ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН Российский патент 1995 года по МПК C22C37/06 

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, используемым для работы в условиях ударно-абразивного изнашивания.

Известен чугун [1] содержащий, мас. Углерод 2,8-2,84 Хром 10,35-11,0 Марганец 0,7-0,76 Кремний 0,81-0,82 Никель 0,1-0,16 Молибден 0,39 Медь 1,6 Ванадий Не более 0,3 Теллур Не более 0,005 Железо Остальное
Недостатком известного чугуна является невысокая ударно-абразивная износостойкость в среде дроби, а также легирование дефицитными элементами (Mo, V, Ni, Te), что ограничивает возможность использования для изготовления деталей дробеметных аппаратов.

Известен износостойкий чугун [2] содержащий, мас. Углерод 1,3-2,3 Хром 8,0-14,0 Марганец 4,0-7,0 Кремний Не более 0,8 Железо Остальное
Этот чугун обладает высокой абразивной износостойкостью. Однако в условиях ударно-абразивного износа в среде дроби его износостойкость невысока.

Наиболее близким по составу и технической сущности к предлагаемому является износостойкий чугун [3] содержащий, мас. Углерод 1,5-3,0 Хром 5,0-10,0 Марганец 1,5-4,0 Кремний 0,6-2,0 Никель 0,5-1,5 Медь 0,5-4,0 Ниобий 0,1-1,0 Железо Остальное
Недостатками известного чугуна являются относительно невысокая ударно-абразивная износостойкость в дроби и содержание дефицитных и других легирующих элементов никеля и ниобия, что значительно удорожает чугун.

Целью изобретения является повышение ударно-абразивной износостойкости деталей.

Техническим результатом при использовании изобретения является образование в структуре чугуна карбидов (Fe, Cr)₃C, Cr₃C₂, Cr₇C₃, мартенсита и метастабильного аустенита, который в процессе изнашивания в поверхностном слое претерпевает γ ->> α^I -превращение.

Цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, хром, марганец, кремний, медь и железо, дополнительно содержит церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. Углерод 3,1-3,8 Хром 10,3-14,0 Марганец 4,1-5,0 Кремний 0,5-1,0 Медь 1,7-2,5 Церий 0,05-0,1 Кальций 0,01-0,05 Железо Остальное
Предлагаемый чугун имеет аустенитно-мартенситную металлическую основу и карбиды (Fe, Cr)₃C, Cr₃C₂, Cr₇C₃. Аустенитная фаза метастабильна и в процессе ударно-абразивного изнашивания в поверхностном слое претерпевает фазовые превращения, связанные с образованием мартенсита деформации и выделением дисперсных карбидов Сr₂₃C₆ и Сr₇C₃, что обеспечивает дополнительное повышение износостойкости деталей.

Анализ известных составов чугунов показал, что содержание некоторых введенных в состав заявляемого чугуна элементов известно, например, хрома, марганца и др. Однако применение этих концентраций указанных компонентов в известных чугунах не обеспечивает последним такие свойства, которые они проявляют в совокупности с новыми компонентами (церием и кальцием) в заявляемом техническом решении, а именно: повышение ударно-абразивной износостойкости чугуна в дроби, что очень важно для деталей дробеметов.

При содержании углерода ниже 3,1 мас. заметно снижается ударно-абразивная износостойкость вследствие уменьшения количества карбидной фазы. При увеличении его содержания более 3,8 мас. износостойкость также уменьшается в результате появления в структуре крупных заэвтектических карбидов, которые охрупчивают чугун и способствуют выкрашиванию.

При снижении содержания хрома ниже 10,3 мас. износостойкость чугуна уменьшается вследствие образования карбидов преимущественно цементитного типа (Fe, Cr)₃C. Увеличение концентрации хрома более 14 мас. (при выбранном содержании углерода) делает чугун заэвтектическим, содержащим в структуре избыточные крупные карбиды, что вызывает охрупчивание и снижение износостойкости.

Марганец вводится для стабилизации аустенита и получения преимущественно аустенитной металлической основы. При содержании марганца менее 4,1 мас. в структуре увеличивается количество мартенсита и уменьшается доля остаточного метастабильного аустенита, что снижает износостойкость чугуна. Повышение концентрации марганца более 5,0 мас. вызывает чрезмерную стабилизацию аустенита, что снижает эффект поверхностного самоупрочнения в процессе изнашивания и уменьшает износостойкость сплава.

При содержании кремния ниже 0,5 мас. уменьшается жидкотекучесть чугуна, а увеличение его содержания более 1,0 мас. увеличивает его склонность к хрупкому разрушению.

Медь способствует стабилизации аустенита и повышает вязкость и прочность чугуна. Ее содержание менее 1,7 мас. малоэффективно, а увеличение концентрации более 2,5 мас. способствует графитизации и охрупчиванию сплава, что снижает его износостойкость.

Церий и кальций вводятся для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен и улучшения литейных и механических свойств. Добавки церия менее 0,05 мас. малоэффективны, а более 0,1 мас. уже мало влияет на свойства и износостойкость, удорожает чугун.

Введение кальция в малых количествах, менее 0,01 мас. недостаточно для улучшения качества чугуна, а содержание его более 0,05 мас. нецелесообразно, так как это не вызывает заметного роста механических свойств и износостойкости, к тому же это приводит к удорожанию его производства.

Таким образом заявляемая совокупность и содержание легирующих элементов позволяют повысить ударно-абразивную износостойкость чугуна.

Экспериментальные составы чугунов были выплавлены в лабораторных условиях Мариупольского металлургического института в индукционной печи ДСП 006 с кислой кварцитовой футеровкой тигля. Металл перегревали до 1450-1500^оС, а разливка осуществлялась при 1400-1450^оС в просушенные и прогретые формы до 150-200^оС песчано-глинистые формы. Отлитые образцы подвергались нормализации от 950-1050^оС и отпуску при 200^оС, 2 ч.

Испытания чугунов предложенных составов проводились на специально сконструированной установке, имитирующей условия работы лопаток дробеметов. Принцип действия установки основан на ударно-абразивном изнашивании испытуемых образцов, вращаемых в горизонтальной плоскости в абразивной среде дроби (стальной или чугунной), используемой в дробеметах. Образцы закреплялись на рабочем валу, расположенном вертикально и навинченном на вал электродвигателя. Вал с образцами располагался в специальном стакане с дробью. Скорость вращения образцов составляла 2850 мин^-1. В процессе работы дробь оказывала ударно-абразивное воздействие на испытуемые образцы. За эталон был принят серый чугун СЧ 18 твердостью НRC 15.

Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.

Сравнение свойств чугунов различных составов показывает, что предлагаемый чугун оптимального состава (III) обладает наибольшей износостойкостью в условиях ударно-абразивного изнашивания в дроби по сравнению с прототипом, что позволяет повысить срок службы изготовляемых из него деталей.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в повышении качества чугуна, экономии металла за счет увеличения эксплуатационной долговечности, а также отсутствии в его составе дефицитных легирующих элементов (Ni, Nb, Mo, V и др.).

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, используемым для работы в условиях ударно-абразивного изнашивания. Цель повышение ударно-абразивной износостойкости. Износостойкий чугун, содержащий углерод, хром, марганец, кремний, медь и железо, дополнительно легированный церием и кальцием, в литом состоянии имеет мартенситно-аустенитную основу и карбиды Fe₃C₂, Cr₇C₃, (Fe, Cr)₃C, причем метастабильный аустенит при ударно-абразивном воздействии дроби претерпевает в поверхностном слое фазовые превращения, что обеспечивает дополнительное самоупрочнение рабочей поверхности и повышение ударно-абразивной износостойкости. Использование изобретения позволяет значительно повысить срок службы изготовленных из него деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа. 1 табл.

ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 3,1 3,8
Кремний 0,5 1,0
Марганец 4,1 5,0
Хром 10,3 14,0
Медь 1,7 2,5
Церий 0,05 0,1
Кальций 0,01 0,005
Железо Остальное