Белый жароизносостойкий чугун
WHITE CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к литейным жароизносостойким чугунам, и может быть использовано в сельхозтехнике, строительно-отделочных машинах, в деталях размольного, дробеметного и горно-шахтного оборудования, а также в коксохимическом производстве.
Известен чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, ниобий и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Углерод
2,0-2,6
Кремний
0,1-0,6
Марганец
4,0-5,0
Хром
17,0-21,0
Титан
0,3-0,7
Никель
0,3-2,2
Ниобий
0,2-1,0
Железо
остальное
(см. патент РФ № 2319780, С22С 37/06).
Недостатками известного чугуна являются невысокие износостойкость, окалиностойкость и ростоустойчивость за счет того, что в указанном химическом составе отсутствует алюминий. Алюминий способствует образованию тонких защитных пленок шпинельного типа (плотное вещество с хорошей адгезией к металлу) с минимальной концентрацией дефектов, диффузия сквозь такую оксидную пленку крайне затруднительна. Из-за отсутствия защитной пленки протекают процессы внутреннего и наружного окисления чугуна, необратимого увеличения объема отливки (роста). В результате роста может происходить коробление, растрескивание деталей. Возникающие растягивающие напряжения ускоряют процесс высокотемпературного окисления.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, ниобий, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов, масс. %:
Углерод
2,0-2,6
Кремний
0,3-0,8
Марганец
4,0-5,0
Хром
17,0-19,0
Титан
0,2-0,6
Никель
0,6-1,0
Ниобий
1,3-3,0
Алюминий
1,5-3,5
Железо
остальное
(см. патент РФ № 2374351, С22С 37/08).
Известный чугун при достаточно высокой износостойкости в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного изнашивания имеет низкие показатели жаростойкости, а именно окалиностойкость и ростоустойчивость. Это объясняется тем, что количество марганца и алюминия в указанных пределах не обеспечивают максимальной стабильности структуры при высоких температурах.
Техническая проблема, решаемая изобретением, заключается в повышении жаростойкости и износостойкости комплексно-легированного белого чугуна.
согласно изобретению
Поставленная проблема решается тем, что известный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, никель, ниобий, алюминий и железо, , дополнительно содержит бор при следующем соотношении компонентов, масс.%:
Углерод
2,0-2,3
Кремний
0,4-0,7
Марганец
4,0-4,5
Хром
18,0-19,0
Титан
0,2-0,6
Никель
1,0-1,2
Ниобий
1,5-2,0
Алюминий
1,5-2,0
Бор
0,01-0,03
Железо
остальное.
7
3
Содержание углерода в указанных пределах обеспечивает образование карбидов типа МC, которые способствуют повышению износостойкости чугуна. При введении в чугун углерода в количестве менее 2,0% уменьшается объемная доля карбидов, что снижает износостойкость, а при содержании его более 2,3% металлическая основа обедняется хромом, что отрицательно сказывается на ростоустойчивости и окалиностойкости чугуна.
Никель в указанном количестве в сочетании с марганцем способствует получению стабильной однофазной аустенитной структуры металлической основы, повышает жаростойкость чугуна. Значительное повышение окалиностойкости и ростоустойчивости может быть достигнуто при комплексном легировании хромом и никелем.
7
3
7
3
3
Хром в указанном количестве необходим для образования комплексных карбидов типа МC, он повышает сопротивляемость окислению металлической основы чугуна, что обеспечивает высокую абразивную износостойкость и жаростойкость отливок. При содержании хрома менее 18%, в структуре чугуна образуются наряду с карбидами МC карбиды типа МC, уменьшается содержание хрома в металлической основе, появляются продукты распада аустенита, что снижает жаро-, износостойкость чугуна. При содержании хрома более 19% в структуре чугуна появляются крупные первичные карбиды, что приводит к снижению жаро-, износостойких свойств (Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Анализ взаимосвязи химического состава, условий охлаждения при затвердевании с особенностями строения сплавов, окисленной поверхности и свойствами комплексно-легированных белых чугунов // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2011. № 4 (36). С. 50–53).
Кремний в заявляемом количестве является технологической добавкой. Содержание кремния в количестве менее 0,4 % не обеспечивает достаточной жидкотекучести чугуна. Превышение его концентрации в сплаве более 0,7 % - вредно, т.к. увеличивается загрязненность отливок, в структуре обнаруживаются неметаллические включения, которые выделяются в межосных пространствах дендритов аустенита снижает устойчивость аустенитной структуры (В.А. Тейх, Ри Хосен, А.Н. Литвиненко, Г.С. Дзюба. Раскисление и рафинирование высокохромистого износостойкого чугуна. Литейное производство, 1984, №8, с. 10).
Марганец в указанных пределах обеспечивает получение стабильной аустенитной структуры металлической основы. При содержании марганца менее 4,0% снижается устойчивость аустенита (Ульянин Е.А. Коррозионностойкие стали и сплавы: справочник. – М.: Металлургия, 1980. – 208 с.). Увеличение содержания марганца более 4,5% приводит к обеднению металлической основы чугунов углеродом и хромом, что снижает жаро- и абразивостойкость (Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Влияние Al на фазовый состав, структуру и свойства жароизносостойкого чугуна системы Cr–Mn–Ni–Ti. Черные металлы. 2018. № 7. С. 6-11.).
Титан переохлаждает расплавленный чугун, способствуя повышению износостойкости чугуна за счет выделения устойчивых карбидов титана, размеры которых меньше размеров карбидов хрома, и они находятся, в основном, в виде изолированных включений (Улиг Г.Г., Реви Р.У. Коррозия и борьба с ней. Введение в коррозионную науку и технику. – М.: Химия, 1988. – 455 с.). Карбиды титана располагаются в аустенитной матрице и на границах фаз матрица-карбид. Титан устраняет столбчатое строение отливок, способствует измельчению дендритов аустенита и эвтектических колоний, модифицирует чугун, что позволяет получать однородные механические свойства по толщине отливок, стабилизирует структуру. При содержании титана менее 0,2% стабилизирующее влияние будет незначительное, так как невелико количество карбидов TiC. При содержании титана свыше 0,6% в чугуне образуются пленочные включения оксидов титана больших размеров, которые располагаются по границам аустенитных зерен, что снижает износостойкость и жидкотекучесть чугуна.
При содержании алюминия в чугуне до 1,5% происходит повышение концентраций вакансий в окалине вследствие частичного замещения двухвалентных атомов железа и никеля трехвалентными атомами алюминия. Повышение числа вакансий влечет за собой ускорение диффузии кислорода к поверхности металла. Это приводит к снижению жаростойкости чугуна.
2
3
2
3
2
3
Существенное повышение окалиностойкости следует ожидать при введении алюминия в сплав в количестве 1,5-2,0%. Это связано с образованием шпинели FeO(CrO, AlO) и собственного стабильного оксида AlO (Бобро Ю.Г. Алюминиевые чугуны. – Харьков: ХГУ, 1964. – 195 с). При содержании алюминия 1,5 и 2% в структуре металлической основы преобладает однофазный γ-твердый раствор (аустенит), а при содержании алюминия выше заявляемого значения  металлическая основа становится двухфазной, она состоит на 77–92% из феррита и 23-8% аустенита. Происходит образование в формирующихся оксидных пленках большого числа дефектов различной природы, что приводит к их растрескиванию, снижению их защитных функций в процессе эксплуатации и полному разрушению поверхности изделия.
При легировании ниобием в белых чугунах образуются комплексные карбиды (Nb, Ti)C. Эти карбиды, имеющие малую скорость коагуляции и обладающие термической стойкостью, способны сохранять механические свойства сплавов при высоких температурах в течение продолжительного времени, что приводит к повышению жаростойкости и износостойкости. Ниобий, как сильный карбидообразующий элемент, связывает углерод в стойкие карбиды, тем самым предотвращает образование карбидов хрома. Содержание хрома в металлической основе увеличивается с ростом количества ниобия, вводимого в чугун, что повышает окалиностойкость сплава (Колокольцев В.М., Петроченко Е.В., Молочкова О.С. Влияния легирования ниобием на структурно-фазовый состав, механические и специальные свойства чугунов системы Cr-Mn-Ni-Ti. Черные металлы. 2019. № 2. С. 18-24). При содержании ниобия в чугуне менее 1,5 % износостойкость и твердость низкие, это связано с уменьшением объемной доли карбидов МС. При содержании ниобия свыше 2,0 %, в чугуне происходит вывод избыточного углерода из твердого раствора, что снижает износостойкость чугуна.
Бор,как поверхностно активный элемент, оказывает сильное влияние на процессы кристаллизации, улучшает состояние границ зерен, измельчает зерно и дополнительно раскисляет металл. Также бор снижает размеры эвтектических колоний и устраняет транскристаллизацию в белых чугунах. Бор является модификатором 2 рода и способствует повышению всего комплекса эксплуатационных свойств. При содержании бора в заявляемом чугуне менее 0,01% его модифицирующее влияние не велико. При содержании бора в количестве более 0,03% это приводит к укрупнению и росту карбидов и уменьшению фактора формы, т.е. к огрублению структуры. Таким образом, происходит снижение модифицирующего эффекта, называемого перемодифицированием или «старением» модифицирующего эффекта.
Железо является основой заявляемого чугуна.
На фиг. 1 изображены микроструктуры чугуна до (а) и после (б) модифицирования бором (х 1000).
На фиг. 2 изображены микроструктуры исследованных чугунов в зависимости от количества бора (0%, 0,005% и 0,03%) и типа литейной формы: сух, сыр – сухая и сырая ПГФ, кок – чугунный кокиль.
7
3
Структура чугуна до модифицирования состоит из избыточных комплексных карбидов ниобия с титаном (Nb, Ti)C, дендритов твердого раствора (α+γ - фазы), эвтектики и вторичных карбидов МC. Структура модифицированных чугунов – первичные комплексные карбида титана и ниобия, дендриты аустенита, эвтектика и вторичные карбиды NbC. Исследования морфологии эвтектики и эвтектических карбидов показали, что увеличение добавок бора способствует уменьшению размеров эвтектических карбидов и эвтектических колоний и росту их количества во всех типах форм (фиг. 2).
Пример.
Для обоснования преимуществ заявляемого чугуна по сравнению с прототипом в лабораторных условиях были проведены испытания семи составов чугунов: состав №1 с соотношением компонентов, выходящих за заявляемое минимальное значение; составы №2-5 с заявляемым соотношением компонентов; состав №6 с соотношением компонентов, выходящих за максимальное значение; состав №7– чугун, взятый за прототип. Результаты испытаний образцов приведены в таблице 1.
Сплавы выплавляли в индукционной печи ИСТ-006 с основной футеровкой и заливали в различные типы форм: сухие и сырые песчано-глинистые формы (ПГФ) и кокиль. В сухой ПГФ скорость охлаждения в интервале кристаллизации составляла 3–10 град/мин, в сырой ПГФ – 8–12 град/мин, в чугунном кокиле – до 30 град/мин. Титан, хром, ниобий, марганец, никель, бор вводили в чугун в виде ферротитана ФТи 32, феррохрома ФХ 650, феррониобия ФБн 37, ферромарганца ФМн 98, никеля НП 1, ферробора ФБр 20, алюминий в виде проволоки.
Таблица 1
Состав
Содержание компонентов, мас. %
Окалиностойкость, Δm(г/m<sup>2 </sup>⋅ч)
Ростоустойчивость,L, %
Относительнаяизносостойкость, К<sub>и, </sub>ед.<sub></sub>
С
Si
Mn
Cr
Ni
Al
Nb
Ti
B
Fe
Заявляемый
1
1,8
0,3
3,9
17,0
0,7
1,2
1,3
0,2
0,005
73,595
0,056
0,08
5,49
2
2,3
0,6
4,0
18,6
1,03
2,0
1,85
0,5
0,019
69,101
0,028
0
6,45
3
2,3
0,5
4,1
18,8
1,05
1,98
1,94
0,6
0,021
68,709
0,018
0
6,5
4
2,3
0,58
4,0
18,5
1,02
2,00
2,00
0,6
0,018
68,982
0,019
0
6,86
5
2,2
0,54
4,0
18,1
1,1
2,00
1,95
0,55
0,019
69,541
0,017
0
6,33
6
2,4
0,5
5,3
18,9
1,0
2,7
2,4
0,6
0,037
66,163
0,022
0,1
5,64
Прототип
7
2,2
0,7
4,5
19,0
0,9
2,5
3,0
0,5
-
66,7
0,045
0,1
5,94
Химический состав образцов определяли на эмиссионном спектрометре фирмы «Бэрд» и на спектрометре OBLF QSG 750.
Структуру и фазовый состав чугунов исследовали с помощью металлографического (световой микроскоп MEIJI 2700) и рентгенографического методов. Рентгеновскую съемку проводили на дифрактометре ДРОН-УМ1 (в кобальтовом Кα излучении). Количественный металлографический анализ проводили с помощью анализатора изображений Thixomet PRО.
Химический состав фазовых составляющих в сплавах определяли на растровых электронных микроскопах "ТESCAN VEGA II XMU" с микрорентгеноспектральными анализаторами.
и
Износостойкость (К) определяли согласно ГОСТ 23.208-79. Износостойкость исследуемых образцов оценивали путем сравнения их износа с износом эталонного образца. В качестве эталона использовали сталь 45.
Жаростойкость оценивали по двум показателям: окалиностойкость (ГОСТ 6130-71) и ростоустойчивость (ГОСТ 7769-82).
Использовать составы чугунов с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы (состав №1, 6 и 7) нецелесообразно, так как в этих случаях у чугунов наблюдается снижение эксплуатационных свойств.
Экспериментальным путем установлено, что бор одновременно воздействует на количество, размеры и форму структурных составляющих белых чугунов (фиг. 1), их фазовый и химический состав, а именно:
– изменился фазовый состав металлической основы с двухфазной (α - и γ - фазы) (фиг.1а) на полностью однофазную (γ - фазу) (фиг.1б), благодаря чему повысились  окалиностойкость и ростоустойчивость;
– изменился характер первичной (первичные комплексные карбида титана (Ti, Nb, Cr, Fe)C) и вторичной кристаллизации (вторичные карбиды NbC), это приводит к росту жаростойкости;
– существенно изменился химический состав первичных и эвтектических карбидов: значительно снижается содержание ниобия с 44 до 2 %, а содержание титана в первичных карбидах (Ti, Nb, Cr, Fe)C растет с 24 до 65 %. В результате аустенит оказывается пересыщенным ниобием и вторичное твердение в форме происходит за счет выделения дисперсных карбидов NbC, повышается стабильность структуры при рабочих температурах;
– при первичной кристаллизации жидкость обогащается бором, поверхностно активные атомы которого адсорбируются на поверхностях кристаллов с образованием адсорбционных плёнок, препятствующих диффузии атомов к поверхности кристаллов и тормозящих их рост. Сплав переохлаждается с последующим образованием мелкодисперсной структуры при кристаллизации. Меняется форма первичных карбидов от разветвленной к компактной, фактор формы F карбидов без добавок бора 0,49-0,55 в разных типах форм. При повышении содержания бора и скорости охлаждения при кристаллизации фактор формы F увеличивается и при добавке бора с 0,01 - 0,03% равен 0,60-0,67, это приводит к повышению износостойкости.
Таким образом, полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что заявляемый чугун по сравнению с прототипом имеет в среднем:
- на 9,3-29% выше износостойкость;
- в 2-5 раз выше окалиностойкость;
- ростоустойчивость равна нулю.