Износостойкий чугун
Владельцы патента RU 2445388:
Открытое акционерное общество "Научно-производственное объединение "Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения" ОАО НПО "ЦНИИТМАШ" (RU)
Изобретение относится к области литейного производства и, в частности, к износостойким чугунам с шаровидным графитом. Может использоваться для производства отливок для пульпопроводов, подвергающихся абразивному износу. Износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит, мас.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 0,2-0,8; никель 3,0-5,0; бор 0,06-0,40; ванадий 3,0-6,0; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,7; церий 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; вольфрам 4,0-6,0; кальций 0,06-0,80; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо остальное. Чугун обладает высокой стойкостью в условиях ударно-абразивного износа. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся абразивному износу, например футеровки пульпопроводов и др.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий масс.%: углерод 3,8-4,5; кремний 2,5-4,5; ванадий 3,5-4,5; медь 0,1-1,5; никель 0,1-2,0; марганец до 0,8; сера до 0,1; фосфор до 0,15; хром до 0,1; магний до 0,05; РЗМ до 0,05; железо остальное [1].
Указанный износостойкий чугун обладает требуемыми свойствами только после сложной термической обработки.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, масс.%: углерод 2,8-4,0; кремний 1,5-3,5; ванадий 3,0-8,0; медь 0,2-0,8; никель 3,0-5,0; марганец 0,2-1,0; магний 0,02-0,1; алюминий 0,1-0,4; церий 0,03-0,2; кальций 0,05-0,2; бор 0,2-0,4; железо остальное [2].
Указанный износостойкий чугун с шаровидным графитом, литая металлическая основа которого содержит карбиды ванадия и мартенсит, обладает недостаточной абразивной стойкостью при транспортировке абразивной пульпы.
Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с более высокой твердостью в литом состоянии для работы в условиях абразивного изнашивания.
Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении абразивной стойкости чугуна в литом состоянии за счет образования в его структуре твердых карбидов вольфрама, которые совместно с карбидами существенно повысят твердость сплава, предназначенного для изготовления износостойких отливок, например, пульпопроводов.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенный износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, серу, фосфор, железо, дополнительно введен вольфрам, при следующем соотношении компонентов, масс.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 0,2-0,8; никель 3,0-5,0; бор 0,06-0,40; ванадий 3,0-6,0; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,7; церий 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; вольфрам 4,0-6,0; кальций 0,06-0,80; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо остальное.
Введение в состав предложенного чугуна вольфрама способствует образованию твердых карбидов вольфрама типа W2C, благодаря которым повышается стойкость чугуна в условиях абразивного изнашивания.
Добавка в состав предложенного чугуна вольфрама менее 4% способствует образованию карбидов вольфрама типа WC, твердость которых по сравнению с твердостью карбидов вольфрама типа W2C в 1,8 раза меньше. Увеличение содержания вольфрама свыше 6% способствует образованию повышенного количества карбидов вольфрама, в результате чего повышается твердость, но одновременно с этим снижаются прочностные характеристики чугуна.
Уменьшение содержания ванадия в составе предложенного чугуна с 8 до 6% позволяет снизить количество карбидов ванадия, благодаря чему появляются условия выделения в металлической основе чугуна структурно-свободного углерода в виде графита пластинчатой формы, а ввод в расплав чугуна сфероидизирующих модификаторов в виде магния, церия и кальция способствует получению графита шаровидной формы, благодаря этому существенно повышаются прочностные характеристики чугуна.
Наличие в металлической основе предложенного чугуна включений графита шаровидной формы в количестве менее 0,5% способствуют образованию аустенитной структуры чугуна, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях абразивного изнашивания. Увеличение количества включений графита шаровидной формы более 2,2% способствует образованию трооститной структуры чугуна, у которой износостойкость меньше, чем у аустенитной структуры.
Наличие в металлической основе предлагаемого чугуна связанного углерода в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях абразивного изнашивания. Увеличение концентрации связанного углерода более 3,7% способствует образованию большого количества включений твердых карбидов ванадия и вольфрама, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, абразивной стойкости чугуна.
Плавку износостойкого чугуна предложенного состава проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, вольфрам вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1480-1550°С на зеркало расплава вводят марганец, бор и кремний. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в состав сфероидизирующей присадки, а также церий в виде ферроцерия помещают на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.
В таблице 1 приведен химический состав известного и предложенного чугунов. В таблице 2 приведены количество включений графита и карбидов ванадия и вольфрама, значения твердости и износостойкости в условиях абразивного изнашивания.
Техническим результатом, как видно из данных таблицы 2, является более высокая твердость (63-70 HRC) и относительная износостойкость (2,6-3,8) предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом в литом состоянии.
Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59. Испытания на абразивный износ осуществляли по методу Хрущова М.М. на абразивной шкурке марки 14А5НП603 ГОСТ 6456-82, предварительно зафиксированной на поверхности цилиндрического барабана, закрепленного в патроне токарного станка.
Износостойкость в условиях абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (⌀3х15 мм).
Эталонный (Ст.20) и испытуемый образцы устанавливали в специальной державке таким образом, чтобы в процессе испытаний они контактировали каждый со свежей поверхностью абразивной шкурки. Номинальная нагрузка на испытуемые образцы при трении составляла 10 кг/см2. Скорость трения образцов составляла 25 м/мин, а длина их пути по поверхности абразивной шкурки - 85 м.
Объемное количество карбидной фазы и включений графита в структуре чугуна подсчитывали планиметрическим методом в трех полях и методом случайных секущих при 500-кратном увеличении на микроскопе МИМ-8.
Применение предлагаемого износостойкого чугуна с шаровидным графитом для отливок пульпопроводов, используемых для транспортировки различной абразивной пульпы, позволяет существенно (на 2-30%) увеличить срок их эксплуатации.
Источники информации, использованные при составлении заявки
1. А.с. СССР №322394, С22С 37/00, 1971.
2. Патент RU 2401317 С1 от 10.10.2010 г., Бюл. №28.
| Таблица 1 | |||||||||||||||
| Номер образца, № | Чугун | Содержание химических элементов, масс.% | |||||||||||||
| С | Si | Mn | Ni | В | V | Сu | Аl | Се | Mg | W | Ca | S | P | ||
| 1 | Предлагаемый | 3,0 | 1,5 | 0,2 | 3,0 | 0,06 | 3,0 | 0,2 | 0,1 | 0,02 | 0,02 | 4,0 | 0,06 | 0,01 | 0,02 |
| 2 | 3,8 | 2,5 | 0,5 | 4,0 | 0,23 | 4.5 | 0,5 | 0,4 | 0,11 | 0,05 | 5,0 | 0,43 | 0,02 | 0,05 | |
| 3 | 4,6 | 3,5 | 0,8 | 5,0 | 0,40 | 6,0 | 0,8 | 0,7 | 0,20 | 0,08 | 6,0 | 0,80 | 0,03 | 0,08 | |
| 4 | Прототип | 3,4 | 2,5 | 0,6 | 4,0 | 0,3 | 5,5 | 0,5 | 0,25 | 0,11 | 0,06 | - | 0,12 | - | - |
| 5 | Предлагаемый | 3,0 | 1,5 | 0,2 | 3,0 | 0,06 | 3,0 | 0,2 | 0,1 | 0,02 | 0,02 | 4,0 | 0,06 | 0,01 | 0,02 |
| 6 | 3,8 | 2,5 | 0,5 | 4,0 | 0,23 | 4,5 | 0,5 | 0,4 | 0,11 | 0,05 | 5,0 | 0,43 | 0,02 | 0,05 | |
| 7 | 4,6 | 3,5 | 0,8 | 5,0 | 0,40 | 6,0 | 0,8 | 0,7 | 0,20 | 0,08 | 6,0 | 0,80 | 0,03 | 0,08 | |
| 8 | Прототип | 3,4 | 2,5 | 0,6 | 4,0 | 0,3 | 5,5 | 0,5 | 0,25 | 0,11 | 0,06 | - | 0,12 | - | - |
| Таблица 2 | |||||
| Номер образца, № | Чугун | Количество включений графита, % | Количество карбидов (VC+W2C), % | Твердость HRC | Коэффициент относительной стойкости в условиях абразивного износа |
| 1 | Предлагаемый | 0,5 | 34 | 65 | 2,8 |
| 2 | 0,5 | 36 | 67 | 3,2 | |
| 3 | 0,5 | 38 | 70 | 3,8 | |
| 4 | Прототип | 0,5 | 33 | 63 | 2,6 |
| 5 | Предлагаемый | 2,2 | 32 | 63 | 2,6 |
| 6 | 2,2 | 34 | 65 | 2,9 | |
| 7 | 2,2 | 36 | 68 | 3,4 | |
| 8 | Прототип | 2,2 | 30 | 62 | 2,4 |
1. Износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, серу, фосфор, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 3,0-4,6 |
| кремний | 1,5-3,5 |
| марганец | 0,2-0,8 |
| никель | 3,0-5,0 |
| бор | 0,06-0,40 |
| ванадий | 3,0-6,0 |
| медь | 0,2-0,8 |
| алюминий | 0,1-0,7 |
| церий | 0,02-0,20 |
| магний | 0,02-0,08 |
| вольфрам | 4,0-6,0 |
| кальций | 0,06-0,80 |
| сера | 0,01-0,03 |
| фосфор | 0,02-0,08 |
| железо | остальное |
2. Износостойкий чугун по п.1, отличающийся тем, что он содержит структурно-свободный углерод в виде включений графита шаровидной формы в количестве 0,5-2,2% и связанный углерод в количестве 0,4-3,7%.
