ЧУГУН ДЛЯ ВАЛКОВ Российский патент 1994 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов чугуна для отливок валков сменного металлургического, строительного и мукомольного оборудования, работающих в условиях повышенного износа и знакопеременных нагрузок.

Известен чугун, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 3,2-3,6; кремний 1,8-2,5; марганец 0,1-0,4; никель 0,6-0,8; медь 0,5-0,8; магний 0,01-0,015; кальций 0,06-0,10; барий 0,02-0,10; РЗМ 0,03-0,06; цирконий 0,02-0,10 (авт. св. N 1458416, 1989).

Данный состав чугуна не обеспечивает необходимого уровня эксплуатационных характеристик отливок вследствие их повышенного износа в процессе эксплуатации.

Наиболее близким к заявляемому по количественному и качественному составу является чугун, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 3,5-4,0; кремний 2,0-2,8; марганец 0,01-0,4; никель 0,2-0,4; медь 0,2-0,4; магний 0,03-0,08; кальций 0,03-0,06; барий 0,03-0,06; РЗМ 0,01-0,03; цирконий 0,03-0,06; алюминий 0,03-0,06; титан 0,03-0,04, (авт. св. N 1765237, 1992).

Применение данного состава чугуна в качестве материала валков приводит к их повышенному выходу из строя в процессе изготовления и эксплуатации вследствие образования трещин на наружной поверхности.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационной стойкости валков и снижение брака при их производстве за счет повышения трещиностойкости чугуна.

Указанная цель достигается тем, что чугун для валков, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, медь, кальций, барий, РЗМ, цирконий и титан, дополнительно содержит ниобий и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 3,4-3,8; кремний 0,3-0,6; марганец 0,3-0,8; никель 0,8-1,5; медь 0,5-1,0; кальций 0,01-0,03; барий 0,01-0,03; РЗМ 0,01-0,03; цирконий 0,03-0,06; титан 0,03-0,06; ниобий 0,03-0,06; хром 0,4-1,0, причем соотношение содержания ниобия к титану составляет 1:1,2-1,0, а соотношение содержания хрома к кремнию составляет 1:1,3-1,7.

Дополнительный ввод в состав чугуна ниобия и хрома в указанных количественных соотношениях обеспечивает повышение эксплуатационной стойкости отливок за счет получения более равномерной мелкозернистой структуры матрицы, способствующей меньшему выкрашиванию структурных составляющих в процессе эксплуатации отливок. Кроме того, за счет уменьшения этими элементами предусадочного расширения чугуна, снижается уровень литейных напряжений, что способствует улучшению трещиностойкости отливок как в процессе их производства, так и при их эксплуатации.

При вводе в состав чугуна этих компонентов в количестве ниже предложенных пределов (соответственно, менее 0,03% ниобия и менее 0,4% хрома) их указанное действие на структуру и свойства отливок не проявляется. При их вводе в чугун выше предложенных пределов (соответственно, более 0,06% ниобия и более 1% хрома) повышается хрупкость валков в процессе их производства и эксплуатации за счет выделения по границам зерен крупных карбидов ниобия и хрома.

Соотношение содержаний ниобия к титану 1:1-1,2 и хрома к кремнию 1: 1,3-1,7 обеспечивает необходимый баланс карбидообразующих и графитизирующих компонентов в составе чугуна, что способствует получению мелкозернистой структуры матрицы с высоким уровнем твердости и износостойкости при минимальных напряжениях в отливке. При соотношении содержания ниобия к титану менее 1:1 и хрома к кремнию менее 1:1,3 вследствие преобладающего карбидообразующего действия ниобия и хрома в процессе кристаллизации чугуна, в отливке формируется грубая карбидо-ледебуритная структура, что приводит к повышенной хрупкости металла и снижению его эксплуатационной стойкости. При соотношении содержаний ниобия к титану более 1:1,2 и хрома к кремнию более 1:1,7 вследствие преобладающего графитизирующего действия титана и кремния в структуре чугуна появляются крупные включения графита, что приводит к снижению твердости, износостойкости и, как следствие, ухудшению эксплуатационных характеристик металла.

Содержание основных компонентов чугуна обеспечивает получение оптимальной структуры металла и высоких эксплуатационных характеристик валков.

Базовыми элементами состава заявленного чугуна являются углерод (3,4-3,8% ), кремний (0,3-0,6%) и марганец (0,3-0,8%), обеспечивающие в предложенном соотношении высокую твердость и износостойкость матрицы чугуна. При содержании этих компонентов ниже предложенных пределов повышается хрупкость чугуна в процессе производства и эксплуатации отливок. При содержании этих компонентов выше предложенных пределов снижается твердость и однородность матрицы чугуна, ухудшаются эксплуатационные характеристики металла.

Предложенные содержания никеля и меди препятствуют проявлению зернограничной сегрегации ниобия и хрома, вводимых в чугун, и их выделению в виде крупных карбидов по границам зерен, охрупчивающих металл. При содержании никеля и меди в чугуне ниже предложенных пределов их указанного действия недостаточно, а их ввод в состав чугуна выше предложенных пределов экономически нецелесообразен.

Совместный ввод в состав чугуна микродобавок кальция бария и РЗМ в предложенных количествах благотворно влияет на формирование мелкокристаллической структуры матрицы за счет адсорбционного воздействия атомов этих элементов на процессы зарождения фаз при кристаллизации. При содержании этих элементов менее 0,01%, их указанное действие не проявляется, а при их содержании более 0,03%, они формируют на границах зерен самостоятельные включения, охрупчивающие чугун.

Цирконий и титан в предложенных пределах повышают эксплуатационные свойства чугуна за счет микровыделений графита в центре эвтектических зерен чугуна. При этом повышается износостойкость чугуна, снижаются напряжения в отливках. При содержании этих элементов ниже предложенных пределов повышения эксплуатационных характеристик не наблюдается. При содержании этих элементов выше предложенных пределов проявляется их излишнее графитизирующее действие, снижаются твердость металла и служебные свойства чугуна.

Цель изобретения достигается путем взаимодействия в составе чугуна всех его компонентов, поэтому исключение из него любого из компонентов приводит к изменению структуры и свойств металла и, как следствие, ухудшению эксплуатационных характеристик отливок.

П р и м е р. Чугун плавили в индукционной тигельной печи емкостью 150 кг. В качестве шихты использовали передельный чугун и стальные отходы, легирующие добавки (медь, никель, силикоцирконий, силикокальций, силикобарий, силикомишметалл, ферромарганец, ферротитан, феррониобий, феррохром) вводили в ковш при выпуске в него чугуна с учетом степени усвоения этих компонентов. Температура разливаемого чугуна составляла 1450^оС. Трещиностойкость, сопротивление усталости и твердость отливок оценивали на специальных коробчатых пробах размером 300 х 300 сечением 50 х 50 мм.

В таблице представлены результаты испытаний предложенного состава чугуна в сравнении с известным чугуном и с чугуном с выходящими за предложенные пределы содержаниями элементов.

Как следует из результатов испытаний, представленных в таблице, чугун предложенного состава имеет более высокую трещиностойкость и твердость, и, как следствие, обеспечивает лучшие эксплуатационные характеристики отливок.

Использование: для отливок валков сменного металлургического, строительного и мукомольного оборудования. Чугун для валков содержит компоненты с следующем соотношении, мас.%: углерод 3,4 - 3,8, кремний 0,3 - 0,6, марганец 0,3 - 0,8, никель 0,8 - 1,5, медь 0,5 - 1,0, кальций 0,01 - 0,03, барий 0,01 - 0,03, РЗМ 0,01 - 0,03, цирконий 0,03 - 0,06, титан 0,03 - 0,06, ниобий 0,03 - 0,06, хром 0,4 - 1,0, причем соотношение содержания ниобия к титану составляет 1:1 - 1,2, а соотношение содержания хрома к кремнию составляет 1: 1,3 - 1,7. Применение чугуна предложенного состава позволяет получать отливки валков без трещин с высоким уровнем твердости и эксплуатационных свойств. 1 табл.

ЧУГУН ДЛЯ ВАЛКОВ, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, медь, кальций, барий, РЗМ, цирконий, титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 3,4 - 3,8
Кремний 0,3 - 0,6
Марганец 0,3 - 0,8
Никель 0,8 - 1,5
Медь 0,5 - 1,0
Кальций 0,01 - 0,03
Барий 0,01 - 0,03
РЗМ 0,01 - 0,03
Цирконий 0,03 - 0,06
Титан 0,03 - 0,06
Ниобий 0,03 - 0,06
Хром 0,4 - 1,0
причем соотношение содержания ниобия и титана составляет 1:1 - 1,2, а соотношение содержания хрома и кремния составляет 1:1,3 - 1,7.