ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН
WEAR-RESISTANT CAST IRON

Изобретение относится к области литейного производства и, в частности, к износостойким чугунам для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся ударно-абразивному износу, например деталей смесеприготовительной системы изготовления асфальта, бетона и т.п.
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
2,2-3,2
кремний
0,5-3,0
марганец
0,2-3,0
хром
3,0-6,4
никель
2,0-4,0
бор
0,2-0,4
ванадий
0,2-0,8
медь
0,2-0,8
алюминий
0,1-0,4
церий
0,03-0,2
магний
0,02-0,1
кальций
0,05-0,2
железо
остальное
(RU 2384641, С22С 37/04, опубликовано 20.03.2010)
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, молибден, кальций, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
2,8-4,2
кремний
1,5-3,5
марганец
0,2-1,6
никель
2,0-5,0
бор
0,2-0,4
ванадий
0,2-0,8
медь
0,2-0,8
алюминий
0,1-0,5
церий
0,02-0,2
магний
0,02-0,1
молибден
4,0-12,0
кальций
0,06-0,8
железо
остальное
(RU 2416660, С22С37/04, опубликовано 20.04.2011)
Недостатками известных износостойких чугунов, содержащих прочные карбиды молибдена и мартенсит, является недостаточная ударно-абразивная стойкость литых изделий, выполненных из указанных чугунов.
Задачей и техническим результатом изобретения является износостойкий чугун с шаровидным графитом, обладающий повышенной твердостью и ударно-абразивной стойкостью в литом состоянии.
Технический результат достигается тем, что износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, молибден, кальций, хром, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод более
3,2-4,6
кремний
1,5-3,5
марганец
0,2-0,8
никель
3,0-5,0
бор
0,06-0,40
ванадий
0,2-0,8
медь
0,2-0,8
алюминий
0,1-0,7
церий
0,02-0,20
магний
0,02-0,08
молибден
4,0-6,0
кальций
0,06-0,8
хром
4,0-6,0
сера
0,01-0,03
фосфор
0,02-0,08
железо
остальное,
причем 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%.
2
7
3
3
Наличие в составе чугуна по изобретению одновременно молибдена и хрома в заявленных концентрациях дает преимущественное образование твердых и прочных карбидов молибдена типа МоС и очень твердых карбидов хрома типа СrС, повышающих твердость и ударно-абразивную стойкость чугуна в литом состоянии. При этом в значительной мере подавляется образование менее твердых и хрупких карбидов типа МоС и СrС, а также обеспечиваются условия для выделения в металлической основе чугуна структурно-свободного углерода в виде графита пластинчатой формы. Наличие в чугуне сфероидизирующих модификаторов - магния, церия и кальция - обеспечивает получение графита правильной шаровидной формы, благодаря которому существенно повышаются прочностные характеристики чугуна.
Наличие в металлической основе предложенного чугуна 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 трооститной структуры чугуна, у которой износостойкость меньше, чем у аустенитной структуры.
Наличие в металлической основе предложенного чугуна связанного углерода в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры чугуна, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивного изнашивания. Увеличение концентрации связанного углерода более 3,7% способствует образованию большого количества твердых карбидов хрома и молибдена, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, ударно-абразивной стойкости чугуна.
Наличие серы и фосфора в заявленных концентрациях способствует образованию их соединений с бором, имеющих достаточно широкий температурный интервал кристаллизации, что снижает долю бора, приходящуюся на железохромистые боридные эвтектики, снижающих прочность и износостойкость чугуна. При этом в значительной степени нивелируются негативное влияние этих компонентов на физико-механические характеристики литого чугуна.
Получение износостойкого чугуна по изобретения иллюстрирует следующий пример. Плавку чугуна проводили в дуговой электропечи с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, молибден, хром, вводили в металлозавалку. Фосфор и сера присутствовали в исходном металле. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1480-1520°С на зеркало расплава вводили марганец, ванадий, бор и кремний. Затем присаживали алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе сфероидизирующей присадки, а также церий в виде ферроцерия помещают на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи. Содержание серы и фосфора поддерживали с использованием известных приемов - составом шлака или вакуумированием.
В таблице 1 приведен химический состав известного чугуна и чугуна по изобретению. В таблице 2 приведены количество включений графита и карбидов, значение твердости и износостойкости в условиях ударно-абразивного износа.
Техническим результатом, как видно из данных таблицы 2, являются более высокая твердость (64-70 HRC) и относительная износостойкость (2,5-3,8) чугуна по изобретению в литом состоянии в сравнении с известным чугуном.
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. 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 чугуна подсчитывали планиметрическим методом в трех полях и методом случайных секущих при 500-кратном увеличении на микроскопе МИМ-8.
Применение износостойкого чугуна с шаровидным графитом по изобретению для изготовления отливок пульпопроводов, используемых для транспортировки различной абразивной пульпы, позволяет существенно (на 2-30%) увеличить их срок эксплуатации.
Таблица 1
Номер образца №
Чугун
Содержание химических элементов, масс.%
С
Cr
Si
Mn
Ni
В
V
Сu
Аl
Се
Mg
Mo
Са
S
Р
1
Предлагаемый
3,0
4,0
1,5
0,2
3,0
0,06
0,2
0,2
0,1
0,02
0,02
4,0
0,06
0,01
0,02
2
3,8
5,0
2,5
0,5
4,0
0,23
0,5
0,5
0,4
0,11
0,05
5,0
0,43
0,02
0,05
3
4,6
6,0
3,5
0,8
5,0
0,40
0,8
0,8
0,7
0,20
0,08
6,0
0,80
0,03
0,08
4
Прототип
3,4
-
2,5
0,6
4,0
0,3
0,5
0,5
0,25
0,11
0,06
-
0,12
-
-
5
Предлагаемый
3,0
4,0
1,5
0,2
3,0
0,06
0,2
0,2
0,1
0,02
0,02
4,0
0,06
0,01
0,02
6
3,8
5,0
2,5
0,5
4,0
0,23
0,5
0,5
0,4
0,11
0,05
5,0
0,43
0,02
0,05
7
4,6
6,0
3,5
0,8
5,0
0,40
0,8
0,8
0,7
0,20
0,08
6,0
0,80
0,03
0,08
8
Прототип
3,4
-
2,5
0,6
4,0
0,3
0,5
0,5
0,25
0,11
0,06
-
0,12
-
-
Таблица 2
Номер образца, №
Чугун
Количество включений графита, %
Количество карбидов * (Сr<sub>7</sub>С<sub>3</sub>+Мо<sub>2</sub>С), %
Твердость HRC
Коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа
1
0,5
36
65
2.8
2
Предлагаемый
0,5
38
67
3,6
3
0,5
40
70
4.0
4
Прототип
0,5
33
63
2.6
5
2,2
34
63
2,8
6
Предлагаемый
2,2
36
65
3.4
7
2,2
38
68
4.2
8
Прототип
2,2
40
62
2,4
* - количество карбидов предлагаемого чугуна состоит из суммы карбидов хрома Сr<sub>7</sub>С<sub>3</sub> и карбидов молибдена Мо<sub>2</sub>С.