СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОТЛИВОК ИЗ ИЗНОСОСТОЙКОГО БЕЛОГО ЧУГУНА
METHOD OF PRODUCING WEAR-RESISTANT WHITE IRON

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению отливок из белого чугуна, используемых в качестве деталей, стойких к истиранию, например мелющих тел шаровых мельниц, износостойкой футеровки, сменных деталей нефтегазодобывающего оборудования.
Известен способ получения литой заготовки из белого износостойкого чугуна для быстроизнашиваемой детали, включающий выплавку, легирование и модифицирование чугуна, с получением заданного состава чугуна, получение отливки заливкой заданного состава чугуна в песчаную или металлическую форму, очистку и термообработку отливки, отличающийся тем, что выплавку чугуна осуществляют расплавлением в электропечи железоуглеродистой шихты с одновременным легированием его на заданный состав, модифицирование осуществляют силикобарием при сливе в ковш нагретого в печи до температуры 1400-1470°С расплава, а термообработку осуществляют в виде высокотемпературной нормализации с нагревом до температуры 1050-1100°С и выдержкой при ней 2-3 ч и последующего высокотемпературного отпуска с нагревом до температуры 690-710°С, выдержкой при ней 6-7 ч и охлаждением с печью до температуры 400°С, а затем на воздухе, при этом после модифицирования получают чугун следующего состава, мас.%:
Углерод
2,4-4,0
Кремний
0,5-1,5
Марганец
2,0-4,0
Никель
2,0-4,0
Хром
8,0-12,0
Молибден
0,5-0,8
Бор
0,1-0,3
Барий
0,005-0,001
Фосфор
0,02-0,10
Сера
0,02-0,07
Железо
остальное
6
(патент РФ №2113495, МПК С21С 1/08, опубл. 20.06.1998 г.).
Недостатками данного способа являются: неравномерная твердость в разных частях отливки, пониженная твердость в медленно охлаждаемых частях отливки, что предопределяет их низкую износостойкость, высокое содержание дорогих и дефицитных легирующих элементов (хром, никель, молибден, бор), что определяет высокую стоимость чугуна из-за наличия дорогих легирующих элементов, и необходимость проведения длительной сложной термообработки изделий.
Наиболее близким по технической сущности является способ получения отливок из износостойкого белого чугуна, включающий выплавку чугуна и последующую заливку его в разливочный ковш, отличающийся тем, что выплавляют чугун в индукционной или дуговой электропечи следующего химического состава, мас.%:
Углерод
3,1-3,9
Кремний
2,10-2,65
Марганец
0,60-0,80
Хром
0,80-1,00
Никель
0,65-1,00
Медь
0,80-1,00
Ванадий
1,00-1,60
Сера
0,016-0,20
Фосфор
0,02-0,16
Железо
остальное,
а затем непосредственно в разливочный ковш вводят борсодержащую и церийсодержащую лигатуру до содержания в чугуне, мас.%: бор 0,02-0,06, церий 0,02-0,05 (патент РФ №2307171, кл. С21С 1/08, С22С 37/00, опубл. 27.09.2007 г.).
в
Чугун имеет твердость 54-61 HRC. Прочность σ до 427 МПа, удлинение δ=0%.
Недостатками данного способа являются: пониженная прочность и твердость отливок из чугуна, с уменьшением твердости к центру отливки, приводящая к быстрому износу мелющих тел в процессе работы, их низкая ударостойкость, что приводит к их разрушению в процессе помола, высокое содержание дорогих и дефицитных легирующих элементов (никель, ванадий), а также сложный режим термообработки, что определяет высокую стоимость отливок из чугуна.
Задачей и техническим результатом изобретения является получение отливок из чугуна с высокой прочностью и твердостью, равномерной во всех их частях, с очень мелким зерном бейнита и троостита, а также с графитом в шаровидной форме, что обеспечивает высокую их износостойкость и ударостойкость, а также изготовление отливок без сложной термообработки, что позволяет производить отливки с относительно невысокой стоимостью.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения отливок из износостойкого белого чугуна, включающем выплавку чугуна в печи, последующую заливку его в разливочный ковш, модифицирование расплава чугуна борсодержащей и церийсодержащей лигатурой, формирование отливок, отличающемся тем, что выплавляют чугун в печи следующего химического состава, мас.%:
Углерод
3,4-4,0
Кремний
1,0-1,2
Марганец
0,3-0,8
Хром
0,8-1,0
Никель
0,05-0,15
Медь
0,8-1,5
Ванадий
0,05-0,10
Сера
0,01-0,20
Фосфор
0,10-0,20
Железо
остальное,
при этом в разливочный ковш дополнительно вводят магний в количестве 0,03-0,06% (при меньшем количестве введения магния чугун имеет повышенную хрупкость, а введение большего количества не приводит к дальнейшему понижению хрупкости) и углеродный наномодификатор 0,001-0,002% от массы расплава (при меньшем количестве введения наномодификатора чугун имеет большой размер зерен, а введение большего количества не приводит к дальнейшему уменьшению размера зерен), полученные отливки подвергают бейнитной закалке со скоростью от 2°С/сек до 45°С/сек до температуры от 250°С до 350°С с последующим охлаждением на воздухе.
При скорости охлаждения отливок медленнее чем 2°С/сек в чугуне образуется перлит, что резко ухудшает его стойкость к ударным воздействиям, если охлаждение производить быстрее чем 45°С/сек в чугуне возникают значительнее внутренние напряжения, что также приведет к резкому ухудшению его стойкости к ударным воздействиям. Если охлаждать отливки ниже 250°С в чугуне возникают значительные внутренние напряжения, что приведет к резкому ухудшению его стойкости к ударным воздействиям, если охладить отливки из чугуна выше 350°С, они будут иметь твердость ниже необходимой для их оптимальной работоспособности. Если не проводить закалку отливок, то их твердость будет ниже необходимой для оптимальной работоспособности.
Предлагаемый способ получения отливок из белого чугуна позволяет получить структуру белого чугуна высокой твердости и износостойкости при невысокой себестоимости отливок.
При введении борсодержащей и церийсодержащей лигатуры непосредственно в разливочный ковш до содержания в чугуне, мас.%: бор 0,005-0,007, церия 0,02-0,04 достигается быстрая его кристаллизация и быстрое охлаждение отливок, что при определенной температуре заливки и указанном химическом составе чугуна обеспечивает получение равномерной структуры белого чугуна во всех их частях и в силу этого их высокую равномерную твердость и износостойкость. Введение бора в указанном диапазоне позволяет улучшить прокаливаемость чугуна, введение бора в большем количестве приводит к увеличению размеров зерен металла.
Введение церия и хрома стимулирует карбидообразование при получении отливок из белого чугуна. Бор при малых добавках размещается в ядрах дислокации, закрепляет их, что обеспечивает твердость и износостойкость выплавляемого белого чугуна. Фуллерены углерода, которые содержатся в наномодификаторе, являются центрами кристаллизации, в большом количестве из-за их малых размеров они распределяются в расплаве чугуна и способствуют получению металла с мелкокристаллической структурой.
Такой состав белого чугуна и такой способ получения отливок из белого чугуна выбраны на основе проведенных исследований, устанавливающих влияние вводимых элементов на структуру и свойства отливок.
Содержание серы и фосфора выбрано из условия внесения их в чугун шихтовыми материалами.
Пример
Выплавляли в печи ВП-10 чугун заявленного химического состава из чушкового чугуна, стального, чугунного и медного лома, вводили феррохром в разливочный ковш вводили борсодержащую (ферробор с содержанием 60% бора) и церийсодержащую (ФС30РЗМ30А) лигатуру, магний и наномодификатор (содержащий до 20% фуллеренов углерода), получали отливки цильпебсов диаметром 25-32 мм. Химический состав шихты чугуна, механические свойства полученных отливок приведены в таблицах 1, 2, 3, 4.
Для нейтрализации серы добавляли в ковш лигатуру ФС30РЗМ30А, а также магний для получения графита в шаровидной форме.
Разливку чугуна производили в ковш массой 1300 кг. Затем расплав разливали в чугунные кокили на непрерывно работающей разливочной машине. Закалку цильпебсов производили поливанием водой, контроль температур цильпебсов осуществлялся с помощью пирометра.
Количество легирующих элементов и результаты испытаний представлены в таблицах №1-4.
Таблица №1
1
Химсостав чугуна, мас.%
С
Si
v
Cr
Ni
Cu
3,4
1,2
0,05
0,8
0,05
0,8
В
S
P
Mn
Се
0,005
0,1
0,15
0,5
0,02
2
Модифицирование
Модификаторы
Магний
Углеродный наномодификатор
%, ввода, от массы расплава
0,03
0,0015
3
Вид излома образца
Белый чугун
4
Механические свойства
Твердость, HRC
Прочность, σ<sub>в</sub>, МПа
Удлинение, δ, %
60
480
0
Таблица №2
1
Химсостав чугуна, мас.%
С
Si
V
Cr
Ni
Cu
4,0
1,1
0,07
0,85
0,06
1,2
В
S
Р
Мn
Се
0,005
0,2
0,1
0,3
0,02
2
Модифицирование
Модификаторы
Магний
Углеродный наномодификатор
%,ввода, от массы расплава
0,03
0,002
3
Вид излома образца
Белый чугун
4
Механические свойства
Твердость, HRC
Прочность, σ<sub>в</sub>, МПа
Удлинение, δ, %
60
510
0
Таблица №3
1
Химсостав чугуна, мас.%
С
Si
V
Cr
Ni
Cu
3,5
1,15
0,1
0,9
0,15
1,5
В
S
Р
Mn
Се
0,007
0,006
0,2
0,8
0,03
2
Модифицирование
Модификаторы
Магний
Углеродный наномодификатор
%, ввода, от массы расплава
0,04
0,001
3
Вид излома образца
Белый чугун
4
Механические свойства
Твердость, HRC
Прочность, σ<sub>в</sub>, МПа
Удлинение, δ, %
61
500
0
Таблица №4
1
Химсостав чугуна, мас.%
С
Si
V
Cr
Ni
Cu
3,8
1,0
0,09
1,0
0,06
1,1
В
S
Р
Mn
Се
0,006
0,01
0,17
0,6
0,04
2
Модифицирование
Модификаторы
Магний
Углеродный наномодификатор
%, ввода, от массы расплава
0,06
0,0015
3
Вид излома образца
Белый чугун
4
Механические свойства
Твердость, HRC
Прочность, σ<sub>в</sub>, МПа
Удлинение, δ, %
62
550
0
Из таблиц видно, что отливки, полученные заявленным способом, обладают высокой прочностью и твердостью, равномерной во всех их частях. Литейные качества чугуна удовлетворительные. Оптимальный состав - №4.
При исследовании изменения твердости у края, на 1/2 радиуса и в центре разрезанных цильпебсов установлено незначительное уменьшение твердости в центре на 1-2 ед. HRC по сравнению с краем.
При испытаниях на удароустойчивость цильпебсы всех вышеприведенных составов не разрушались. При дальнейших испытаниях ни один из цильпебсов состава №4 не разрушился даже при увеличении времени испытаний в 6 раз от заданного.
Структура состава №4 бейнитная. Ближе к поверхности наблюдается уменьшение размеров зерен. Средний размер зерна около 10 мкм. Графит находится в шаровидной форме.