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, предназначенных для работы в условиях ударно-абразивного износа, в частности для изготовления литых мелющих шаров рудоразмольных мельниц.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: 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 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; кальций 0,04-0,2; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо остальное (RU 2401317, C22C 37/04, опубликовано 10.10.2010).
Наиболее близким по технической сущности является износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, ванадий, медь, никель, марганец, магний, алюминий, церий, вольфрам, кальций, бор и железо 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 (RU 2419666, С22С 37/04, С22С 37/10, опубликовано 27.05.2011).
Однако известные износостойкие чугуны с шаровидным графитом обладают достаточной износостойкостью в условиях абразивного износа, но недостаточно высокой ударно-абразивной стойкостью в литом состоянии, что ограничивает область их применения.
Задачей изобретения и его техническим результатом является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с повышенной твердостью и ударно-абразивной стойкостью в литом состоянии для работы в условиях ударно-абразивного износа.
Технический результат достигается тем, что в износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит углерод, кремний, ванадий, медь, никель, марганец, магний, алюминий, церий, вольфрам, кальций, бор, хром и железо 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
4,0-6,0
Кальций
0,06-0,8
Бор
0,06-0,40
Хром
3,0-6,0
Железо
остальное
Технический результат также достигается тем, что 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
2
3
Наличие в составе чугуна по изобретению одновременно хрома и вольфрама в заявленных концентрациях дает преимущественное образование очень твердых и прочных карбидов типа WC и карбидов хрома типа CrC, повышающих твердость и ударно-абразивную стойкость чугуна в литом состоянии. При этом в значительной степени подавляется образование менее твердых и хрупких карбидов типа WC и CrC.
Наличие в металлической основе чугуна углерода в свободном состоянии в виде 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.
2
3
Концентрация связанного углерода в металлической основе в виде карбидов в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивной стойкости чугуна. Увеличении концентрации связанного углерода более 3,7% способствует увеличению количества включений карбидов вольфрама и хрома типа WC и CrC, 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, хром - вводили в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1500-1540°С на зеркало расплава вводили марганец, ванадий 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 чугуна и чугуна по изобретению. В таблице 2 приведены количество включений графита и карбидов, значения механических свойств и износостойкости чугунов в условиях ударно-абразивного износа.
Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (⌀18×18 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.
Как видно из данных таблицы 2, износостойкий чугун по изобретению в литом состоянии имеет более высокую твердость (60-70 HRC) и относительную износостойкость (3,0-4,2) в сравнении с известным чугуном. Себестоимость отливок из предложенного чугуна существенно снижается за счет уменьшения содержания вольфрама с 12 до 6%.
Таким образом, износостойкий чугун с шаровидным графитом по изобретению обеспечивает достижение технического результата, что позволяет при его использовании в литом состоянии, например литых мелющих шаров мельниц для дробления и размола вольфрамовых руд, существенно (на 30-40%) увеличить срок службы мелющих шаров при снижении себестоимости их изготовления на 30%.
Таблица 1
Содержание компонентов, мас.%
По изобретению
Известный
1
2
3
4
5
6
7
8
углерод
2,8
3,5
4,2
2,8
3,5
4,2
3,5
3,5
кремний
1,5
2,5
3,5
1,5
2,5
3,5
2,2
2,5
ванадий
0,2
0,5
0,8
0,2
0,5
0,8
0,5
0,5
медь
0,2
0,5
0,8
0,2
0,5
0,8
0,5
0,5
никель
2,0
3,5
5,0
2,0
3,5
5,0
3,5
3,5
марганец
0,2
0,9
1,6
0,2
0,9
1,6
0,9
0,9
магний
0,02
0,06
0,10
0,02
0,06
0,10
0,06
0,06
алюминий
0,1
0,3
0,5
0,1
0,3
0,5
0,3
0,3
церий
0,02
0,06
0,1
0,02
0,06
0,1
0,06
0,06
вольфрам
4,0
5,0
6,0
5,0
5,0
6,0
8,0
8,0
кальций
0,06
0,43
0,80
0,06
0,43
0,80
0,43
0,43
бор
0,06
0,23
0,4
0,06
0,23
0,40
0,3
0,3
хром
3,0
4,5
6,0
3,0
4,5
6,0
-
-
железо
остальное
Таблица 2
№, №
Чугун
Количество включений графита, %
Количество карбидов (WC+Cr<sub>7</sub>C<sub>3</sub>), %
Твердость, HRC
Коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа
1
По изобретению
0,5
34
62
3,4
2
0,5
36
60
3,6
3
0,5
40
70
4,2
4
Известный
0,5
32
62
2,5
5
По изобретению
2,2
30
60
3,0
6
2,2
32
64
3,2
7
2,2
36
68
3,4
8
Известный
2,2
28
54
2,2