ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН
WEAR RESISTANT CAST IRON

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях интенсивного ударно-абразивного износа под воздействием нагрузок, в частности для изготовления лопаток дробеметных импеллеров и аппаратов и бил дробильного оборудования.
Известен износостойкий чугун, содержащий, мас.%: углерод 2,8-3,5; кремний 0,6-2,0; марганец 0,05-0,5; хром 2,5-4,5; никель 3,5-5,0; молибден 0,2-0,7; фосфор 0,5-1,45; сера 0,5-0,25; висмут до 0,01; железо - остальное (Великобритания VK Patent NO, GB 2072702 A).
Недостатком этого чугуна являются низкие значения прочности, вязкости и твердости в литом состоянии. В связи с этим известный чугун не имеет необходимую стойкость в условиях ударно-абразивного износа. Требуемые свойства его обеспечиваются только после сложной термической термообработки (изотермическая закалка).
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом (см., например, описание к патенту РФ №2234553, С1, 7 С22С 3710, 2004 г.), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: углерод 3,2-4,0; кремний 1,4-2,5; марганец 0,4-1,2; хром 7,0-10,0; никель 2,5-5,5; бор 0,2-0,4; ванадий 0,6-1,0; алюминий 0,05-0,15; церий 0,05-0,20; магний 0,03-0,12; кальций 0,05-0,20; железо - остальное.
Указанный износостойкий чугун с шаровидным графитом, металлическая основа которого содержит большое количество твердой карбидной фазы (25-32%), обладает повышенной твердостью (до 65 HRC) и соответственно износостойкостью в условиях ударно-абразивного износа. Однако из-за низкой вязкости и повышенной хрупкости указанного чугуна износостойкие детали из него чувствительны к разрушению в условиях воздействия высоких нагрузок.
Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с высокой вязкостью для работы в условиях интенсивного ударно-абразивного износа под воздействием нагрузок.
Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении ударно-абразивной стойкости чугуна при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления износостойких отливок с повышенной вязкостью, например бил дробильного оборудования для размельчения угля и твердых горных пород.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащим углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, алюминий, церий, магний, кальций, железо, дополнительно введена медь 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 0,03-0,20; магний 0,02-0,1; кальций 0,05-0,2; железо - остальное.
Введение в состав предложенного чугуна меди позволяет повысить его вязкость и прочность за счет растворения меди в металлической основе.
Введение меди в состав предложенного чугуна в количестве 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.
7
3
Снижение содержания углерода в чугуне позволяет уменьшить количество твердой карбидной фазы типа (Cr, Fe)С.
Введение углерода в количестве менее 2,2% не обеспечивает получение в структуре чугуна структурно-свободного углерода в виде графита шаровидной формы, что резко снижает прочностные характеристики чугуна. Увеличение содержания углерода свыше 3,2% способствует выделению повышенного количества твердой карбидной фазы, что также значительно понизит прочностные характеристики чугуна.
Увеличение содержания марганца в чугуне позволяет повысить его концентрацию в аустените.
3
Введение марганца в количестве менее 0,2% не обеспечит повышения достаточной концентрации марганца в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, обладающему низкими значениями вязкости и прочности. Увеличение содержания марганца свыше 3,0% вызывает выделение карбидов марганца типа МnС, что повышает хрупкость чугуна и ухудшает обработку отливок резанием.
Уменьшение содержания хрома в чугуне позволяет уменьшить количество твердой карбидной фазы.
7
3
Введение содержания хрома менее 3,0% не обеспечивает образования достаточного количества твердых карбидов типа (Cr, Fe)С, в результате чего понижается твердость и соответственно износостойкость чугуна. Увеличение содержания хрома свыше 6,4% способствует образованию повышенного количества твердых карбидов типа
7
3
(Cr, Fe)С, благодаря которым твердость и износостойкость чугуна повышаются, а вязкость и прочность снижаются.
Уменьшение содержания никеля в чугуне позволяет понизить себестоимость изготовления отливок.
Введение никеля 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 снижается вязкость, прочность, твердость и износостойкость чугуна. Увеличение содержания никеля свыше 4,0% способствует повышению доли остаточного аустенита в металлической основе чугуна, что приводит к снижению его твердости и износостойкости.
Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, хром и ванадий вводят в металлозаволку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1450-1500°С 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 силикальция). Магний в составе сфероизирующей присадки, а также церий и бор в виде ферроцерия и ферробора вводят 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 механических свойств, износостойкости в условиях ударно-абразивного износа и удароустойчивость (число ударов N до разрушения) под воздействием нагрузок.
2
Техническими результатами являются, как видно из данных таблицы 2, более высокая ударная вязкость (580-630 кДж/м), прочность (1010-1060 МПа), стрела прогиба (3,8-4,2 мм) и соответственно более высокая удароустойчивость предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом.
Ударную вязкость определяли в соответствии с ГОСТ 9454-78 на цилиндрических образцах (⌀ 30×160 мм). Испытания проводили на маятниковом копре (ГОСТ 10708-82).
Временное сопротивление чугуна при изгибе и стрелу прогиба определяли в соответствии с ГОСТ 27208-87 на цилиндрических образцах (⌀ 25×200 мм).
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 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.
Удароустойчивость (N) проверяли на цилиндрических образцах (⌀ 15×24 мм) на копре при энергии удара 19,6 Дж. Удар производили в центр торцевой части шариком диаметром 19 мм из закаленной стали ШХ15.
Объемное количество карбидной фазы в структуре чугуна подсчитывали планиметрическим методом в трех полях и методом случайных секущих при 500-кратном увеличении на микроскопе МИМ-8.
Применение предлагаемого износостойкого чугуна с шаровидным графитом для удароустойчивых отливок, например лопаток дробеметного и бил дробильного оборудования, позволяет существенно (на 40-50%) увеличить срок службы деталей в эксплуатации при снижении себестоимости их изготовления на 15-20%.
Таблица 1
Чугун
№ плавки
Содержание химических элементов, мас.%
С
Si
Mn
Cr
Ni
V
Cu
В
Се
Mg
Ca
Al
Предлагаемый
11
2,2
0,5
0,2
3,0
2,0
0,2
0,2
0,2
0,03
0,02
0,05
0,1
12
2,7
1,8
1,6
4,7
3,0
0,5
0,5
0,3
0,12
0,06
0,13
0,25
13
3,2
3,0
3,0
6,4
4,0
0,8
0,8
0,4
0,2
0,1
0,2
0,4
Прототип
1
3,6
1,9
0,8
8,5
4,0
0,8
-
0,3
0,12
0,8
0,12
0,1
Таблица 2
№ плавки
Количество карбидной фазы, %
Ударная вязкость, кДж/м<sup>2</sup>
Прочность, МПа
Стрела прогиба, мм
Твердость, HRC
Коэффициент относительной износостойкости в условиях ударно-абразивного износа
Удароустойчивость, N
11
18
630
1060
4,2
55
1,7
1250
12
20
600
1030
4,0
56
2,0
1205
13
24
580
1010
3,8
58
2,2
1160
1
30
450
1000
3,5
63
2,5
625