ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ
WEAR-RESISTANT CAST IRON WITH SPHERICAL GRAPHITE

Изобретение относится к литейному производству, а именно к износостойким чугунам с шаровидным графитом для производства деталей машин и оборудования, подвергающих абразивному износу, например, футеровки смесителей и др.
Известен высокопрочный чугун с шаровидным графитом, содержащий, масс.%: углерод 3,8-4,5; ванадий 3,5-4,5; кремний 2,5-4,2; 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.
Недостатком известного чугуна являются низкие значения прочности твердости в литом состоянии. В связи с этим известный чугун в литом состоянии не имеет необходимую стойкость в условиях ударно-абразивного износа.
(SU322394, C22C 37/00, опубликовано 30.11.1970)
Наиболее близким по технической сущности является износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, ванадий, медь, никель, марганец, магний, алюминий, церий, кальций, бор и железо при следующем соотношении компонентов, 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.
(RU2401316, С22С 37/04, опубликовано 10.10.2010)
Однако известный износостойкий чугун с шаровидным графитом, литая металлическая основа которого содержит карбиды ванадия и мартенсит, обладает недостаточной абразивной стойкостью, ограничивающей его использование для изделий, подвергающихся абразивному износу.
Задачей и техническим результатом изобретения является повышение абразивной стойкости и твердости чугуна в литом состоянии.
Технический результат достигается тем, что износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит углерод, кремний, ванадий, медь, никель, марганец, магний, алюминий, церий, кальций, бор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,8-4,0; кремний 1,5-3,5; марганец 4,0-6,0; 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; кальций 0,06-0,80; железо - остальное, причем в структуре чугуна углерод содержится в свободном состоянии в виде включений графита шаровидной формы в количестве 0,5-2,2%, и в связанном состоянии - в виде карбидной фазы в количестве 0,4-3,7%.
7
3
3
2
Наличие в составе чугуна по изобретению одновременно марганца и ванадия в заявленных концентрациях дает преимущественное образование твердых и прочных карбидов марганца типа MnC и очень твердых карбидов ванадия типа VC, повышающих твердость и ударно-абразивную стойкость чугуна в литом состоянии. При этом в значительной мере подавляется образование менее твердых и хрупких карбидов типа MnC и VC.
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 троститной 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 большего количества твердых карбидов ванадия и марганца, 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 вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1480-1520°С на зеркало расплава вводили марганец, ванадий, бор и кремний. Затем присаживали 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 чугуна и чугуна по изобретению. В таблице 2 приведены количество включений графита и карбидов, значения твердости и износостойкости в условиях абразивного износа.
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. 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 чугунов определяли планиметрическим методом в трех полях и методом случайных секущих при 500-кратном увеличении на микроскопе МИМ-8.
Достижение технического результата, как видно из данных таблицы 2, иллюстрирует более высокая твердость (65-72 HRC) и относительная износостойкость (3,2-4,4) чугуна по изобретению в литом состоянии в сравнении с известным чугуном.
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.
Таблица 1
Содержание компонентов, мас.%
По изобретению
Известный
1
2
3
4
5
6
7
8
углерод
2,8
3,4
4,6
2,8
3,4
4,6
3,4
3,4
кремний
1,5
2,5
3,5
1,5
2,5
3,5
2,5
2,5
марганец
4,0
5,0
6,0
4,0
5,0
6,0
0,6
0,6
никель
3,0
4,0
5,0
3,0
4,0
5,0
4,0
4,0
бор
0,06
0,23
0,4
0,06
0,23
0,40
0,3
0,3
ванадий
3,0
4,5
6,0
3,0
4,5
6,0
5,5
5,5
медь
0,2
0,5
0,8
0,2
0,5
0,8
0,5
0,5
алюминий
0,1
0,4
0,7
0,1
0,4
0,7
0,25
0,25
церий
0,02
0,11
0,2
0,02
0,11
0,2
0,11
0,11
магний
0,02
0,05
0,08
0,02
0,05
0,08
0,06
0,06
кальций
0,06
0,43
0,80
0,06
0,43
0,80
0,12
0,12
железо
остальное
Таблица 2
№, №
Чугун
Количество включений графита, %
Количество карбидов (VC+Mn<sub>7</sub>C<sub>3</sub>), %
Твердость,  HRC
Коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа
1
По изобретению
0,5
32
66
3,4
2
0,5
34
68
3,8
3
0,5
36
72
4,4
4
Известный
0,5
30
62
3,0
5
По изобретению
2,2
30
65
3,2
6
2,2
32
67
3,4
7
2,2
34
69
3,7
8
Известный
2,2
28
64
2,8