износостойкий чугун

Формула изобретения

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

углерод более	3,2-4,6
кремний	1,5-3,5
марганец	0,2-0,8
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
молибден	4,0-6,0
кальций	0,06-0,80
сера	0,01-0,03
фосфор	0,02-0,08
хром	4,0-6,0
железо	остальное,

причем в структуре чугуна углерод содержится в свободном состоянии в виде включений графита шаровидной формы в количестве 0,5-2,2% и связанном состоянии - в виде карбидной фазы в количестве 0,4-3,7%.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области литейного производства и, в частности, к износостойким чугунам для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся ударно-абразивному износу, например деталей смесеприготовительной системы изготовления асфальта, бетона и т.п.

Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, железо 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	0,03-0,2
магний	0,02-0,1
кальций	0,05-0,2
железо	остальное

(RU 2384641, С22С 37/04, опубликовано 20.03.2010)

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, молибден, кальций, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

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

(RU 2416660, С22С37/04, опубликовано 20.04.2011)

Недостатками известных износостойких чугунов, содержащих прочные карбиды молибдена и мартенсит, является недостаточная ударно-абразивная стойкость литых изделий, выполненных из указанных чугунов.

Задачей и техническим результатом изобретения является износостойкий чугун с шаровидным графитом, обладающий повышенной твердостью и ударно-абразивной стойкостью в литом состоянии.

Технический результат достигается тем, что износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, молибден, кальций, хром, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод более	3,2-4,6
кремний	1,5-3,5
марганец	0,2-0,8
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
молибден	4,0-6,0
кальций	0,06-0,8
хром	4,0-6,0
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%.

Наличие в составе чугуна по изобретению одновременно молибдена и хрома в заявленных концентрациях дает преимущественное образование твердых и прочных карбидов молибдена типа Мо ₂С и очень твердых карбидов хрома типа Сr₇С ₃, повышающих твердость и ударно-абразивную стойкость чугуна в литом состоянии. При этом в значительной мере подавляется образование менее твердых и хрупких карбидов типа МоС и Сr₃С, а также обеспечиваются условия для выделения в металлической основе чугуна структурно-свободного углерода в виде графита пластинчатой формы. Наличие в чугуне сфероидизирующих модификаторов - магния, церия и кальция - обеспечивает получение графита правильной шаровидной формы, благодаря которому существенно повышаются прочностные характеристики 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 в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры чугуна, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивного изнашивания. Увеличение концентрации связанного углерода более 3,7% способствует образованию большого количества твердых карбидов хрома и молибдена, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, ударно-абразивной стойкости чугуна.

Наличие серы и фосфора в заявленных концентрациях способствует образованию их соединений с бором, имеющих достаточно широкий температурный интервал кристаллизации, что снижает долю бора, приходящуюся на железохромистые боридные эвтектики, снижающих прочность и износостойкость чугуна. При этом в значительной степени нивелируются негативное влияние этих компонентов на физико-механические характеристики литого чугуна.

Получение износостойкого чугуна по изобретения иллюстрирует следующий пример. Плавку чугуна проводили в дуговой электропечи с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, молибден, хром, вводили в металлозавалку. Фосфор и сера присутствовали в исходном металле. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1480-1520°С на зеркало расплава вводили марганец, ванадий, бор и кремний. Затем присаживали алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе сфероидизирующей присадки, а также церий в виде ферроцерия помещают на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи. Содержание серы и фосфора поддерживали с использованием известных приемов - составом шлака или вакуумированием.

В таблице 1 приведен химический состав известного чугуна и чугуна по изобретению. В таблице 2 приведены количество включений графита и карбидов, значение твердости и износостойкости в условиях ударно-абразивного износа.

Техническим результатом, как видно из данных таблицы 2, являются более высокая твердость (64-70 HRC) и относительная износостойкость (2,5-3,8) чугуна по изобретению в литом состоянии в сравнении с известным чугуном.

Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (18×18 мм), после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 минут каждая. Испытания на ударно-абразивный износ проводили на лабораторной мельнице. 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 износостойкого чугуна с шаровидным графитом по изобретению для изготовления отливок пульпопроводов, используемых для транспортировки различной абразивной пульпы, позволяет существенно (на 2-30%) увеличить их срок эксплуатации.

Таблица 1
Номер образца №	Чугун	Содержание химических элементов, масс.%
С	Cr	Si	Mn	Ni	В	V	Сu	Аl	Се	Mg	Mo	Са	S	Р
1	Предлагаемый	3,0	4,0	1,5	0,2	3,0	0,06	0,2	0,2	0,1	0,02	0,02	4,0	0,06	0,01	0,02
2	3,8	5,0	2,5	0,5	4,0	0,23	0,5	0,5	0,4	0,11	0,05	5,0	0,43	0,02	0,05
3	4,6	6,0	3,5	0,8	5,0	0,40	0,8	0,8	0,7	0,20	0,08	6,0	0,80	0,03	0,08
4	Прототип	3,4	-	2,5	0,6	4,0	0,3	0,5	0,5	0,25	0,11	0,06	-	0,12	-	-
5	Предлагаемый	3,0	4,0	1,5	0,2	3,0	0,06	0,2	0,2	0,1	0,02	0,02	4,0	0,06	0,01	0,02
6	3,8	5,0	2,5	0,5	4,0	0,23	0,5	0,5	0,4	0,11	0,05	5,0	0,43	0,02	0,05
7	4,6	6,0	3,5	0,8	5,0	0,40	0,8	0,8	0,7	0,20	0,08	6,0	0,80	0,03	0,08
8	Прототип	3,4	-	2,5	0,6	4,0	0,3	0,5	0,5	0,25	0,11	0,06	-	0,12	-	-

Таблица 2
Номер образца, №	Чугун	Количество включений графита, %	Количество карбидов * (Сr7С3+Мо2С), %	Твердость HRC	Коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа
1		0,5	36	65	2.8
2	Предлагаемый	0,5	38	67	3,6
3		0,5	40	70	4.0
4	Прототип	0,5	33	63	2.6
5		2,2	34	63	2,8
6	Предлагаемый	2,2	36	65	3.4
7		2,2	38	68	4.2
8	Прототип	2,2	40	62	2,4
* - количество карбидов предлагаемого чугуна состоит из суммы карбидов хрома Сr7С3 и карбидов молибдена Мо2С.