ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН
WEAR RESISTANT IRON

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях ударно-абразивного износа, в частности для изготовления мелющих шаров рудоразмольных мельниц.
Известен серый чугун, содержащий, мас.%: углерод 3,2-3,6; кремний 0,5-0,7; марганец 1,5-2,0; алюминий 0,1-0,2; молибден 0,2-0,3; фосфор 0,1-0,2; азот 0,08-0,12; вольфрам 2,0-3,0; мышьяк 0,03-0,05; железо остальное (RU №2006116041, C22C 37/10, 2006 г.).
Недостатком этого чугуна являются низкие значения прочности и твердости в литом состоянии. В связи с этим известный чугун в литом состоянии не имеет необходимую стойкость в условиях ударно-абразивного износа.
Известен износостойкий чугун с пластинчатым графитом (JP №330243, C22C 37/00, 1995 г.), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: углерод 2,5-3,6; кремний 1,0-3,5; марганец 0,5-10,0; никель <2,0; хром 0,1-0,5; молибден 0,1-5,0; вольфрам 0,5-5,0; ниобий 0,5-5,0; железо остальное.
Указанный износостойкий чугун с кристаллизованным пластинчатым графитом обладает высокой износостойкостью в условиях абразивного износа. В то же время он имеет низкую ударно-абразивную стойкость в литом состоянии, которая, главным образом, определяется прочностными свойствами материала.
Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с высокой прочностью в литом состоянии (без применения термообработки) 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 при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления износостойких отливок с повышенной прочностью, например мелющих шаров рудоразмольных мельниц.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащем: углерод, кремний, марганец, никель, вольфрам, железо, дополнительно введены ванадий, медь, магний, алюминий, церий, кальций, бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,8-4,2
Кремний
1,5-3,5
Ванадий
0,2-0,8
Медь
0,2-0,8
Никель
2,0-5,0
Марганец
0,2-1,6
Магний
0,02-0,1
Алюминий
0,1-0,5
Церий
0,02-0,1
Вольфрам
4,0-12,0
Кальций
0,06-0,8
Бор
0,2-0,4
Железо
остальное
Введение в состав предложенного чугуна ванадия способствует обеднению аустенита углеродом за счет образования карбидов ванадия, благодаря чему повышается температура начала мартенситного превращения и часть остаточного аустенита превращается в мартенсит, при этом доля остаточного аустенита снижается и, соответственно, повышается прочность, твердость и износостойкость чугуна.
Добавка в состав предложенного чугуна ванадия менее 0,2% не обеспечивает выделение достаточного количества карбидов ванадия, не изменяет долю остаточного аустенита, в результате чего не повышается твердость чугуна. Увеличение количества ванадия свыше 0,8% препятствует образованию структурно-свободного углерода в виде шаровидного графита, что повышает склонность чугуна к образованию трещин.
Введение в состав предложенного чугуна меди позволяет повысить его вязкость и прочность за счет растворения меди в металлической основе.
Введение меди в состав предложенного чугуна в количестве менее 0,2% не обеспечивает достаточной концентрации меди в металлической основе для существенного повышения значений вязкости и прочности износостойкого чугуна. Увеличение содержания меди свыше 0,8% способствует выделению по границам зерен структуры чугуна металлической меди, в результате чего понижаются его вязкость и прочность.
Введение в состав предложенного чугуна алюминия способствует увеличению количества эффективных зародышей кристаллизирующего графита, что способствует повышению количества прочностных характеристик чугуна.
Добавка в состав предложенного чугуна алюминия менее 0,1% не обеспечивает образования достаточного количества эффективных зародышей кристаллизующего графита, в результате чего не повышаются прочностные характеристики чугуна. Увеличение количества алюминия свыше 0,5 способствует образованию плен оксида алюминия, в результате чего снижаются прочностные характеристики чугуна.
Введение в состав предложенного чугуна магния способствует образованию включений графита правильной шаровидной формы, что позволит повысить прочностные характеристики чугуна.
Добавка в состав предложенного чугуна магния менее 0,02% не обеспечивает образования включений графита правильной шаровидной формы, в результате чего не повышаются прочностные характеристики чугуна. Увеличение количества магния свыше 0,1% способствует появлению эффекта перемодифицирования расплава чугуна, в результате чего включения графита образуются неправильной формы.
Введение в состав предложенного чугуна церия способствует выделению структурно-свободного углерода в виде шаровидного графита правильной формы, в результате чего повышаются прочностные характеристики чугуна.
Добавка церия в состав предложенного чугуна менее 0,02% не обеспечивает получения шаровидного графита правильной формы, в результате чего снижается прочность чугуна. Увеличение количества церия свыше 0,1% способствует образованию и выделению по границам зерен структуры чугуна твердых карбидов церия, в результате чего повышаются твердость чугуна и склонность его к образованию трещин.
Введение в состав предложенного чугуна кальция способствует десульфурации чугуна и препятствует образованию соединения окиси магния, при образовании которого снижается количество магния, необходимого для модифицирования чугуна.
Добавка в состав предложенного чугуна кальция менее 0,06% повышает количество магния, необходимого для модифицирования чугуна. При содержании кальция свыше 0,8% резко увеличивается количество неметаллических включений, в результате чего понижается прочность чугуна.
Введение в состав предложенного чугуна бора позволяет увеличить долю графитной и вольфрамо-карбидной эвтектики тонкого строения.
Добавка в состав предложенного чугуна бора менее 0,2% не обеспечивает выделение в достаточном количестве графитной и вольфрамо-карбидной фазы в виде эвтектики тонкого строения, что снижает твердость чугуна. Увеличение количества бора свыше 0,4% вызывает выделение крупных заэвтектических карбидов, что снижает прочностные характеристики чугуна.
2
Увеличение содержания вольфрама позволяет повысить количество карбидов вольфрама типа WC, что способствует увеличению твердости чугуна.
Введение вольфрама в количестве менее 4,0% не обеспечивает достижения достаточного количества твердых карбидов, в результате чего твердость чугуна будет низкой. Увеличение количества вольфрама свыше 12% способствует образованию большого количества твердых карбидов, в результате чего прочностные характеристики чугуна будут снижаться.
Наличие в металлической основе предложенного чугуна структурно-свободного углерода в виде включений графита шаровидной формы способствует образованию мартенситной структуры чугуна в литом состоянии, благодаря чему повышаются прочность и, соответственно, ударно-абразивная стойкость отливок из предложенного 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 способствует образованию мартенситно-карбидной структуры чугуна в литом состоянии, что повышает твердость и, соответственно, ударно-абразивную стойкость отливок из предложенного чугуна.
2
Концентрация связанного углерода в металлической основе предложенного чугуна в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивного изнашивания. Увеличение концентрации связанного углерода более 3,7% способствует образованию большого количества включений карбидов вольфрама типа WC, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, ударно-абразивной стойкости чугуна.
Плавку износостойкого чугуна с шаровидным графитом 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 1500-1560°С на зеркало расплава вводят ванадий, марганец и кремний в виде 75%-ного ферросилиция. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе сфероидизирующей присадки, а также церий и бор в виде ферроцерия и ферробора 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 механических свойств и износостойкости в условиях ударно-абразивного износа.
Техническим результатом, как видно из данных таблицы 2, является более высокая прочность (820-950 МПа) и относительная износостойкость (2,2-3,5) предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом в литом состоянии. Себестоимость отливок из предложенного чугуна существенно снижается за счет отказа применения хрома, молибдена, ниобия и уменьшения применения марганца с 10 до 1,6%.
Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59.
Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (018×18 мм) после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 минут каждый. 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, например, мелющих шаров мельниц, используемых для дробления и размола вольфрамовых руд, позволяет существенно (на 30-40%) увеличить их срок службы при снижении себестоимости изготовления мелющих шаров на 80%.
Таблица 1
Номер образца, №
Чугун
Содержание химических элементов, мас.%
C
Si
V
Cu
Ni
Mn
Al
Се
W
Са
В
Cr
Mo
Mg
Nb
1
2,8
1,5
0,2
0,2
2,0
0,2
0,1
0,02
4,0
0,06
0,2
-
-
0,02
-
2
Предлагаемый
3,5
2,5
0,5
0,5
3,5
0,9
0,3
0,06
8,0
0,43
0,3
-
-
0,6
-
3
4,2
3,5
0,8
0,8
5,0
1,6
0,5
0,1
12,0
0,80
0,4
-
-
0,10
-
4
Прототип
3,5
2,2
-
-
1,0
5,2
-
-
2,5
-
-
0,3
2,5
-
2,5
5
2,8
1,5
0,2
0,2
2,0
0,2
0,1
0,02
4,0
0,06
0,2
-
-
0,02
-
6
Предлагаемый
3,5
2,5
0,5
0,5
3,5
0,9
0,3
0,06
8,0
0,43
0,3
-
-
0,06
-
7
4,2
3,5
0,8
0,8
5,0
1,6
0,5
0,1
12,0
0,80
0,40
-
0,10
-
8
Прототип
3,5
2,2
-
-
1,0
5,2
-
-
2,5
-
-
0,3
2,5
-
2,5
Таблица 2
Номер образца, №
Чугун
Количество включений графита, %*
Количество карбидов вольфрама, %
Твердость, HRC
Прочность σ<sub>изг</sub>, МПа
Коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа
1
0,5
25
58
880
2,5
2
Предлагаемый
0,5
28
60
850
3,0
3
0,5
32
62
820
3,5
4
Прототип
0,5
38
65
460
1,5
5
2,2
18
52
950
2,2
6
Предлагаемый
2,2
24
56
920
2,6
7
2,2
28
58
900
3,2
8
Прототип
2,2
32
62
490
1,8
* Предлагаемый чугун содержит шаровидный графит, а прототип - пластинчатый графит.