Способ получения износостойких высокопрочных отливок из чугуна
METHOD FOR PRODUCING WEAR-RESISTANT HIGH-STRENGTH CASTINGS FROM IRON

Изобретение относится к металлургии, в частности к литым изделиям из чугуна, таким как износостойкие рабочие узлы оборудования, предназначенного для дробления различного рода железорудных материалов.
Детали для такого оборудования должны обладать высокой износостойкостью и повышенными механическими свойствами. Износостойкость определяется структурой и твердостью чугуна из которого отлиты такие детали.
Известно, что отливки из белых чугунов с мартенситовой основой обладают хорошей твердостью, позволяющей избежать абразивного изнашивания при малых углах атаки и отсутствии значительных ударных нагрузок. В структуре чугуна такого типа количество остаточного аустенита минимально. Однако мартенситовая структура чугуна имеет некоторые недостатки, одним из них является плохая механическая обрабатываемость отливок. По причине повышенной твердости и крупных зерен карбида в составе в металлической матрице в процессе механической обработки могут появляться сколы, сломы и трещины.
Заявленное изобретение позволяет производить отливки из белых высокохромистых чугунов с мартенситовой основой, обладающие как повышенной твердостью, так и высокой абразивной износостойкостью и хорошей механической обрабатываемостью.
Из уровня техники (https://stud.wiki/manufacture/2c0b65625a2ad69a4c 43a89421206c27_0.html; Научно-исследовательская работа «Белые чугуны, легированные хромом», 30.01.2014; Министерство науки и образования Украины; Национальная металлургическая академия Украины) известно, что высокохромистые чугуны, с содержанием Cr 28-34%,такие как чугуны ЧХ28 и ЧХ32 характеризуются теплоустойчивостью и сохраняют свои механические свойства до температуры 600 оС, однако не высокая твердость HB 200-350 и ферритная основа делает их непригодными для изготовления износостойких отливок, используемых в качестве деталей для рабочих узлов оборудования, предназначенного для дробления различного рода железо-рудных материалов.
Также недостатком высокохромистых чугунов марок Х-28 и Х-34 является то, что при застывании и дальнейшем охлаждении они дают большую усадку и склонны к крупнокристаллическому столбчатому излому, что вызывает появление рыхлот и трещин. Для исключения этих недостатков приходиться использовать модификаторы смеси, состоящие из 50% ферросилиция и 50% ферротитана, вводимой в количестве 0,7% от веса жидкого расплава.
Из уровня техники для получения отливок известен износостойкий чугун, содержащий элементы при следующем соотношении, масс.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 4,0-6,0; 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; хром 0,2-0,8; молибден 4,0-6,0; кальций 0,06-0,80; 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% [Патент RU № 2448183, МПК C22C37/04, C22C37/10, 2012].
Недостатком вышеуказанного чугуна является использование никеля в химическом составе чугуна и использование редкоземельный материал ферроцерий в качестве присадки, что повышает себестоимость чугуна. Содержание серы 0,01-0,03% и фосфора 0,02-0,08% подразумевает применение шихтовых материалов с повышенными требованиями по вредным элементам.
Также использование в составе Ni в количестве до 6% не позволяет получать необходимые структуры в отливках с большими сечениями, ввиду медленного охлаждения их в форме.
Из Патента RU № 2345160 [МПК C22C37/06, опубликован 21.01.2009] известно использование белого износостойкого чугуна для изготовления износостойких рабочих узлов горно-обогатительного оборудования, наиболее подвергающихся разрушающему воздействию абразивной транспортируемой гидросмеси. Белый износостойкий чугун, содержит, мас.%: углерод 2,4-2,6; кремний 0,5-0,6; марганец 0,8-1,8; хром 25-26; никель не более 0,5; вольфрам 0,1-0,15; молибден 0,3-0,5; титан 0,5-0,7; ванадий 0,1-0,15; медь 1,8-2,0; железо - остальное. Техническим результатом, получаемым при осуществлении изобретения, является повышение вязкости и пластических характеристик сплава.
Недостатком такого решения является является применение меди в составе чугуна. При том, что использование меди в составе чугуна в части повышения износостойкости нецелесообразно, так как содержание меди в таком количестве не оказывает влияния на износостойкость.
Из уровня техники известен способ получения отливок из легированных износостойких чугунов, обладающих повышенной абразивной и ударо-абразивной стойкостью (авторское свидетельство SU 1323227, МПК B22D 27/04, опубликовано 15.07.1987). Повышение абразивной и ударо-абразивной стойкости в этом способе достигают за счет того, что используют высокохромистый чугун с содержанием углерода 4,5-5,5%, а охлаждение отливок ведут со скоростью 1000-1400 °С/c.
Недостатком такого способа является то, что повышение содержание углерода до 5,5% в высокохромистых чугуна приводит к понижению твердости чугуга, при этом чрезмерная скорость охлаждения отливок связана со значительными энергозатратами.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу аналогом является способ получения отливок из высокохромистых чугунов, известный из авторского свидетельства SU 1039644(МПК B22D 27/04, опубликовано 07.09.1983 г). Способ включает заливку в литейную форму легированного чугуна, с последующим охлаждением до полного затвердевания. С целью повышения ударно-абразивной стойкости и механических свойств деталей, охлаждение залитого чугуна осуществляют со скоростью 150-1000 °С/c. Разогрев расплава для получения высокохромистого чугуна для отливок осуществляют до температуры 1550-1700 оС, а заливку в литейную форму осуществляют при температуре 1600 °С, после этого охлаждают расплав в форме до завтердевания со скоростью 500-700 °С/c.
Недостатком способа, проиллюстрированного в ближайшем аналоге, является большая энергозатратность, связанная с поддержанием высоких до 1700 °С температур, что может привести к быстрому износу оборудования, и необходимости контроля скорости снижения температуры на стадии охлаждения расплава, что также приводит к большим энергозатратам. При этом образцы отливок обладают твердостью 670 HB и выше, а такие значения твердости приводят к понижению износостойкости, в связи с понижением прочности, приводящие к сколам и сломам, и трещиностойкости при механической обработке.
Техническим результатом заявленного изобретения является разработка оптимальных неэнергозатратных параметров способа получения отливок с толщиной тела до 100 мм, обладающих высокой твердостью (400 - 600 HB), износостойкостью и хорошей механической обрабатываемостью, а также параметров способа получения белого высокохромистого чугуна для таких отливок, которые обеспечивают также оптимальное использование оборудования, без уменьшения срока его службы.
Указанный технический результат достигается тем, что в заявленном способе получения износостойких высокопрочных отливок из чугуна, включающем заливку чугуна из ковша в формы для отливок и его охлаждение, согласно изобретению заливку чугуна из ковша в формы для отливок осуществляют при температуре 1360 - 1440 °С, с охлаждением отливок в формах в естественных условиях до комнатной температуры и последующей термической обработкой охлажденных отливок путем нагрева со скоростью 70 - 110 °С/час до температуры 1050 - 1150 °С, выдержкой отливок при данной температуре в течении 100 - 180 мин и принудительном охлаждении с обдувкой воздухом до температуры не более 350°С, причем в формы осуществляют заливку легированного высокохромистого чугуна, содержащего, мас.%:
углерод - 2,4 - 3,5,
кремний - 0,2 - 1,0,
марганец - 1,1 - 1,8,
хром - 25,0 - 30,0,
молибден - 0,5 - 0,8,
ванадий - 0,15 - 0,35,
титан - 0,15 - 0,35,
фосфор - не более 0,15,
сера - не более 0,08,
железо и неизбежные примеси остальное,
полученного выплавкой шихты в индукционной печи до получения расплава, с выдержкой расплава в течение 20 - 40 мин при температуре 1420 - 1510 °С, обработкой расплава легирующими элементами, содержащими ванадий, молибден и титан, и последующим выпуском расплава легированного высокохромистого чугуна из печи в ковш при температуре 1410 - 1480 °С.
Углеродный эквивалент легированного высокохромистого чугуна, используемого для получения износостойких, высокопрочных отливок не превышает 3,5 %.
Сущность изобретения в части состава высокопрочного износостойкого чугуна состоит в следующем.
Содержание углерода 2,4-3,5% и хрома 25-30% обеспечивает износостойкость чугуна и твердость в пределах 400-600 HB. При снижении содержания хрома и углерода ниже заданных пределов снижается значение твердости. При повышении содержания хрома и углерода выше заданного предела снижаются прочностные характеристики чугуна, увеличивается вероятность механического излома при ударных нагрузках.
Влияние содержания углерода, кремния и марганца в заданных пределах обеспечивает хорошую жидкотекучесть чугуна и достаточный отбеленный поверхностный слой чугуна при кристаллизации отливок с толщиной тела до 100 мм.
Углеродный эквивалент (Сэ), рассчитываемый по формуле:
СЭ= С + (1/3)(Si-P),
где С, Si, P - содержание углерода, кремния, фосфора в чугуне, % масс, при этом коэффициент Сэ в чугуне для получения отливок, не превышает 3,5%.
Из формулы следует, что кремний и углерод оказывают наибольшее влияние в чугунах на их литейные свойства.
При степени растворимости около Sэ=0,8%, структура предложенного чугуна после нормализации относится к мартенситной.
Модифицирование молибденом в пределах 0,5 - 0,8% снижает вероятность образования перлитной структуры чугуна, данная добавка актуальна также при заливке толстостенных отливок, с высоким содержанием углерода.
Сера и фосфор в чугуне являются вредными примесями, поэтому их содержание ограниченно указанными значениями.
Совместное присутствие титана и ванадия в сплаве в заявляемых количествах, полученное экспериментально, позволяет эффективно контролировать процессы кристаллизации чугуна.
Содержание титана в пределах 0,15 - 0,35 % выбрано с целью измельчения зерен в структуре чугуна и получения мартенситной структуры.
Ванадий обладает высоким сродством к углероду и образует с ним специальные дисперсные монокарбиды с высокой твердостью и износостойкостью.
Сущность изобретения в части способа изготовления литых изделий состоит в следующем. Параметры способа получения высокохромистого чугуна для отливок обусловлены следующими факторами.
Выдержка расплава чугуна в течение 20-40 мин при температуре 1420-1510 °С способствует более совершенному распределение атомов углерода между атомами железа и хрома и образованию в структуре карбидов, обеспечивающих повышенную износостойкость и прочность чугуна. Пластинки графита становятся мелкими, а общие свойства чугуна с повышением температуры перегрева улучшаются. Перегрев расплава при таком диапазоне температур способствует размельчению величины первичного зерна аустенита. Хром способствует повышению твердости карбидов и стабилизации аустенита.
Перегрев расплава чугуна до 1420 - 1510 °С позволяет иметь высокую температуру заливки, что способствует лучшему заполнению литейной формы и получению более плотных отливок, свободных от газовых раковин и включений, а, следовательно, и повышению их механических свойств отливок.
При длительности выдержки менее 20 мин и температуре менее 1420 °С, распределение атомов углерода между атомами железа, будет недостаточным, и процент связанного углерода в чугуне будет намного меньше, что приведет к ухудшению свойств чугуна.
Созданная структура вне карбидной части Fe-Cr-C полностью определяет наиболее высокий уровень износостойкости высокохромистого чугуна, в котором прочностные свойства обеспечиваются за счет микроструктуры, состоящей из твердых карбидов, внедренных в мартенситовую матрицу.
Особенности микроструктуры белого чугуна зависят от того, карбиды какого типа выделяются из кристаллизующегося расплава первыми. При растворении хрома в карбидах образуются высокохромистые карбиды двух типов - тригональный (Cr, Fe)7 C3, обеспечивающий повышение износостойкости, и кубический (Cr, Fe)23 C6, являющийся более мягкой и хрупкой фракцией карбидов.
Чугун согласно заявленного изобретения благодаря содержанию карбидов типа (Cr, Fe)7 C3 имеет повышенную износостойкость.
При длительности времени выдержки более 40 мин и температуре выше 1510 °С потребуются меры по устранению пористости, т. е. раскисления и устранения растворенной активной закиси железа - первоисточника реакции окисления углерода.
Выпуск чугуна из печи в ковш производят при температуре 1410 - 1480 °С. В случае, если температура чугуна во время выпуска будет выше заявленного диапазона, графит в чугуне будет кристаллизоваться в виде крупных листочков, а металл будет предельно насыщен растворенными газами, что приведет к снижению прочностных свойств чугуна. Повышение температуры при заливке до 1480° повышает его жидкотекучесть, улучшает структуру и препятствует образованию горячих трещин.
Заливка чугуна в формы должна происходить при температуре чугуна в диапазоне 1360 - 1440 °С, с последующим естественным охлаждением получений литых изделий до комнатной температуры. При выходе температуры из указанного диапазона не будет возможности равномерного распределенния первичных карбидов высокой твердости внутри матрицы мелкоигольчатого легированного мартенсита.
Полученные литые изделия (отливки) обладают повышенной твердостью, но изностойкость у отливок не очень высокая, в связи с наличием в структуре остаточного аустенита, крупных карбидов и литейных напряжений. Повышение износостойкости отливок осуществляют путем термической обработки, что приводит к измельчению крупных первичных карбидов, выравниванию структуры, за счет того, что после охлаждения аустенит по большей части превращается в мартенсит, крупные карбиды измельчаются, и снимаются литейные напряжения.
Термическую обработку полученных литых изделий осуществляют путем их нагрева со скоростью 70 - 110 °С/час до температуры 1050 - 1150 °С, выдержки при данной температуре в течении 100 - 180 мин и принудительном охлаждении на воздухе до температуры не более 350°С. За счет этого повышается твердость чугуна, обеспечивающая изностойкость изделий к абразивной среде.
Указанная совокупность параметров способа получения чугуна для отливок, отливок из него и параметров способа термообработки отливок термообработки получить отливки, которые можно использовать в рабочих узлах оборудования, предназначенного для дробления различного рода железорудных материалов.
Заявленное изобретение в частном случае реализации проиллюстрировано примером.
Пример реализации заявленного изобретения.
о
В тигельную индукционную печь ИСТ-0,25 загрузили 250 кг металлошихты. Продолжительность плавки при температуре 1450 С составила 10 минут, после этого осуществили выдержку чугуна в печи в течение 30 мин, при температуре 1475 °С. Затем в расплав производили ввод микролегирующих элементов мас.%: V -0,2, Mo - 0,6, Ti - 0,25. Выпуск чугуна из печи в ковш осуществили при температуре 1450 °С, после чего выполнили его заливку в формы при температуре 1400 °С. После этого, провели термообработку отливок: нагрели со скоростью 95 °С/час до температуры 1100 °С, выдержали при данной температуре в течении 120 мин и произвели принудительное охлаждение на воздухе под вентиляторами до 300°С.
Далее полученная партия литых изделий была испытаны твердомером по Роквеллу при нормальных условиях (температура - 18…23° С, влажность 70…80%). Шероховатость поверхностей образцов была не ниже Ra 2,5. Испытания на твердость показали, что полученные литые изделия характеризуются высокой твердостью (550-570 HB).
Затем образцы были подвергнуты испытания механической обработкой, а именно резанием и обработкой поверхности на токарном станке. Испытание показало отсутствие скол, сломов и трещин в результате такой обработки.
Исследование абразивных свойств было проведено с использованием установки, позволяющей воспроизвести абразивное изнашивание образцов. Рабочую емкость предварительно загружали абразивным материалом в объеме и испытуемыми и эталонными образцами. В качестве эталона был выбран образец из чугуна марки «Нихард-4», который после нормализации имеет твердость 611 НВ и обладает повышенной износостойкостью в условиях абразивного воздействия.
Относительную износостойкость определяли по формуле (ГОСТ 23.207-79):
ε = Мэ ρи/ Ми ρэ
Мэ и Ми - соответственно потеря массы эталонного и испытуемого
образцов, г;
ρэ и ρи - соответственно плотность материала, эталонного и испытуемого
образцов, г/см3,
где ρэ = ρи.
Коэффициент относительной абразивной износостойкости по отношению к чугуну марки «Нихард-4» в партии отливок соответствует диапазону 09.1-0.97, что указывает на высокую абразивную износостойкость полученных образцов.