ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН
WEAR-RESISTANT CAST IRON

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся ударно-абразивному износу, например деталей цементно- и гипсоразмольного оборудования и т.п.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий, масс.%: углерод 2,2-3,2; кремний 2,5-3,5; марганец 3,0-8,5; алюминий 0,5-2,0; молибден 0,4-0,7; серу до 0,03; фосфор до 0,08; магний 0,03-0,08; железо остальное [1].
Недостатками этого чугуна являются низкие значения твердости и износостойкости в литом состоянии.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, масс.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 4,0-10,0; никель 2,0-5,0; бор 0,2-0,4; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,4; церий 0,02-0,2; магний 0,02-0,08; кальций 0,04-0,20; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо остальное [2].
Указанный износостойкий чугун с шаровидным графитом, литая металлическая основа которого содержит карбиды марганца и мартенсит, обладает недостаточной ударно-абразивной стойкостью при помоле цемента и гипса.
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 марганца существенно повысят твердость сплава, предназначенного для изготовления износостойких отливок, например бронефутеровки, бандажи и сегменты цементно- и гипсоразмольных мельниц.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащим: углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, серу, фосфор, железо, дополнительно введен хром и молибден при следующем соотношении компонентов, масс.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 4,0-6,0; никель 3,0-5,0; бор 0,06-0,40; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,7; церий 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; хром 0,2-0,8; молибден 4,0-6,0; кальций 0,06-0,80; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо остальное.
Введение в состав предложенного чугуна хрома способствует образованию твердого раствора в его металлической основе, благодаря которому повышаются прочностные характеристики сплава.
Добавка в состав предложенного чугуна хрома менее 0,2% не обеспечивает образования достаточного количества твердого раствора на основе хрома, в результате чего прочностные характеристики чугуна не повышаются. Увеличение количества хрома свыше 0,8% способствует образованию цементита, который отрицательно влияет на прочностные характеристики чугуна.
2
Введение в состав предложенного чугуна молибдена способствует образованию твердых карбидов молибдена типа MoC, благодаря которым повышается стойкость чугуна в условиях ударно-абразиного 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 6,0% способствует образованию повышенного количества карбидов молибдена, в результате чего повышается твердость, но одновременно с этим снижаются прочностные характеристики чугуна.
Уменьшение содержания марганца в составе предложенного чугуна с 10 до 6% позволяет снизить количество карбидов марганца, благодаря чему появляются условия для 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 получению графита шаровидной формы, благодаря которому 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, 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 твердых карбидов марганца 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 (62-68 HRC) и относительная износостойкость (2,4-3,5) 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 цементно- и гипсоразмольных мельниц позволяет существенно (на 35-45%) увеличить их срок службы.
Источники информации, использованные при составлении заявки
1. А.С. №761594 СССР, БИ №33, 1980.
2. Патент RU 2401316 C1 от 10.10.2010 г. Бюл. №28.
Таблица 1
Номер образца, №
Чугун
Содержание химических элементов, масс.%
С
Si
Mn
Ni
В
V
Сu
Аl
Се
Mg
Cr
Mo
Са
S
Р
1
Предлагаемый
3,0
1,5
4,0
3,0
0,06
0,2
0,2
0,1
0,02
0,02
0,2
4,0
0,06
0,01
0,02
2
3,8
2,5
5,0
4,0
0,23
0,5
0,5
0,4
0,11
0,05
0,5
5,0
0,43
0,02
0,05
3
4,6
3,5
6,0
5,0
0,40
0,8
0,8
0,7
0,20
0,08
0,8
6,0
0,80
0,03
0,08
4
Прототип
3,8
2,5
7,0
3,5
0,3
0,5
0,5
0,25
0,11
0,05
-
-
0,12
0,02
0,05
5
Предлагаемый
3,0
1,5
4,0
3,0
0,06
0,2
0,2
0,1
0,02
0,02
0,2
4,0
0,06
0,01
0,02
6
3,8
2,5
5,0
4,0
0,23
0,5
0,5
0,4
0,11
0,05
0,5
5,0
0,43
0,02
0,05
7
4,6
3,5
6,0
5,0
0,40
0,8
0,8
0,7
0,20
0,08
0,8
6,0
0,80
0,03
0,08
8
Прототип
3,8
2,5
7,0
3,5
0,3
0,5
0,5
0,25
0,11
0,05
-
-
0,12
0,02
0,05
Таблица 2
Номер образца, №
Чугун
Количество включений графита, %
Количество карбидов (Мn<sub>7</sub>С<sub>3</sub>+Мo<sub>2</sub>С), %
Твердость HRC
Коэффициент относительной износостойкости
1
Предлагаемый
0,5
30
63
2,6
2
0,5
33
65
3,0
3
0,5
35
68
3,5
4
Прототип
0,5
26
60
2,0
5
Предлагаемый
2,2
28
62
2,4
6
2,2
30
64
2,5
7
2,2
33
66
2,8
8
Прототип
2,2
24
58
1,8