ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН Российский патент 1998 года по МПК C22C37/06 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к износостойким сплавам, работающим в условиях интенсивного ударно-абразивного износа, используемым, например, для изготовления рабочих органов дробеметных аппаратов.

Известен чугун [1] содержащий в мас.

Углерод 2,7 3,5
Кремний 0,4 1,4
Марганец 0,4 1,4
Хром 18,5 23
Медь 0,2 2
Цирконий 0,01 0,1
Железо Остальное
Недостатком известного сплава является относительно невысокая ударно-абразивная износотойкость в среде дроби, используемой в дробеметных аппаратах. Кроме того, в его составе содержится дорогостоящий цирконий, что удорожает чугун.

Известен также стойкий к абразивному износу закаливаемый сплав [2] содержащий в мас,
Углерод 2,6 3,6
Хром 12 22
Марганец 0,5-1,1
Молибден 1,0 3,0
Медь 0,5 1,5
Никель 1,4 2,5
Кремний 1,4 2,5
Железо Остальное
Сплав обладает довольно высокой стойкостью к абразивному износу. Однако он имеет недостаточно высокую ударно-абразивную износостойкость в среде - дроби, что очень важно для деталей дробеметов. Кроме того, в своем составе он содержит дефицитные и дорогие элементы молибден и никель, увеличивающие затраты на отливку.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является износостойкий чугун [3] содержащий в мас.

Углерод 2,6 3,2
Кремний 0,6 0,8
Марганец 3,0 6,0
Хром 15,0 18,0
Ванадий 0,15 0,25
Иттрий 0,25 0,30
Медь 1,0 2,0
Железо Остальное
Сплав обладает высокой абразивной износостойкостью при трении о закрепленные частицы (абразивный круг КАЗ 92А25ПСМ2БК).

Недостатком известного чугуна является недостаточная износостойкость в условиях ударно-абразивного воздействия дроби, используемой в дробометных аппаратах.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение ударно-абразивной износостойкости. Техническим результатом при использовании изобретения является получение в металлической основе аустенита оптимальной стабильности.

Этот результат достигается тем, что износостойкий чугун, содержащий углерод, хром, марганец, кремний, медь и железо, дополнительно содержит кальций и церий при следующем соотношении компонентов, в мас.

Углерод 2,8-3,2
Хром 18,2 22,0
Марганец 3,0 5,0
Кремний 0,9 1,2
Медь 1,6 2,5
Кальций 0,005 0,01
Церий 0,008 0,012
Железо Остальное
Высокая ударно-абразивная износостойкость предлагаемого чугуна достигается формированием преимущественно специальных карбидов хрома Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃С₆, обладающих высокой твердостью HV 15-16,5 ГПа и получением метастабильной аустенитной металлической основы. Последняя, в поверхностном слое в процессе ударно-абразивного воздействия дроби претерпевает превращение в мартенсит и выделение специальных карбидов хрома Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆ повышенной дисперсности и твердости. Это является дополнительным источником повышения сопротивления ударно-абразивному износу.

Анализ известных составов чугунов показал, что содержание некоторых введенных в состав заявляемого чугуна элементов известно, например: углерода, хрома, марганца, меди, кремния и т.д. Однако применение этих концентраций указанных компонентов в известных чугунах не обеспечивает последним такие свойства, которые они проявляют в совокупности с новыми компонентами в заявляемом техническом решении, а именно повышение ударно-абразивной износостойкости в дроби. Таким образом, предложенная совокупность ингредиентов придает изобретению новые качества, а именно повышение ударно-абразивной износостойкости чугуна в среде дроби.

При содержании углерода в чугуне ниже 2,8% значительно снижается ударно-абразивная износостойкость, вследствие уменьшения количества карбидов. При увеличении содержания углерода выше 3,2% износостойкость и вязкость также снижаются в результате образования грубых заэвтектических карбидов, которые повышают хрупкость чугуна и вероятность выкрашивания.

Предложенная концентрация при выбранном содержании углерода обеспечивает формирование специальных карбидов Cr₇C₃ Cr₂₃C₆, обладающих высокой твердостью (15,5-16,5 ГПа), что обуславливает высокую износостойкость чугуна. При содержании хрома ниже 18,2% износостойкость сплавов снижается вследствие формирования карбидов преимущественно типа Cr₃C₂ и Cr₇C₃ и уменьшения количества карбидов Cr₂₃C₆. Содержание хрома более 22% при выбранных концентрациях других компонентов практически не увеличивает износостойкость, а только удорожает чугун.

Марганец обеспечивает стабилизацию аустенита и получение преимущественно аустенитной металлической основы. При концентрациях марганца менее 3% в структуре увеличивается доля мартенсита и уменьшается количество аустенита. Это уменьшает степень фазовых превращений с образованием твердых фаз (мартенсита деформации и специальных карбидов) в процессе изнашивания, что снижает ударно-абразивную износостойкость. Повышение содержания марганца более 5% наоборот, чрезмерно стабилизирует аустенит, уменьшает степень самоупрочнения при изнашивании и снижает износостойкость.

При содержании кремний ниже 0,9% снижается жидкотекучесть чугуна, а увеличение его содержания более 1,2% увеличивает склонность к хрупкому разрушению.

Медь повышает прочность и вязкость чугуна, а также способствует стабилизации аустенита. Ее содержание менее 1,6% малоэффективно. Увеличение содержания меди более 2,5% при выбранной концентрации марганца чрезмерно стабилизирует аустенит, что также снижает ударно-абразивную износостойкость.

Кальций и церий вводятся для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен и улучшения литейных и механических свойств чугуна. Введение кальция в количествах меньших 0,005% практически не улучшает качества чугуна, а при его добавке более 0,01% удорожает чугун. Содержание церия менее 0,08% мало эффективно, а введение более 0,012% экономически не оправдано, т. к. это также удорожает чугун.

Таким образом, заявляемая совокупность и предложенные концентрации легирующих элементов обеспечивают повышение ударно-абразивной износостойкости.

Экспериментальные составы чугунов были выплавлены в условиях Мариупольского металлургического института в индукционной печи средней частоты ДСП 006 с кислой кварцитовой футеровкой тигля. Металл перегревали до температур 1450-1500^oC, а разливка производилась при температурах 1400-1450^oC в просушенные и прогретые до 150-200^oC песчано-глинистые формы. Отлитые образцы подвергали нормализации при температурах 1100-1150^oC и отпуску при 200^oC, 2 ч.

Испытания чугунов предложенных составов проводились на специальной установке, имитирующей работу лопаток дробеметов. Принцип действия установки основан на ударно-абразивном изнашивании испытуемых образцов, вращаемых в вертикальной плоскости в абразивной среде дроби (стальной или чугунной), используемой в дробеметах. Скорость вращения образцов составляла 2850 об/мин, время износа 100 мин. За эталон был принят серый чугун СЧ-18 твердостью HRC 15. Относительная износостойкость оценивалась по общепринятой методике. Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.

Из таблицы следует, что заявляемый чугун оптимального состава имеет более высокую ударно-абразивную износостойкость в дроби, чем прототип.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в повышении долговечности лопаток дробеметов и других быстроизнашивающихся деталей, изготовляемых из чугуна предложенного состава, а также в экономии дорогих и дефицитных легирующих элементов (V,It,Ni,Mo).

Изобретение относится к области металлургии, в частности к износостойким чугунам, работающим в условиях интенсивного ударно-абразивного износа. Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение ударно-абразивной износостойкости. Износостойкий чугун, содержащий углерод, хром, марганец, кремний, медь и железо и дополнительно легированный кальцием и церием, имеет структуру, состоящую из специальных карбидов хрома Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆, и метастабильной аустенитной металлической основы, которая в процессе ударно-абразивного износа в поверхностном слое претерпевает превращение в мартенсит и выделение специальных карбидов хрома Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆, что является дополнительным источником повышения сопротивления ударно-абразивному износу. Использование заявляемого технического решения позволяет повысить долговечность быстроизнашивающихся деталей. 1 табл.

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

Углерод 2,8 3,2
Хром 18,2 22,0
Марганец 3,0 5,0
Кремний 0,9 1,2
Медь 1,6 2,5
Кальций 0,005 0,01
Церий 0,008 0,012
Железо Остальноеп