ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН
WEAR PROOF CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке составов белого легированного чугуна доэвтектического состава для литых деталей, работающих в условиях коррозионно-механического изнашивания.
Известен белый износостойкий чугун марки ЧГ7Х4 по ГОСТ 7789-82, используемый для износостойких отливок, имеет в литых заготовках крупнозернистую аустенитную металлическую основу с низкой микротвердостью и обладает недостаточными характеристиками прочности (150-180 МПа), износостойкости, трещиностойкости и эксплуатационной стойкости. Коррозионно-механический износ его выше, чем при изготовлении деталей из стали ШХ15.
Известен также износостойкий чугун с высокой микротвердостью металлической матрицы (Марукович Е.М., Карпенко М.И. Износостойкие сплавы. - М.: Машиностроение, 2005. - С.103), содержащий, мас.%:
Углерод
2,85
Кремний
0,70
Марганец
0,98
Хром
12,0
Молибден
2,6
Железо
Остальное
Известный чугун имеет недостаточные упругопластические свойства, предел выносливости при изгибе, трещиностойкость, стойкость при ударных нагрузках и в условиях коррозионно-механического изнашивания.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является износостойкий чугун (А.с. СССР №1627580, МПК С22С 37/10, 1991, прототип), следующего химического состава, мас.%:
Углерод
2,75-3,1
Кремний
0,8-1,1
Марганец
0,7-1,3
Хром
13,5-17,5
Никель
0,3-1,0
Молибден
1,3-2,6
Цирконий
0,09-0,6
Кобальт
0,08-0,28
Кальций
0,02-0,05
Теллур
0,002-0,03
Железо
Остальное
Известный чугун имеет в литых заготовках аустенитную металлическую основу и следующие механические и эксплуатационные свойства:
Предел выносливости при изгибе, МПа
300-380
Твердость, НВ
341-390
Контактно-усталостная долговечность, тыс. циклов
175-192
Трещиностойкость, мм
35-41
Предел коррозийной усталости, МПа
280-315
Износостойкость в условиях коррозионно-
механического изнашивания, мг/100·ч
38-45
2
Недостатком известного износостойкого чугуна является предел коррозионной усталости и контактно-усталостная долговечность. В отливках крупных износостойких изделий (пуансонов и тормозных дисков) он обладает крупнозернистой структурой с высокой концентрации крупных карбидов и цементита, что снижает ударную вязкость (до 3-7 Дж/см), трещиностойкость и эксплуатационную долговечность. Эти недостатки особенно отмечаются при высоком содержании в чугуне хрома и других карбидообразующих элементов: молибдена и марганца.
Задачей данного технического решения является повышение предела коррозионной усталости, ударной вязкости, трещиностойкости и контактно-усталостной долговечности.
Поставленная задача решается тем, что износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, цирконий, кобальт, кальций, теллур и железо, дополнительно содержит медь, алюминий и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,75-3,1
Кремний
0,8-1,1
Марганец
0,4-0,9
Хром
8,5-13
Никель
0,3-1,0
Молибден
0,5-1,2
Цирконий
0,09-0,6
Кальций
0,02-0,05
Теллур
0,002-0,03
Медь
0,12-0,35
Алюминий
0,02-0,05
Бор
0,002-0,01
Железо
Остальное.
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение меди обусловлено эффективным влиянием ее на измельчение структуры и повышения ударной вязкости, трещиностойкости и эксплуатационных свойств чугуна. При повышении содержания меди более 0,35% отмечается снижение твердости, износостойкости и контактно-усталостной долговечности. При концентрации меди до 0,12% микролегирующее ее влияние на измельчение структуры и повышение ударно-пластических свойств, трещиностойкости чугуна недостаточны.
Дополнительное введение алюминия (0,02-0,05 мас.%) и бора (0,002-0,01 мас.%) обусловлено их высокой поверхностно-активной модифицирующей способностью, обеспечивающей очистку границ зерен и повышение упругопластических свойств, трещиностойкости и ударно-усталостной долговечности. При увеличении концентрации алюминия и бора соответственно более 0,05 и 0,01% снижаются характеристики износостойкости и механических свойств. При снижении концентрации их ниже пределов трещиностойкость, ударная вязкость, предел коррозионной усталости и эксплуатационные свойства недостаточны.
Чугун выплавляют в открытых индукционных печах. В качестве шихтовых материалов используют рафинированные чушковые чугуны, стальной и чугунный лом, ферромарганец ФМн78, феррохром ФХ800, никель НП3, медь M1, кобальт К2, ферробор ФВ17, ферромолибден ФМо2 и другие ферросплавы.
Ферромолибден, ферроцирконий, никель, феррохром, кобальт и медь вводят в электропечь, а измельченные присадки силикокальция, бора и теллура - в составе алюминотермических таблеток вводят в раздаточный ковш при выпуске чугуна из печи с температурой 1450-1470°C.
Заливку литейных форм производят при температуре 1400-1430°C.
В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок. Отливки и образцы для механических испытаний изготавливали заливкой чугунов в сухие жидкостекольные формы. Механические и усталостные испытания, износостойкость в условиях коррозионно-механического изнашивания определяли на стандартных образцах после их термической обработки, включающей закалку и отпуск. Ударную вязкость определяли на образцах 10×10×55 мм без надреза, а трещиностойкость - на технологической звездообразной пробе высотой 140 мм по общей длине возникающих трещин. Определение твердости проводили по ГОСТ 24805-87.
В таблице 2 приведены механические и технологические свойства износостойких чугунов опытных плавок.
Как видно из таблицы 2, предложенный чугун обладает более высокими показателями предела коррозионной усталости, ударной вязкости, трещиностойкости и контактно-усталостной долговечности, чем известный чугун.
Таблица 1
Химические составы чугунов опытных плавок
Компоненты
Содержание компонентов, мас.%
1(Изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
3,0
2,6
2,75
2,9
3,1
3,3
Кремний
0,9
1,3
1,1
0,9
0,8
0,7
Марганец
1,0
0,3
0,4
0,7
0,9
1,1
Хром
15
7,6
8,5
11
13
14
Никель
0,8
0,2
0,3
0,7
1,0
1,2
Молибден
1,5
0,3
0,5
0,8
1,2
1,3
Цирконий
0,4
0,05
0,09
0,4
0,6
0,8
Кобальт
0,2
0,04
0,08
0,2
0,28
0,3
Кальций
0,03
0,01
0,02
0,03
0,05
0,07
Теллур
0,01
0,001
0,002
0,01
0,03
0,1
Медь
-
0,1
0,12
0,24
0,35
0,4
Алюминий
-
0,01
0,02
0,03
0,05
0,10
Бор
-
0,030
0,002
0,006
0,01
0,02
Железо
Остальное
Таблица 2
Механические и эксплуатационные свойства Чугунов опытных плавок
Показатели
Свойства износостойких чугунов для составов
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Предел прочности при изгибе, МПа
367
412
425
470
458
420
Твердость, НВ
380
375
394
410
395
382
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
6
10
22
26
25
20
Контактно-усталостная долговечность, тыс. циклов
185
187
212
230
218
210
Предел коррозионной усталости, МПа,
310
312
330
341
332
328
Трещиностойкость, мм
36
33
27
22
26
30
Износостойкость в условиях коррозионно-механического изнашивания, мг/100·ч
40
37
32
21
26
33