Износостойкий чугун
Изобретение относится к литейному производству, в частности к составам износостойких чугунов. Может использоваться для изготовления лопаток дробеметных импеллеров и аппаратов, а также бил дробеметного оборудования. Износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит, 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 0,03-0,20; магний 0,02-0,1; кальций 0,05-0,2; железо - остальное. Чугун обладает высокой ударной вязкостью, прочностью и удароустойчивостью при работе в условиях интенсивного ударно-абразивного износа под воздействием нагрузок. 2 табл.
Реферат
Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях интенсивного ударно-абразивного износа под воздействием нагрузок, в частности для изготовления лопаток дробеметных импеллеров и аппаратов и бил дробильного оборудования.
Известен износостойкий чугун, содержащий, мас.%: углерод 2,8-3,5; кремний 0,6-2,0; марганец 0,05-0,5; хром 2,5-4,5; никель 3,5-5,0; молибден 0,2-0,7; фосфор 0,5-1,45; сера 0,5-0,25; висмут до 0,01; железо - остальное (Великобритания VK Patent NO, GB 2072702 A).
Недостатком этого чугуна являются низкие значения прочности, вязкости и твердости в литом состоянии. В связи с этим известный чугун не имеет необходимую стойкость в условиях ударно-абразивного износа. Требуемые свойства его обеспечиваются только после сложной термической термообработки (изотермическая закалка).
Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом (см., например, описание к патенту РФ №2234553, С1, 7 С22С 3710, 2004 г.), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: углерод 3,2-4,0; кремний 1,4-2,5; марганец 0,4-1,2; хром 7,0-10,0; никель 2,5-5,5; бор 0,2-0,4; ванадий 0,6-1,0; алюминий 0,05-0,15; церий 0,05-0,20; магний 0,03-0,12; кальций 0,05-0,20; железо - остальное.
Указанный износостойкий чугун с шаровидным графитом, металлическая основа которого содержит большое количество твердой карбидной фазы (25-32%), обладает повышенной твердостью (до 65 HRC) и соответственно износостойкостью в условиях ударно-абразивного износа. Однако из-за низкой вязкости и повышенной хрупкости указанного чугуна износостойкие детали из него чувствительны к разрушению в условиях воздействия высоких нагрузок.
Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с высокой вязкостью для работы в условиях интенсивного ударно-абразивного износа под воздействием нагрузок.
Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении ударно-абразивной стойкости чугуна при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления износостойких отливок с повышенной вязкостью, например бил дробильного оборудования для размельчения угля и твердых горных пород.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащим углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, алюминий, церий, магний, кальций, железо, дополнительно введена медь 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 0,03-0,20; магний 0,02-0,1; кальций 0,05-0,2; железо - остальное.
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.
Снижение содержания углерода в чугуне позволяет уменьшить количество твердой карбидной фазы типа (Cr, Fe)7С3.
Введение углерода в количестве менее 2,2% не обеспечивает получение в структуре чугуна структурно-свободного углерода в виде графита шаровидной формы, что резко снижает прочностные характеристики чугуна. Увеличение содержания углерода свыше 3,2% способствует выделению повышенного количества твердой карбидной фазы, что также значительно понизит прочностные характеристики чугуна.
Увеличение содержания марганца в чугуне позволяет повысить его концентрацию в аустените.
Введение марганца в количестве менее 0,2% не обеспечит повышения достаточной концентрации марганца в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, обладающему низкими значениями вязкости и прочности. Увеличение содержания марганца свыше 3,0% вызывает выделение карбидов марганца типа Мn3С, что повышает хрупкость чугуна и ухудшает обработку отливок резанием.
Уменьшение содержания хрома в чугуне позволяет уменьшить количество твердой карбидной фазы.
Введение содержания хрома менее 3,0% не обеспечивает образования достаточного количества твердых карбидов типа (Cr, Fe)7С3, в результате чего понижается твердость и соответственно износостойкость чугуна. Увеличение содержания хрома свыше 6,4% способствует образованию повышенного количества твердых карбидов типа
(Cr, Fe)7С3, благодаря которым твердость и износостойкость чугуна повышаются, а вязкость и прочность снижаются.
Уменьшение содержания никеля в чугуне позволяет понизить себестоимость изготовления отливок.
Введение никеля в количестве менее 2,0% не обеспечивает достижения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, в результате чего снижается вязкость, прочность, твердость и износостойкость чугуна. Увеличение содержания никеля свыше 4,0% способствует повышению доли остаточного аустенита в металлической основе чугуна, что приводит к снижению его твердости и износостойкости.
Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, хром и ванадий вводят в металлозаволку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1450-1500°С на зеркало расплава вводят кремний и марганец в виде 75%-ного ферросилиция и 60%-ного ферромарганца. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикальция). Магний в составе сфероизирующей присадки, а также церий и бор в виде ферроцерия и ферробора вводят на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.
В таблице 1 приведен химический состав известного и предложенного чугунов. В таблице 2 приведены значения механических свойств, износостойкости в условиях ударно-абразивного износа и удароустойчивость (число ударов N до разрушения) под воздействием нагрузок.
Техническими результатами являются, как видно из данных таблицы 2, более высокая ударная вязкость (580-630 кДж/м2), прочность (1010-1060 МПа), стрела прогиба (3,8-4,2 мм) и соответственно более высокая удароустойчивость предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом.
Ударную вязкость определяли в соответствии с ГОСТ 9454-78 на цилиндрических образцах (⌀ 30×160 мм). Испытания проводили на маятниковом копре (ГОСТ 10708-82).
Временное сопротивление чугуна при изгибе и стрелу прогиба определяли в соответствии с ГОСТ 27208-87 на цилиндрических образцах (⌀ 25×200 мм).
Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59.
Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (⌀ 18×18 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.
Удароустойчивость (N) проверяли на цилиндрических образцах (⌀ 15×24 мм) на копре при энергии удара 19,6 Дж. Удар производили в центр торцевой части шариком диаметром 19 мм из закаленной стали ШХ15.
Объемное количество карбидной фазы 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 удароустойчивых отливок, например лопаток дробеметного и бил дробильного оборудования, позволяет существенно (на 40-50%) увеличить срок службы деталей в эксплуатации при снижении себестоимости их изготовления на 15-20%.
Таблица 1 | |||||||||||||
Чугун | № плавки | Содержание химических элементов, мас.% | |||||||||||
С | Si | Mn | Cr | Ni | V | Cu | В | Се | Mg | Ca | Al | ||
Предлагаемый | 11 | 2,2 | 0,5 | 0,2 | 3,0 | 2,0 | 0,2 | 0,2 | 0,2 | 0,03 | 0,02 | 0,05 | 0,1 |
12 | 2,7 | 1,8 | 1,6 | 4,7 | 3,0 | 0,5 | 0,5 | 0,3 | 0,12 | 0,06 | 0,13 | 0,25 | |
13 | 3,2 | 3,0 | 3,0 | 6,4 | 4,0 | 0,8 | 0,8 | 0,4 | 0,2 | 0,1 | 0,2 | 0,4 | |
Прототип | 1 | 3,6 | 1,9 | 0,8 | 8,5 | 4,0 | 0,8 | - | 0,3 | 0,12 | 0,8 | 0,12 | 0,1 |
Таблица 2 | |||||||||||||
№ плавки | Количество карбидной фазы, % | Ударная вязкость, кДж/м2 | Прочность, МПа | Стрела прогиба, мм | Твердость, HRC | Коэффициент относительной износостойкости в условиях ударно-абразивного износа | Удароустойчивость, N | ||||||
11 | 18 | 630 | 1060 | 4,2 | 55 | 1,7 | 1250 | ||||||
12 | 20 | 600 | 1030 | 4,0 | 56 | 2,0 | 1205 | ||||||
13 | 24 | 580 | 1010 | 3,8 | 58 | 2,2 | 1160 | ||||||
1 | 30 | 450 | 1000 | 3,5 | 63 | 2,5 | 625 |
Износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, алюминий, церий, магний, кальций, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь 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 | 0,03-0,20 |
магний | 0,02-0,1 |
кальций | 0,05-0,2 |
железо | остальное |