ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН
WEAR RESISTANT IRON

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях ударно-абразивного износа, в частности для изготовления мелющих шаров рудомольных мельниц.
Известен чугун, содержащий, мас.%: углерод 3,2-3,6; кремний 1,0-1,4; марганец 0,8-1,2; никель 3,0-4,0; медь 0,8-1,2; хром 0,2-0,4; молибден 3,5-4,5; алюминий 0,1-0,2; фосфор 0,05-0,1; титан 0,2-0,4; магний 0,003-0,008; железо - остальное (RU №2006127621, C22C 37/10, 2006 г.).
Недостатком этого чугуна является низкая твердость в литом состоянии. В связи с этим известный чугун в литом состоянии не имеет необходимой стойкости в условиях ударно-абразивного износа.
Известен чугун с шаровидным графитом, выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: углерод 2,7-3,7; кремний 2,5-3,5; марганец 0,8-1,2; магний 0,04-0,08; церий 0,27-0,37; нитриды алюминия 0,05-0,15; бор 0,04-0,06; молибден 5,0-6,0; цирконий 0,3-0,5; железо - остальное (RU №2006108644, C22C 37/10, 2006 г.).
Указанный чугун с шаровидным графитом обладает необходимыми свойствами только после сложной термической термообработки (высокотемпературный отжиг).
Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с высокой твердостью в литом состоянии (без применения термообработки) для работы в условиях ударно-абразивного износа.
Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении ударно-абразивной стойкости чугуна в литом состоянии, предназначенного для изготовления износостойких отливок с повышенной твердостью, например мелющих шаров рудоразмольных мельниц.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащем углерод, кремний, марганец, магний, церий, бор, молибден, железо, дополнительно введены алюминий, ванадий, медь, никель, кальций 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 0,02-0,2; кальций 0,06-0,8; бор 0,2-0,4; молибден 4,0-12,0; железо - остальное.
Введение в состав предложенного чугуна алюминия способствует увеличению количества эффективных зародышей кристаллизующего графита, что способствует повышению качества прочностных характеристик чугуна.
Добавка в состав предложенного чугуна алюминия менее 0,1% не обеспечивает образования достаточного количества эффективных зародышей кристаллизующего графита, в результате чего не повышаются прочностные характеристики чугуна. Увеличение количества алюминия свыше 0,5% способствует образованию плен оксида алюминия, в результате чего снижаются 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 выделения 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, что 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 чугуна. Увеличение содержания меди свыше 0,8% способствует выделению по границам зерен структуры чугуна металлической меди, в результате чего понижаются его вязкость и прочность.
Введение в состав предложенного чугуна никеля позволяет получать его металлическую основу мартенситной, в результате чего повышается твердость чугуна.
Добавка в состав предложенного чугуна никеля менее 2% не обеспечивает достижения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, в результате чего снижается прочность, твердость и износостойкость чугуна. Увеличение содержания никеля свыше 5% способствует повышению доли остаточного аустенита в металлической основе чугуна, что приводит к снижению его твердости и износостойкости.
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 0,8% резко увеличивается количество неметаллических включений, в результате чего понижается прочность чугуна.
Увеличение содержания молибдена в составе предложенного чугуна позволяет существенно повысить количество карбидов молибдена, благодаря которым увеличивается твердбсть чугуна.
2
2
Добавка в состав предложенного чугуна молибдена менее 4% способствует образованию карбидов молибдена типа MoC, которые имеют твердость по сравнению с твердостью карбидов молибдена типа MoC в 1,5 раза меньше. Увеличение содержания молибдена свыше 12% способствует образованию крупных заэвтектических карбидов молибдена МоС, в результате чего снижаются прочностные характеристики чугуна.
Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, молибден, медь и ванадий вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1500-1550°C на зеркало расплава вводят кремний и марганец в виде 75%-ного ферросилиция и 60%-ного ферромарганца. 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, кладут на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.
Износостойкий чугун содержит структурно-свободный углерод в виде включений графита шаровидной формы в количестве 0,5-2,2% и связанный углерод в количестве 0,4-3,7%.
Химический состав, количество карбидов молибдена и включений шаровидного графита, твердость и относительная износостойкость известного (прототип) и предложенного чугунов приведены в таблице.
Техническим результатом является, как видно из данной таблицы, более высокая твердость (56-62 HRC) и соответственно износостойкость предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом в литом состоянии. Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59.
Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потери массы образцов (⌀18×18 мм) после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 минут каждый. 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.
Применение предлагаемого износостойкого чугуна с шаровидным графитом для отливок, например мелющих шаров мельниц, используемых для дробления и размола молибденовых руд, позволяет существенно (50-70%) увеличит их срок службы в условиях ударно-абразивного изнашивания.
Чугун
Содержание химических элементов, мас.%
Количество шаровидного графита, %
Количество карбидов Мо<sub>2</sub>С, %
Твердость HRC
K∗
C
Si
Mn
Mo
Ni
Cu
V
Mg
Ce
AlN∗∗
Al
B
Ca
Zr
Предлагаемый
2,8
1,5
0,2
4,0
2,0
0,2
0,2
0,02
0,02
-
0,1
0,2
0,06
-
0,5
20
58
2,0
3,5
2,5
0,9
8,0
3,5
0,5
0,5
0,06
0,11
-
0,3
0,3
0,43
-
0,5
28
60
2,8
4,2
3,5
1,6
12,0
5,0
0,8
0,8
0,1
0,2
-
0,5
0,4
0,8
0,5
34
62
3,4
Прототип
3,2
3,0
1,0
5,5
-
-
-
0,06
0,32
0,1
-
0,5
-
0,4
0,5
16
50
1,6
Предлагаемый
2,8
1,5
0,2
4,0
2,0
0,2
0,2
0,02
0,02
-
0,1
0,2
0,06
-
2,2
12
54
1,8
3,5
2,5
0,9
8,0
3,5
0,5
0,5
0,06
0,11
-
0,3
0,3
0,43
-
2,2
18
58
2,2
4,2
3,5
1,6
12,0
5,0
0,8
0,8
0,1
0,2
-
0,5
0,4
0,8
-
2,2
26
60
2,8
Прототип
3,2
3,0
1,0
5,5
-
-
-
0,06
0,32
0,1
-
0,5
-
0,4
2,2
10
46
0,8
∗ - коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа.∗∗ - нитрид алюминия.