ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН
WEAR RESISTANT CAST IRON

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/см<sup>2</sup>
22-28
Износостойкость, мг/м<sup>2</sup>·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/см<sup>2</sup>
25
21
36
33
31
28
Износостойкость, мг/м<sup>2</sup>·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