностойкость;

- в 2-2,9 раза выше ростоустойчивость.

Использовать составы чугунов с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы (состав №1 и 5), нецелесообразно, так как в этих случаях у чугунов наблюдается снижение вышеуказанных свойств.

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

углерод	2,0-2,6
кремний	0,1-0,6
марганец	4,0-5,0
хром	17,0-21,0
титан	0,3-0,7
никель	0,3-2,2
ниобий	0,2-1,0
железо	остальное