чугун

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, никель и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Углерод	1,8-2,5
Кремний	0,2-0,6
Марганец	3,5-5,0
Хром	14,0-20,0
Никель	0,4-2,0
Титан	0,27-0,6
Железо	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно к литейным жароизносостойким чугунам, используемьм для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного абразивного и ударно-абразивного изнашивания при высоких температурах до 1000°С, и может быть использовано для изготовления колосников грохотов и спекательных тележек агломерационных фабрик, арматуры термических печей и т.п.

Известен чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, алюминий, теллур и железо, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	2,5-3,0
Кремний	0,5-1,5
Марганец	2,7-4,5
Хром	22,0-25,0
Молибден	1,0-3,0
Ванадий	1,0-2,0
Алюминий	0,05-0,15
Теллур или висмут	0,06-0,15
Железо	остальное

(см. SU 1656005, 23.03.1989, МПК С 22 С 37/10).

Недостатком известного чугуна являются низкие жаро-, износостойкие свойства, так как он содержит алюминий и повышенное количество углерода и кремния, которые снижают критическое содержание хрома в чугуне, что приводит к образованию крупных заэвтектических карбидов М₇С₃ и обеднению металлической основы хромом и углеродом. Висмут концентрируется по границам зерен в виде легкоплавких эвтектик и резко снижает жаропрочность чугуна. Кроме того, введение ванадия и молибдена вызывает образование пористой, рыхлой оксидной пленки, которая не обладает защитными свойствами.

Наиболее близким аналогом к заявляемому чугуну является износостойкий чугун, используемый для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, содержащий следующие компоненты, мас.%

Углерод	2,0-3,6
Кремний	0,8-2,0
Марганец	1-6
Хром	8,0-18,0
Титан	0,05-0,8
Алюминий	0,02-0,5
Никель	0,1-0,5
Железо	остальное

(см. SU 1735425, 23.05.1992, МПК С 22 С 37/10).

Изобретением решается задача по разработке состава чугуна, обладающего комплексом высоких технических свойств, а именно абразивной, ударно-абразивной износостойкостью и жаростойкостью.

Поставленная задача решена тем, что известный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан и железо согласно изобретению, чугун содержит повышенное количество титана и никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	1,8-2,5
Кремний	0,2-0,6
Марганец	3,5-5,0
Хром	14,0-20,0
Никель	0,4-2,0
Титан	0,27-0,6
Железо	остальное

В заявленном чугуне никель предназначен для легирования. Однако наравне с известным техническим свойством, никель проявляет новое техническое свойство, заключающееся в придании чугуну требуемой жаро-, ударо- и абразивостойкости, жаропрочности, снижения чувствительности к разрушению вследствие термических ударов за счет комплексного воздействия: инвертирующего влияния, устранения полиморфных превращений и приобретения способности к старению при рабочих температурах при комплексном легировании с хромом, формирования стабильной однофазной аустенитной структуры. Никель образует оксид NiO, в структуре которого мало вакансий, за счет чего затрудняется диффузия через оксидную пленку.

Титан, так же как и в известном чугуне, предназначен для модифицирования. Однако наравне с известным техническим свойством, при более высоком содержании титан проявляет новое техническое свойство, заключающееся в придании чугуну требуемых жаросостойкости, жаропрочности за счет стабилизирующего воздействия, т.к. титан обеспечивает присутствие стабильных карбидов титана, препятствующих образованию при эксплуатации карбидной фазы типа М₂₃С₆, которая приводит к охрупчиванию сплава и обеднению металлической основы хромом.

Введение в чугун углерода (С) в заявляемом количестве обеспечивает образование карбидов типа М₇С₃, которые способствуют повышению износостойкости чугуна. При введении в чугун углерода в количестве менее 1,8 мас.% резко падает объемная доля карбидов, что снижает абразивостойкость, а в количестве более 2,5 мас.% приводит к обеднению металлической основы хромом, что отрицательно сказывается на ростоустойчивости и окалиностойкости чугуна.

Кремний в заявляемом количестве, являясь технологической добавкой, распределяется при кристаллизации между аустенитом и эвтектическим расплавом, улучшает жидкотекучесть чугуна. Содержание кремния в количестве менее 0,2 мас.% не обеспечивает достаточной жидкотекучести чугуна, а более 0,6 мас.% увеличивает верхнюю критическую скорость отбеливания чугуна, уменьшая его отбеливаемость, снижает устойчивость аустенитной структуры, а также приводит к увеличению хрупкости отливок.

Никель (Ni) в заявляемом количестве способствует получению стабильной однофазной аустенитной структуры металлической основы, повышает жаростойкость и жаропрочность чугуна, улучшает качество чугунной отливки. Увеличение содержания никеля более 2,0 мас.% усиливает графитизацию чугуна, нейтрализует стабилизирующее влияние хрома. Кроме того, возможно образование сульфидов никеля NiS, сильно разрыхляющих защитную оксидную пленку, что снижает жаростойкость. При содержании никеля менее 0,4 мас.% снижается устойчивость аустенитной структуры, жаростойкость и жаропрочность чугуна.

Значительное повышение окалиностойкости и ростоустойчивости может быть достигнуто при комплексном легировании хромом и никелем. Хром в заявляемом количестве необходим для образования комплексных карбидов типа (Fe, Cr)₇C₃, повышает сопротивляемость окислению металлической основы чугуна, что обеспечивает высокую абразиво- и жаростойкость отливок.

При содержании хрома менее 14 мас.% в структуре чугуна образуются наряду с карбидами (Fe, Cr)₇С₃ карбиды (Fe, Cr)₃ С, уменьшается содержание хрома в металлической основе, появляются продукты распада аустенита, что снижает жаро-, износостойкость чугуна.

При содержании хрома более 20 мас.% в структуре чугуна появляются крупные и хрупкие карбиды типа (Fe, Cr) ₂₃С₆, что приводит к снижению жаро- и износостойких свойств. Кроме этого, увеличивается общая доля крупных первичных карбидов, что также приводит к снижению указанных свойств.

Марганец (Mn) в заявляемом количестве обеспечивает получение стабильной аустенитной структуры металлической основы, повышает жаростойкость, жаропрочность чугуна.

Увеличение содержания марганца более 5,0 мас.% приводит к обеднению металлической основы чугунов углеродом и хромом, что снижает жаро- и абразивостойкость.

При содержании марганца менее 3,5 мас.% снижается устойчивость аустенита и жаростойкость чугуна.

Титан в заявляемом количестве способствует измельчению первичной структуры, устраняет столбчатое строение отливок, модифицирует чугун, что позволяет получать однородные механические свойства по толщине отливок, стабилизирует структуру.

При содержании титана менее 0,27 мас.% образуется недостаточное количество карбидов TiC вследствие чего стабилизирующее действие будет незначительным.

При содержании титана свыше 0,6 мас.% в чугуне образуются пленочные включения оксидов титана больших размеров, расположенных по границам аустенитных зерен, что снижает износостойкость и жидкотекучесть чугуна. Кроме того, происходит снижение ростоустоустойчивости из-за формирования двухфазной структуры металлической ванны.

Пример.

В индукционной тигельной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой выплавляли опытные составы заявлемого чугуна и чугуна, взятого за прототип (составы №6, 7, табл.1), по общепринятой технологии.

Титан, хром, никель, марганец, кремний, ванадий, барий вводили в чугун в виде ферротитана ФТ и 32, феррохрома ФХ 650, ферромарганца ФМн 72, никеля НП 1, ферросилиция ФС 75, феррованадия ФВд 40, алюмосиликобария.

Износостойкость (К_и ) определяли согласно ГОСТ 23208-79. Износостойкость исследуемых образцов оценивали путем сравнения их износа с износом эталонного образца. В качестве эталона использовали сталь 45.

Жаростойкость оценивали по ГОСТ 6130-71 после выдержки в печи в течение заданного времени (100 ч) при постоянной температуре (900°С) весовым методом по увеличению массы образца (г/м²).

Ростоустойчивость (L) оценивали по ГОСТ 7769-82 на образцах длиной 100-150 мм и диаметром 20-25 мм по изменению длины (%) за 150 ч испытания при температуре 900°С.

Результаты испытаний образцов, изготовленных из заявленного чугуна (составы 1-5) и чугуна - прототипа (составы №6 и 7), приведены в таблице 2.

Таблица 1.
Содержание компонентов, мас.%
Состав				С	Si	Mn		Cr	Ni	V	Ti		Ва	Fe
Заявляемый		1		1,62	0,15	3,35		12,8	0,31	-	0,20		-	81,57
		2		1,80	0,20	3,50		14,0	0,40	-	0,27		-	79,83
		3		2,12	0,39	4,31		17,3	1,32	-	0,43		-	74,13
		4		2,50	0,60	5,00		20,0	2,00	-	0,60		-	63,13
		5		2,61	0,72	5,52		21,5	2,48	-	0,69		-	66,46
Прототип		6		2,20	0,45	4,7		23,4	-	0,06	0,07		0,007	69,113
		7		2,80	1,37	5,8		24,6		0,21	0,24		0,018	64,962
Таблица 2.
Образцы, изготовленные из чугуна			Жаростойкость , г/м2				Ростоустойчивость, %					Относительная износостойкость, ед.
Заявленный	1		38,2				0,19					2,19
состав	2		35,0				0,16					3,15
	3		32,5				0,14					3,99
	4		27,4				0,12					4,55
	5		36,3				0,17					2,87
Состав	6		40,5				0,28					2,8
прототипа	7		38,8				0,25					2,93

Полученные результаты позволяют сделать вывод о значительном улучшении характеристик предложенного чугуна, которые по сравнению с прототипом, в среднем выше:

- на 35,9% - повышение износостойкости;

- на 47,2% - повышение жаростойкости;

- на 48,1% - повышение ростоустойчивости.

Использовать составы чугунов с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы (состав №1 и 5), нецелесообразно, так как в этих случаях у чугунов наблюдается снижение вышеуказанных свойств.