ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН
WEAR-RESISTANT CAST IRON

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к износостойким чугунам для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся ударно-абразивному износу, например деталей смесеприготовительной системы изготовления асфальта, бетона и т.п.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий, мас.%: 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 0,01; магний до 0,05; РЗМ до 0,05; железо - остальное [1].
Указанный износостойкий чугун обладает требуемыми свойствами только после сложной термической термообработки.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: 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 ударно-абразивной стойкостью при приготовлении асфальта и бетона.
Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с более высокой твердостью в литом состоянии для работы в условиях ударно-абразивного износа.
Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении ударно-абразивной стойкости чугуна в литом состоянии за счет образования в его структуре твердых карбидов молибдена, которые совместно с карбидами ванадия существенно повысят твердость сплава, предназначенного для изготовления износостойких отливок, например бронефутеровки, лопатки, кронштейны для смесеприготовительного оборудования.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащем: углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, серу, фосфор, железо, дополнительно введен молибден, 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; молибден 4,0-6,0; кальций 0,06-0,80; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо - остальное.
2
Введение в состав предложенного чугуна молибдена способствует образованию твердых карбидов молибдена типа МоС, благодаря которым повышается стойкость чугуна в условиях ударно-абразивного износа.
2
Добавка в состав предложенного чугуна молибдена менее 4% способствует образованию карбидов молибдена типа МоС, твердость которых по сравнению с твердостью карбидов молибдена типа МоС в 1,5 раза меньше. Увеличение содержания молибдена свыше 6% способствует образованию повышенного количества карбидов молибдена, 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 получать графит шаровидной формы, благодаря этому существенно повышаются прочностные характеристики чугуна.
Наличие в металлической основе предложенного чугуна включений графита шаровидной формы в количестве менее 0,5% способствует образованию аустенитной структуры чугуна, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-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 предложенного чугуна связанного углерода в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры чугуна, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивного изнашивания. Увеличение концентрации связанного углерода более 3,7% способствует образованию большого количества твердых карбидов ванадия и молибдена, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, ударно-абразивной стойкости чугуна.
Плавку износостойкого чугуна предложенного состава проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, молибден вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1480-1520°С на зеркало расплава вводят марганец, ванадий, бор и кремний. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе 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, значение твердости и износостойкости в условиях ударно-абразивного износа.
Техническим результатом, как видно из данных таблицы 2, являются более высокая твердость (64-70 HRC) и относительная износостойкость (2,5-3,8) предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом в литом состоянии.
Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59.
Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (⌀18×18 мм), после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 минут каждая. Испытания на ударно-абразивный износ проводили на лабораторной мельнице конструкции ЦНИИТМАШ. В качестве абразива использовали кварцевый песок определенной зернистости. За эталон принимали износ образцов, изготовленных из стали 20.
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 мелющих элементов смесеприготовительного оборудования, используемого для приготовления асфальта и бетона, позволяет существенно (на 35-40%) увеличить их срок службы.
Источники информации, использованные при составлении заявки
1. А.С. СССР №322394, C22C 37/04, 1971.
2. Патент RU 2401317 C1 от 10.10.2010. Бюл. №28.
Таблица 2
Номер образца, №
Чугун
Количество включений графита, %
Количество карбидов (VC+Mo<sub>2</sub>C), %
Твердость HRC
Коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа
1
Предлагаемый
0,5
30
65
3,0
2
0,5
33
68
3,3
3
0,5
35
70
43,8
4
Прототип
0,5
33
65
3,0
5
Предлагаемый
2,2
28
64
2,6
6
2,2
30
66
2,8
7
2,2
33
68
3,0
8
Прототип
2,2
30
64
2,5