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 абразивному и ударно-абразивному износу, например деталей рудо- и углеразмольного оборудования, пульпопроводов и т.п.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий, мас.%; углерод 2,1-3,5; кремний 2,5-3,5; марганец 4,9-5,7; медь 0,6-2,5; магний 0,01-0,03; железо остальное [1].
Недостатком этого чугуна являются низкие значения твердости и износостойкости в литом и термообработанном состояниях.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом (см., например, описание к а.с. СССР №761594, опубл. в БИ, 1980, №33), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: 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; сера до 0,03; фосфор до 0,08; магний 0,03-0,08; железо остальное.
Указанный износостойкий чугун с шаровидным графитом, литая металлическая основа которого содержит твердые карбиды, аустенит или продукты его распада и включения шаровидного графита, обладает низкой твердостью (до 51 HRC) и соответственно износостойкостью в условиях абразивного и ударно-абразивного износа. Для повышения значений этих характеристик детали из этого чугуна подвергают высокотемпературной обработке (нормализации).
Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с высокой твердостью в литом состоянии (без применения термической термообработки) для работы в условиях абразивного и ударно-абразивного износа.
Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении абразивной и ударно-абразивной стойкости чугуна в литом состоянии при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления износостойких отливок с повышенной твердостью в литом состоянии, например, бронефутеровки, бандажи и сегменты углеразмольных мельниц.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащем: углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, серу, фосфор, железо, дополнительно введены никель, бор, ванадий, медь, церий, кальций, 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.
Введение в состав предложенного чугуна никеля позволяет получать его литую металлическую основу мартенситной, что повышает прочностные свойства и твердость сплава.
Добавка никеля в состав предложенного чугуна в количестве менее 2,0% не обеспечивает достижения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, в результате чего снижаются прочность, твердость и износостойкость чугуна. Увеличение содержания никеля свыше 5,0% способствует повышению доли остаточного аустенита в металлической основе чугуна, что приводит к снижению его твердости и износостойкости.
Введение в состав предложенного чугуна бора позволяет увеличить долю карбидной эвтектики тонкого строения.
Добавка бора в состав предложенного чугуна менее 0,2% не обеспечивает выделения в достаточном количестве карбидной фазы в виде эвтектики тонкого строения, что снижает твердость чугуна. Увеличение содержания бора свыше 0,4% вызывает выделение крупных заэвтектических карбидов, что снижает прочностные характеристики чугуна.
Введение в состав предложенного чугуна ванадия способствует обеднению аустенита углеродом за счет образования карбидов ванадия, благодаря чему повышается температура начала мартенситного превращения, и часть остаточного аустенита превращается в мартенсит, при этом доля остаточного аустенита снижается и соответственно повышается прочность, твердость и износостойкость чугуна.
Добавка в состав предложенного чугуна ванадия менее 0,2% не обеспечивает выделение достаточного количества карбидов ванадия, не изменяет долю остаточного аустенита, в результате чего не повышается твердость чугуна. Увеличение количества ванадия свыше 0,8% препятствует образованию структурно-свободного углерода в виде шаровидного графита и повышает склонность чугуна к образованию трещин.
Введение в состав предложенного чугуна меди позволяет повысить его вязкость и прочность за счет растворения меди в металлической основе.
Добавка меди в состав предложенного чугуна менее 0,2% не обеспечивает достаточной концентрации меди в металлической основе для существенного повышения значений вязкости и прочности износостойкого чугуна. Увеличение содержания меди свыше 0,8% способствует выделению по границам зерен структуры чугуна металлической меди, в результате чего понижаются его вязкость и прочность.
Добавка церия в состав предложенного чугуна менее 0,02% не обеспечивает получения шаровидного графита правильной формы, в результате чего снижается прочность чугуна. Увеличение количества церия свыше 0,2% способствует образованию и выделению по границам зерен структуры чугуна твердых карбидов церия, в результате чего повышаются твердость чугуна и склонность его к образованию трещин.
Введение в состав предложенного чугуна кальция способствует десульфурации чугуна и препятствует образованию соединения окиси магния, при образовании которого снижается количество магния, необходимого для модифицирования чугуна.
Добавка в состав предложенного чугуна кальция менее 0,04% повышает количество магния, необходимого для модифицирования. При содержании кальция свыше 0,2% резко увеличивается количество неметаллических включений, в результате чего понижается прочность чугуна.
Плавку износостойкого чугуна с шаровидным графитом предложенного состава проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, марганец вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1460-1520°C на зеркало расплава вводят 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 и предложенного чугунов. В таблице 2 приведены значения их твердости и износостойкости в различных условиях изнашивания.
Техническим результатом является, как видно из данных таблицы 2, более высокая твердость (59-63 HRC) и износостойкость в условиях абразивного (6,5-7,8) и ударно-абразивного (2,0-2,8) изнашивания предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом в литом состоянии. Себестоимость отливок из предложенного чугуна снижается за счет отказа применения высокотемпературной обработки. 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.
Испытания при абразивном изнашивании осуществляли по методу Хрущова М.М. на абразивной шкурке марки 14А5НП603 ГОСТ 6456-82, предварительно зафиксированной на поверхности цилиндрического барабана, закрепленного в патроне токарного станка.
Износостойкость в условиях абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (⌀3×15 мм).
2
Эталонный (Ст.20) и испытуемый образцы устанавливали в специальной державке таким образом, чтобы в процессе испытаний они контактировали каждый со свежей поверхностью абразивной шкурки. Номинальная нагрузка на испытуемые образцы при трении составляла 10 кг/см. Скорость трения образцов составляла 25 м/мин, а длина пути их по поверхности абразивной шкурки - 85 м.
Таблица 1
Чугун
№ плав ки
Содержание химических элементов, мас.%
C
Si
Mn
Ni
B
V
Cu
Al
Ce
Mg
Ca
S
P
Предлагаемый
11
3,0
1,5
4,0
2,0
0,2
0,2
0,2
0,1
0,02
0,02
0,04
0,01
0,02
12
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
13
4,6
3,5
10,0
5,0
0,4
0,8
0,8
0,4
0,20
0,08
0,20
0,03
0,08
Прото тип
1
2,7
3,0
5,75
-
-
-
-
1,25
-
0,05-
-
0,02
0,04
Таблица 2
№ плавки
Твердость, HRC
Коэффициент относительной износостойкости
при абразивном изнашивании
при ударно-абразивном изнашивании
литое
термообработанное
литое
термообработанное
литое
термообработанное
11
60
-
6,5
-
2,0
-
12
61
-
7,0
-
2,4
-
13
63
-
7,8
-
2,8
-
1
51
60
5,8
4,16
1,0
1,75
Источники информации
1. Масорников А.В., Фомичев И.А., Масорников В.В. Влияние химического состава на абразивную износостойкость марганцевых чугунов. - Литейное производство, 1976, №3, с.16-17.