Износостойкий чугун
Владельцы патента RU 2452786:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" (МИИТ) (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к легированным износостойким чугунам для отливок, работающих в условиях абразивного изнашивания. Чугун содержит, мас.%: углерод 2,3-3,2; кремний 0,5-0,9; марганец 0,5-1,5; никель 0,1-0,5; ванадий 0,3-1,1; титан 0,1-0,5; хром 0,8-3,5; кобальт 0,02-0,3; фосфор 0,05-0,3; бор 0,10-0,2; серу 0,002-0,02; магний 0,01-0,03; алюминий 0,02-0,18; церий 0,01-0,04; железо - остальное. Предложенный износостойкий чугун обладает высокими характеристиками прочности, предела усталости и износостойкости в условиях коррозионно-механического и ударно-абразивного изнашивания. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности, к получению легированных износостойких чугунов, работающих в условиях коррозионно-механического и ударно-абразивного изнашивания.
Известен низколегированный чугун (а.с. СССР №1627580, МПК C22C 37/10, 1991) следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 17,5-3,1 |
| Кремний | 0,8-1,1 |
| Марганец | 0,7-1,3 |
| Хром | 13,5-17,5 |
| Никель | 0,3-1,0 |
| Молибден | 1,3-2,6 |
| Цирконий | 0,09-0,6 |
| Кобальт | 0,08-0,28 |
| Кальций | 0,02-0,05 |
| Теллур | 0,002-0,03 |
| Железо | Остальное |
Известный чугун имеет низкую динамическую прочность, плохо сопротивляется ударным нагрузкам и склонен к трещинообразованию.
Известен также легированный износостойкий чугун марки ЧЮХШ ГОСТ 7769-82. Этот чугун обладает недостаточными характеристиками прочности, коррозийной стойкости и износостойкости, что снижает его эксплуатационную стойкость в условиях коррозийно-механического и ударно-абразивного изнашивания.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является износостойкий чугун (патент BY №11609, C22C 37/00, 2009, прототип), содержащий, мас.%:
| Углерод | 2,3-3,2 |
| Кремний | 0,5-0,9 |
| Марганец | 0,5-1,5 |
| Никель | 0,1-0,5 |
| Ванадий | 0,3-1,1 |
| Титан | 0,1-0,5 |
| Хром | 0,06-0,5 |
| Кобальт | 0,02-0,3 |
| Фосфор | 0,05-0,30 |
| Бор | 0,02-0,20 |
| Сера | 0,002-0,02 |
| Магний | 0,01-0,02 |
| Железо | Остальное |
Данный чугун обладает следующими механическими и эксплуатационными свойствами:
| Временное сопротивление разрыву, МПа | 331-375 |
| Твердость, НВ | 290-328 |
| Стрела прогиба, мм | 6,5-7,8 |
| Ударная вязкость, Дж/см2 | 22-28 |
| Износостойкость, мг/м2·ч | 30-45 |
| Предел коррозийной усталости, МПа | 351-386 |
| Прокаливаемость, мм | 45-60 |
Склонность к трещинообразованию (общая
| длина трещин в пробе), мм | 2,4-3,0 |
Недостаточные характеристики прочности, предела коррозионной усталости и износостойкости снижают эксплуатационную стойкость в условиях коррозионно-механического и ударно-абразивного изнашивания.
Задачей данного технического решения является повышение прочности, предела коррозионной усталости и износостойкости чугуна.
Поставленная задача решается тем, что износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, ванадий, титан, хром, кобальт, фосфор, бор, серу, магний и железо, дополнительно содержит алюминий и церий при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Углерод | 2,3-3,2 |
| Кремний | 0,5-0,9 |
| Марганец | 0,5-1,5 |
| Никель | 0,1-0,5 |
| Ванадий | 0,3-1,1 |
| Титан | 0,1-0,5 |
| Хром | 0,8-3,5 |
| Кобальт | 0,02-0,3 |
| Фосфор | 0, 05-0,3 |
| Бор | 0,10-0,2 |
| Сера | 0,002-0,02 |
| Магний | 0,01-0,03 |
| Алюминий | 0,02-0,18 |
| Церий | 0,01-0,04 |
| Железо | Остальное |
Существенными отличиями предложенного чугуна является введение в его состав эффективных микролегирующих и модифицирующих компонентов - алюминия и церия и увеличение содержания карбидообразующего элемента - хрома, что существенно повышает прочность, износостойкость и предел коррозионной усталости.
Дополнительное введение алюминия в количестве 0,02-0,18 мас.% обусловлено существенным влиянием его на дисперсность и стабильность структуры, очистку расплавленного чугуна от примесей и газов, повышение механических, технологических и эксплуатационных свойств чугуна в отливках. При содержании алюминия до 0,02% не отмечается существенного влияния его на стабильность структуры, повышение прочности, трещиностойкости, предела усталости и износостойкости. При увеличении содержания алюминия более 0,18% снижается покаливаемость и начинает сказываться его графитизирующее влияние на структуру и свойства чугуна.
Церий - эффективный микролегирующий и модифицирующий элемент, который в количестве 0,01-0,04% оказывает сфероидизирующее влияние на структурные составляющие чугуна, повышает прочностные и эксплуатационные свойства. Его модифицирующее влияние на структуру и свойства чугуна начинает сказываться с концентрации 0,01%. При увеличении содержания церия более 0,04% снижаются его усвояемость, влияние на стабильность структуры, механические свойства и трещиностойкость.
Содержание хрома 0,8-3,5% принято в пределах, обеспечивающих повышение прочности, прокаливаемости, износостойкости, предела коррозионной усталости и твердости при сохранении дисперсности и стабильности микроструктуры чугуна в отливках. При увеличении содержания хрома более 3,5% укрупняется структура чугуна в отливках и снижаются характеристики упруго-пластических свойств, повышается склонность к трещинообразованию. При концентрации хрома менее 0,8% его легирующий эффект недостаточен и характеристики механических свойств низкие.
Опытные плавки чугунов производят в индукционных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального и чугунного лома, ферромарганца, феррохрома, никеля, ферротитана и других ферросплавов.
После рафинирования расплава при температуре 1460-1480°C производят легирование чугуна ферромарганцем, никелем, содержащим кобальт, феррованадием и ферротитаном в печи. Модифицирование чугуна проводят в барабанном раздаточном ковше прессованными экзотермическими таблетками на основе алюминия и кузнечной окалины с использованием измельченной смеси до фракции 1-5 мм из ферроцерия, никельмагниевой лигатуры и ферробора.
Для определения механических и технологических свойств отливали стандартные образцы, технологические пробы и мелющие шары диаметром от 60 до 100 мм.
Ударную вязкость определяли на образцах 10×10×55 мм без надреза, а износостойкость - на стандартных образцах в соответствии с требованиями ГОСТ 23.208-79 с использованием в качестве абразивного материала электрокорунда зернистостью №16-17 по ГОСТ 3647-80 с относительным содержанием влаги 0,10-0,14%. Для определения трещиностойкости использовали звездообразную технологическую пробу диаметром 250 мм и высотой 140 мм. Определение твердости проводили в соответствии с ГОСТ 24805, а прочностных свойств - в соответствии с ГОСТ 27208. Глубину прокаливаемости определяли на отливках шаров для цементной промышленности диаметром 120 мм.
В таблице 1 приведены химические составы износостойких чугунов опытных плавок.
В таблице 2 приведены механические и технологические свойства износостойких чугунов опытных плавок. Как видно из таблицы 2, предложенный износостойкий чугун обладает более высокими характеристиками прочности, предела усталости и износостойкости, чем известный чугун.
| Таблица 1 | ||||||
| Химические составы износостойких чугунов опытных плавок | ||||||
| Компоненты | Содержание компонентов, мас.% (железо - остальное) в чугуне состава | |||||
| 1 (Изв.) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Углерод | 2,8 | 2,1 | 2,3 | 2,7 | 3,2 | 3,4 |
| Кремний | 0,7 | 1,1 | 0,9 | 0,7 | 0,5 | 0,4 |
| Марганец | 1,0 | 0,3 | 0,5 | 1,1 | 1,5 | 1,7 |
| Никель | 0,3 | 0,05 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,6 |
| Ванадий | 0,7 | 0.15 | 0,3 | 0,8 | 1,1 | 1,3 |
| Титан | 0,3 | 0,07 | 0,1 | 0,3 | 0,5 | 0,7 |
| Хром | 0,2 | 0,21 | 0,6 | 2,8 | 3,5 | 3,7 |
| Кобальт | 0,2 | 0,01 | 0,02 | 0,2 | 0,3 | 0,5 |
| Фосфор | 0,2 | 0,02 | 0,05 | 0,1 | 0,3 | 0,5 |
| Бор | 0,1 | 0,03 | 0,10 | 0,17 | 0,2 | 0,3 |
| Сера | 0,01 | 0,001 | 0,002 | 0,01 | 0,02 | 0,03 |
| Магний | 0,01 | 0,006 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 |
| Алюминий | - | 0,01 | 0,02 | 0,12 | 0,18 | 0,21 |
| Церий | - | 0,005 | 0,01 | 0,03 | 0,04 | 0,05 |
| Таблица 2 | ||||||
| Механические и эксплуатационные свойства износостойких чугунов | ||||||
| Показатели | Свойства износостойких чугунов для составов | |||||
| 1 (Изв.) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Временное сопротивление разрыву, МПа | 365 | 371 | 475 | 560 | 540 | 420 |
| Твердость, НВ | 321 | 329 | 360 | 347 | 335 | 324 |
| Ударная вязкость, Дж/см2 | 25 | 21 | 36 | 33 | 31 | 28 |
| Износостойкость, мг/м2·ч | 32 | 30 | 21 | 24 | 27 | 29 |
| Предел усталости, МПа | 370 | 366 | 510 | 565 | 521 | 435 |
| Склонность к трещинообразованию (общая длина трещин в пробе), мм | 8,4 | 8,2 | 4,5 | 5,2 | 4,8 | 4,2 |
| Прокаливаемость, мм | 55 | 52 | 54 | 57 | 60 | 53 |
Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, ванадий, титан, хром, кобальт, фосфор, бор, серу, магний и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий и церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 2,3-3,2 |
| Кремний | 0,5-0,9 |
| Марганец | 0,5-1,5 |
| Никель | 0,1-0,5 |
| Ванадий | 0,3-1,1 |
| Титан | 0,1-0,5 |
| Хром | 0,8-3,5 |
| Кобальт | 0,02-0,3 |
| Фосфор | 0,05-0,3 |
| Бор | 0,10-0,2 |
| Сера | 0,002-0,02 |
| Магний | 0,01-0,03 |
| Алюминий | 0,02-0,18 |
| Церий | 0,01-0,04 |
| Железо | Остальное |
