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 вольфрам, серу и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,0-4,6
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	более 0,5-0,7
церий	0,02-0,20
магний	0,02-0,08
молибден	4,0-6,0
вольфрам	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%.

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 мелющих шаров рудоразмольных мельниц.

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, С22С 37/04, опубликовано 20.04.2011).

Недостатком известных износостойких чугунов, содержащих прочные карбиды молибдена и мартенсит, является недостаточная ударно-абразивная стойкость литых изделий, выполненных из указанных чугунов, работающих при повышенных температурах.

Задачей и техническим результатом изобретения является износостойкий чугун с шаровидным графитом, обладающий повышенной твердостью и ударно-абразивной стойкостью в литом состоянии, в том числе при эксплуатации при повышенных температурах.

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

углерод	3,0-4,6;
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	более 0,5-0,7;
церий	0,02-0,20;
магний	0,02-0,08;
молибден	4,0-6,0;
кальций	0,06-0,80;
вольфрам	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 вольфрама в заявленных концентрациях дает преимущественное образование твердых и прочных карбидов молибдена типа Мо ₂С и очень твердых карбидов вольфрама типа W₂ C, 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 W₂C.

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 железо-хромистые боридные эвтектики, снижающих прочность и износостойкость чугуна. При этом в значительной степени нивелируется 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, вольфрам, вводили в металлозавалку. Фосфор и сера присутствовали в исходном железе. 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.

Обеспечение достижения технического результата иллюстрируют данные таблицы 2: это более высокая твердость (64-70 HRC) и относительная износостойкость (2,5-3,8) чугуна по изобретению в литом состоянии в сравнении с известным чугуном.

Преимущество чугуна по изобретению по сравнению с известным чугуном имеет место при температурах испытаний до 300-400°С.

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 отливок бронефутеровок и шаров рудоразмольных мельниц позволяет существенно (на 20-25%) увеличить их срок эксплуатации.

Таблица 1
Номер образца	Чугун	Содержание химических элементов, мас.%
	С	Si	Мn	Ni	В	V	Сu	Аl	Се	Mg	Mo	Са	S	Р	W
1	Предлагаемый	3,0	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	4,0
	3,8	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	5,0
3	4,6	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	6,0
4	Прототип	3,4	2,5	0,6	4,0	0,3	0,5	0,5	0,25	0,11	0,06	8,0	0,12	-	-	-
5	Предлагаемый	3,0	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	4,0
6	3,8	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	5,0
7	4,6	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	6,0
8	Прототип	3,4	2,5	0,6	4,0	0,3	0,5	0,5	0,25	0,11	0,06	8,0	0,12	-	-	-

Таблица 2
Номер образца	Чугун*	Количество включений графита, %	Количество карбидов* (W2C+Мо2С), %	Твердость HRC	Коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа
1	Предлагаемый	0,5	36	64	2,6
2		0,5	38	66	3,4
3		0,5	40	68	3,8
4	Прототип	0,5	33	63	2,6
5	Предлагаемый	2,2	34	62	2,5
6		2,2	36	64	3,2
7		2,2	38	66	4,0
8	Прототип	2,2	40	62	2,4
* - количество карбидов предлагаемого чугуна состоит из суммы карбидов вольфрама W2C и карбидов молибдена Мо 2С