износостойкий чугун

Формула изобретения

1. Износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, никель, марганец, вольфрам и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, медь, магний, алюминий, церий, кальций, бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	2,8-4,2
кремний	1,5-3,5
ванадий	0,2-0,8
медь	0,2-0,8
никель	2,0-5,0
марганец	0,2-1,6
магний	0,02-0,1
алюминий	0,1-0,5
церий	0,02-0,1
вольфрам	4,0-12,0
кальций	0,06-0,8
бор	0,2-0,4
железо	остальное

2. Износостойкий чугун по п.1, отличающийся тем, что он содержит структурно-свободный углерод в виде включений графита шаровидной формы в количестве 0,5-2,2% и связанный углерод в количестве 0,4-3,7%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях ударно-абразивного износа, в частности для изготовления мелющих шаров рудоразмольных мельниц.

Известен серый чугун, содержащий, мас.%: углерод 3,2-3,6; кремний 0,5-0,7; марганец 1,5-2,0; алюминий 0,1-0,2; молибден 0,2-0,3; фосфор 0,1-0,2; азот 0,08-0,12; вольфрам 2,0-3,0; мышьяк 0,03-0,05; железо остальное (RU № 2006116041, C22C 37/10, 2006 г.).

Недостатком этого чугуна являются низкие значения прочности и твердости в литом состоянии. В связи с этим известный чугун в литом состоянии не имеет необходимую стойкость в условиях ударно-абразивного износа.

Известен износостойкий чугун с пластинчатым графитом (JP № 330243, C22C 37/00, 1995 г.), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: углерод 2,5-3,6; кремний 1,0-3,5; марганец 0,5-10,0; никель <2,0; хром 0,1-0,5; молибден 0,1-5,0; вольфрам 0,5-5,0; ниобий 0,5-5,0; железо остальное.

Указанный износостойкий чугун с кристаллизованным пластинчатым графитом обладает высокой износостойкостью в условиях абразивного износа. В то же время он имеет низкую ударно-абразивную стойкость в литом состоянии, которая, главным образом, определяется прочностными свойствами материала.

Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с высокой прочностью в литом состоянии (без применения термообработки) для работы в условиях ударно-абразивного износа.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении ударно-абразивной стойкости чугуна в литом состоянии при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления износостойких отливок с повышенной прочностью, например мелющих шаров рудоразмольных мельниц.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащем: углерод, кремний, марганец, никель, вольфрам, железо, дополнительно введены ванадий, медь, магний, алюминий, церий, кальций, бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	2,8-4,2
Кремний	1,5-3,5
Ванадий	0,2-0,8
Медь	0,2-0,8
Никель	2,0-5,0
Марганец	0,2-1,6
Магний	0,02-0,1
Алюминий	0,1-0,5
Церий	0,02-0,1
Вольфрам	4,0-12,0
Кальций	0,06-0,8
Бор	0,2-0,4
Железо	остальное

Введение в состав предложенного чугуна ванадия способствует обеднению аустенита углеродом за счет образования карбидов ванадия, благодаря чему повышается температура начала мартенситного превращения и часть остаточного аустенита превращается в мартенсит, при этом доля остаточного аустенита снижается и, соответственно, повышается прочность, твердость и износостойкость чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна ванадия менее 0,2% не обеспечивает выделение достаточного количества карбидов ванадия, не изменяет долю остаточного аустенита, в результате чего не повышается твердость чугуна. Увеличение количества ванадия свыше 0,8% препятствует образованию структурно-свободного углерода в виде шаровидного графита, что повышает склонность чугуна к образованию трещин.

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.

Введение в состав предложенного чугуна алюминия способствует увеличению количества эффективных зародышей кристаллизирующего графита, что способствует повышению количества прочностных характеристик чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна алюминия менее 0,1% не обеспечивает образования достаточного количества эффективных зародышей кристаллизующего графита, в результате чего не повышаются прочностные характеристики чугуна. Увеличение количества алюминия свыше 0,5 способствует образованию плен оксида алюминия, в результате чего снижаются прочностные характеристики чугуна.

Введение в состав предложенного чугуна магния способствует образованию включений графита правильной шаровидной формы, что позволит повысить прочностные характеристики чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна магния менее 0,02% не обеспечивает образования включений графита правильной шаровидной формы, в результате чего не повышаются прочностные характеристики чугуна. Увеличение количества магния свыше 0,1% способствует появлению эффекта перемодифицирования расплава чугуна, в результате чего включения графита образуются неправильной формы.

Введение в состав предложенного чугуна церия способствует выделению структурно-свободного углерода в виде шаровидного графита правильной формы, в результате чего повышаются прочностные характеристики чугуна.

Добавка церия в состав предложенного чугуна менее 0,02% не обеспечивает получения шаровидного графита правильной формы, в результате чего снижается прочность чугуна. Увеличение количества церия свыше 0,1% способствует образованию и выделению по границам зерен структуры чугуна твердых карбидов церия, в результате чего повышаются твердость чугуна и склонность его к образованию трещин.

Введение в состав предложенного чугуна кальция способствует десульфурации чугуна и препятствует образованию соединения окиси магния, при образовании которого снижается количество магния, необходимого для модифицирования чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна кальция менее 0,06% повышает количество магния, необходимого для модифицирования чугуна. При содержании кальция свыше 0,8% резко увеличивается количество неметаллических включений, в результате чего понижается прочность чугуна.

Введение в состав предложенного чугуна бора позволяет увеличить долю графитной и вольфрамо-карбидной эвтектики тонкого строения.

Добавка в состав предложенного чугуна бора менее 0,2% не обеспечивает выделение в достаточном количестве графитной и вольфрамо-карбидной фазы в виде эвтектики тонкого строения, что снижает твердость чугуна. Увеличение количества бора свыше 0,4% вызывает выделение крупных заэвтектических карбидов, что снижает прочностные характеристики чугуна.

Увеличение содержания вольфрама позволяет повысить количество карбидов вольфрама типа W₂C, что способствует увеличению твердости чугуна.

Введение вольфрама в количестве менее 4,0% не обеспечивает достижения достаточного количества твердых карбидов, в результате чего твердость чугуна будет низкой. Увеличение количества вольфрама свыше 12% способствует образованию большого количества твердых карбидов, в результате чего прочностные характеристики чугуна будут снижаться.

Наличие в металлической основе предложенного чугуна структурно-свободного углерода в виде включений графита шаровидной формы способствует образованию мартенситной структуры чугуна в литом состоянии, благодаря чему повышаются прочность и, соответственно, ударно-абразивная стойкость отливок из предложенного 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 способствует образованию мартенситно-карбидной структуры чугуна в литом состоянии, что повышает твердость и, соответственно, ударно-абразивную стойкость отливок из предложенного чугуна.

Концентрация связанного углерода в металлической основе предложенного чугуна в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивного изнашивания. Увеличение концентрации связанного углерода более 3,7% способствует образованию большого количества включений карбидов вольфрама типа W₂C, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, ударно-абразивной стойкости чугуна.

Плавку износостойкого чугуна с шаровидным графитом предложенного состава проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, вольфрам, вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1500-1560°С на зеркало расплава вводят ванадий, марганец и кремний в виде 75%-ного ферросилиция. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе сфероидизирующей присадки, а также церий и бор в виде ферроцерия и ферробора помещают на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.

В таблице 1 приведен химический состав известного и предложенного чугунов. В таблице 2 приведены количество включений графита и карбидов, значение механических свойств и износостойкости в условиях ударно-абразивного износа.

Техническим результатом, как видно из данных таблицы 2, является более высокая прочность (820-950 МПа) и относительная износостойкость (2,2-3,5) предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом в литом состоянии. Себестоимость отливок из предложенного чугуна существенно снижается за счет отказа применения хрома, молибдена, ниобия и уменьшения применения марганца с 10 до 1,6%.

Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59.

Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (018×18 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.

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 предлагаемого износостойкого чугуна с шаровидным графитом для отливок, например, мелющих шаров мельниц, используемых для дробления и размола вольфрамовых руд, позволяет существенно (на 30-40%) увеличить их срок службы при снижении себестоимости изготовления мелющих шаров на 80%.

Таблица 1
Номер образца, №	Чугун	Содержание химических элементов, мас.%
C	Si	V	Cu	Ni	Mn	Al	Се	W	Са	В	Cr	Mo	Mg	Nb
1		2,8	1,5	0,2	0,2	2,0	0,2	0,1	0,02	4,0	0,06	0,2	-	-	0,02	-
2	Предлагаемый	3,5	2,5	0,5	0,5	3,5	0,9	0,3	0,06	8,0	0,43	0,3	-	-	0,6	-
3		4,2	3,5	0,8	0,8	5,0	1,6	0,5	0,1	12,0	0,80	0,4	-	-	0,10	-
4	Прототип	3,5	2,2	-	-	1,0	5,2	-	-	2,5	-	-	0,3	2,5	-	2,5
5		2,8	1,5	0,2	0,2	2,0	0,2	0,1	0,02	4,0	0,06	0,2	-	-	0,02	-
6	Предлагаемый	3,5	2,5	0,5	0,5	3,5	0,9	0,3	0,06	8,0	0,43	0,3	-	-	0,06	-
7		4,2	3,5	0,8	0,8	5,0	1,6	0,5	0,1	12,0	0,80	0,40		-	0,10	-
8	Прототип	3,5	2,2	-	-	1,0	5,2	-	-	2,5	-	-	0,3	2,5	-	2,5

Таблица 2
Номер образца, №	Чугун	Количество включений графита, %*	Количество карбидов вольфрама, %	Твердость, HRC	Прочность изг, МПа	Коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа
1		0,5	25	58	880	2,5
2	Предлагаемый	0,5	28	60	850	3,0
3		0,5	32	62	820	3,5
4	Прототип	0,5	38	65	460	1,5
5		2,2	18	52	950	2,2
6	Предлагаемый	2,2	24	56	920	2,6
7		2,2	28	58	900	3,2
8	Прототип	2,2	32	62	490	1,8
* Предлагаемый чугун содержит шаровидный графит, а прототип - пластинчатый графит.