ЧУГУН
CAST IRON

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным жароизносостойким чугунам, и может быть использовано для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного и ударо-абразивного изнашивания при различной кислотности среды и высоких температур, в частности захватов печного цепного конвейера, подставок отжигательных печей, колосников спекательных тележек и грохотов агломерационных машин и других деталей.
Известен чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, алюминий, азот и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,0-3,6
Кремний
0,8-2,0
Марганец
1,0-6,0
Хром
8,0-18,0
Титан
0,05-0,8
Никель
0,1-0,5
Алюминий
0,02-0,5
Азот
0,05-0,1
Железо
остальное
(см. авт.св. СССР №1735425, C22C 37/10).
7
3
3
Недостатком известного чугуна является низкая жаростойкость в результате того, что достаточно высокая концентрация углерода в чугуне приводит к обеднению металлической основы хромом, а указанное содержание алюминия приводит к повышению концентраций вакансий в окалине вследствие частичного замещения двухвалентных атомов никеля и железа трехвалентными атомами алюминия, что ускоряет диффузию. Кремний, в свою очередь, способствует образованию хрупкого промежуточного слоя окалины, содержащего силикаты, облегчающие его отделение. Все это значительно снижает ростоустойчивость и окалиностойкость чугуна. Кроме того, известный чугун имеет низкую износостойкость, так как наряду с карбидами (Fe, Cr)C в нем образуются карбиды (Fe, Cr)C, имеющие меньшую твердость, а также из-за наличия в нем продуктов распада аустенита.
Наиболее близким аналогом к заявляемому объекту является износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, ниобий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,0-2,6
Кремний
0,1-0,6
Марганец
4,0-5,0
Хром
17,0-21,0
Никель
0,3-2,2
Титан
0,3-0,7
Ниобий
0,2-1,0
Железо
остальное
(см. патент РФ №2319780, C22C 37/10).
Известный чугун хотя и обладает достаточно высокой износостойкостью в условиях интенсивного абразивного и ударо-абразивного изнашивания, однако показатели жаростойкости, а именно окалиностойкость и ростоустойчивость, этого чугуна невысоки. Это объясняется тем, что данное количество активных элементов (Ti, Nb, Ni) не обеспечивает максимальной стабильности структуры при высоких температурах.
Техническая задача, решаемая изобретением, заключается в повышении жаростойкости чугуна при сохранении требуемой износостойкости.
Поставленная задача решается тем, что известный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, ниобий и железо, согласно изобретению дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
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
2
3
Известно использование в чугуне алюминия для образования плотного оксида AlO, препятствующего процессу окисления (см. авт.св. СССР №922171, C22C 37/10).
2
3
2
3
В заявляемом составе чугуна алюминий также предназначен для образования плотных защитных оксидов. Однако, наравне с этим алюминий при взаимодействии с железом и хромом, образует качественно новый сложный оксид шпинельного типа FeO(CrO, AlO), позволяющий количественно повысить прочностные свойства, в результате чего на поверхности сплава образуется более плотный защитный слой, прочно связанный с основным металлом, что предотвращает окисление и способствует увеличению абразивной стойкости и твердости окалины. После образования указанных оксидных слоев коэффициент износостойкости заявляемого чугуна возрастает от 0,5 до 0,8 ед.
3
x
3
x
3
x
3
x
Одновременно с этим заявляемый состав чугуна имеет высокие жаростойкие свойства. Этого происходит за счет образования механической смеси феррита и карбида FeAlC в результате эвтекдоидного превращения в чугуне с заявляемым количеством алюминия. Образующаяся при этом высокоуглеродистая ε-фаза (FeAlC) обладает высокой микротвердостью от 640 до 850 HV. Последняя, при образовании первичной литой структуры заявляемых чугунов, располагается по границам зерен металлической основы в виде сплошной сетки фазы FeAlC, что обеспечивает образование структуры эвтектического строения, состоящей из смеси аустенита, феррита+FeAlC и аустенитохромистокарбидной эвтектики.
Таким образом, заявляемый состав чугуна позволяет эффективно управлять процессами кристаллизации и фазообразования, обеспечивая необходимую стабильную структуру чугуна с высокими жароизносостойкими свойствами для конкретных условий работы деталей.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый чугун явным образом не следует из известного уровня техники и, следовательно, соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
7
3
Углерод (C) в заявляемом количестве вводят в чугун для образования карбидов типа MC, которые способствуют повышению износостойкости чугуна.
Содержание в чугуне углерода (C) менее 2,0 мас.% не обеспечивает прочную связь между оксидным слоем и основным металлом, что приводит к снижению износостойкости, а содержание (C) более 2,6 мас.% приводит к обеднению металлической основы хромом, что значительно снижает жаростойкость чугуна.
Кремний (Si) в заявляемом количестве является технологической добавкой.
Содержание кремния (Si) в количестве менее 0,3 мас.% не обеспечивает достаточной жидкотекучести чугуна, а более 0,8 мас.% - снижает устойчивость аустенитной структуры.
Марганец (Mn), вводимый в чугун в заявляемом количестве, в совокупности с никелем (Ni) обеспечивает формирование стабильной аустенитной структуры металлической основы, что способствует повышению жаростойкости.
Увеличение содержания марганца (Mn) в чугуне более 5,0 мас.%. не обеспечивает повышение сопротивляемости окислению, а также увеличивает себестоимость чугуна. При содержании марганца менее 4,0 мас.% снижается устойчивость аустенита, а следовательно, и жаростойкость чугуна.
7
3
Хром (Cr) в заявляемом количестве способствует образованию комплексных карбидов типа (Fe, Cr)C, повышает сопротивляемость окислению металлической основы чугуна, что приводит к повышению износо- и жаростойкости чугуна.
7
3
3
23
6
При содержании хрома (Cr) менее 17 мас.% в структуре чугуна наряду с карбидами (Fe, Cr)C образуются карбиды (Fe, Cr)C, имеющие меньшую твердость, при этом содержание хрома в металлической основе уменьшается и появляются продукты распада аустенита, что снижает жаро-, износостойкость чугуна. При содержании хрома (Cr) более 19 мас.% в структуре чугуна появляются крупные и хрупкие карбиды типа (Fe, Cr)C, что приводит к снижению жаро-, износостойких свойств чугуна. Кроме того, в чугуне увеличивается общая доля крупных первичных карбидов, что также приводит к снижению указанных свойств.
Титан (Ti) в заявляемом количестве способствует измельчению первичной структуры, ее стабилизации, также устраняет столбчатое строение отливок, модифицирует чугун, а это позволяет получать однородные механические свойства по толщине отливок.
При содержании титана (Ti) менее 0,2 мас.% стабилизирующее влияние будет незначительное, так как невелико количество карбидов TiC, обладающих высокой микротвердостью, что приводит к снижению износостойкости. При содержании титана (Ti) свыше 0,6 мас.% в чугуне образуются пленочные включения оксидов титана больших размеров, которые располагаются по границам аустенитных зерен, снижая износостойкость и жидкотекучесть чугуна.
Заявляемое содержание никеля (Ni) в сочетании с хромом (Cr) и марганцем (Mn) способствует снижению температуры мартенситного превращения, предотвращая образование мартенсита и продуктов диффузионного распада. При этом металлическая основа чугуна представлена аустенитом, а никель образует оксид NiO, имеющей в структуре мало вакансий. Все это способствует повышению жаростойкости чугуна.
При содержании никеля (Ni) менее 0,6 мас.% снижается устойчивость аустенитной структуры, что снижает жаростойкость чугуна. При содержании никеля (Ni) в чугуне более 1,0 мас.% рост сопротивляемости окислению в чугуне не наблюдается, а себестоимость чугуна увеличивается.
Ниобий (Nb) в заявляемом количестве способен растворяться как в цементите, трансформируя его до сложного карбида, так и в твердом растворе первичных фаз, что способствует повышению микротвердости структурных составляющих. При этом происходит резкое уменьшение среднего размера карбидов хрома, а их вид приобретает компактные формы, что обеспечивает хорошее связывание карбидов с металлической основой.
При содержании ниобия (Nb) в чугуне менее 1,3 мас.% износостойкость и твердость его непрерывно снижаются. Это связано с уменьшением объемной доли карбидов ниобия, которые характеризуются высокой температурой образования, устойчивостью к диссоциации и широкой областью гомогенности. При содержании ниобия (Nb) свыше 3,0 мас.% в чугуне происходит вывод избыточного углерода из твердого раствора, что снижает износожаростойкие свойства, и кроме того, из-за высокой стоимости ниобия себестоимость заявляемого чугуна значительно увеличивается.
Введение в чугун алюминия (Al) в заявляемом количестве способствует образованию сверхплотных защитных оксидов со структурой шпинели. При взаимодействии алюминия с компонентами чугуна меняется природа высокоуглеродистых фаз, а также образуется механическая смесь феррита и карбида
3
x
FeAlC, способствующая упорядочению твердого раствора алюминия в железе. Все это приводит к повышению жаростойких свойств чугуна с сохранением требуемых износостойких свойств.
При содержании алюминия (Al) в чугуне менее 1,5 мас.% 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, что приводит к снижению жаростойкости чугуна.
При содержании алюминия (Al) в чугуне более 3,5 мас.% окалиностойкость снижается в связи с переходом металлической матрицы от однофазной-аустенитной - в смесь двух растворов α-фаза+γ-фаза. Это приводит к образованию защитной оксидной пленки с большей неоднородностью по составу и распределению в ней внутренних напряжений, возникающих в процессе роста, что приводит к большой неоднородности защитных свойств и частичному саморазрушению окалины.
Железо является основой заявляемого чугуна.
Для обоснования преимуществ заявляемого чугуна по сравнению с прототипом в лабораторных условиях были проведены испытания шести составов чугунов: состав №1 - с соотношением компонентов, выходящих за заявляемое минимальное значение; составы №2-№4 - с заявляемым соотношением компонентов; состав №5 - с соотношением компонентов, выходящим за максимальное значение; состав №6 - чугун, взятый за прототип. Заявляемый чугун и чугун, взятый за прототип, выплавляли по общепринятой технологии в индукционной тигельной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой.
Хром, марганец, титан, никель, ниобий, алюминий вводили в чугун соответственно в виде феррохрома ФХ 100, ферромарганца ФМн 70, ферротитана ФТи 32, никеля НП 1, феррониобия ФНб 55С, алюминия марки А 95.
2
Жаростойкость оценивали по двум показателям: окалиностойкости и ростоустойчивости. Окалиностойкость (Δm, г/м·ч) оценивали по ГОСТ 6130-71 после выдержки в печи в течение заданного времени (100 ч) при постоянной температуре (800°C) весовым методом по увеличению массы образца (мм).
Ростоустойчивость (L) оценивали по ГОСТ 7769-82. Определение ростоустойчивости проводили на образцах длиной от 100 до 150 мм и диаметром от 20 до 25 мм по изменению длины в процентах за (150) ч при температуре испытаний (800°C).
и
Износостойкость (К) определяли согласно ГОСТ 23208-79. Износостойкость исследуемых образцов оценивали путем сравнения их износа с износом эталонного образца. В качестве эталона использовали сталь 45.
Составы чугунов и результаты испытаний приведены в таблице.
Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что заявляемый чугун по сравнению с прототипом:
- имеет в 3,7-15,7 раза выше окалиностойкость;
- имеет близкую к нулю ростоустойчивость.
Одновременно с этими свойствами заявляемый состав чугуна обеспечивает высокие требуемые показатели износостойкости для конкретных условий использования продукции, изготовленной из чугуна.
Использовать составы чугуна с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы (составы №1, №5), нецелесообразно, так как свойства окалино- и ростоустойчивости резко снижаются, а чугун состава №5 кроме этого будет иметь высокую себестоимость за счет использования дорогостоящих компонентов.