ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН Российский патент 2011 года по МПК C22C37/04 C22C37/10 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях ударно-абразивного износа, в частности для изготовления мелющих шаров рудомольных мельниц.

Известен чугун, содержащий, мас.%: углерод 3,2-3,6; кремний 1,0-1,4; марганец 0,8-1,2; никель 3,0-4,0; медь 0,8-1,2; хром 0,2-0,4; молибден 3,5-4,5; алюминий 0,1-0,2; фосфор 0,05-0,1; титан 0,2-0,4; магний 0,003-0,008; железо - остальное (RU №2006127621, C22C 37/10, 2006 г.).

Недостатком этого чугуна является низкая твердость в литом состоянии. В связи с этим известный чугун в литом состоянии не имеет необходимой стойкости в условиях ударно-абразивного износа.

Известен чугун с шаровидным графитом, выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: углерод 2,7-3,7; кремний 2,5-3,5; марганец 0,8-1,2; магний 0,04-0,08; церий 0,27-0,37; нитриды алюминия 0,05-0,15; бор 0,04-0,06; молибден 5,0-6,0; цирконий 0,3-0,5; железо - остальное (RU №2006108644, C22C 37/10, 2006 г.).

Указанный чугун с шаровидным графитом обладает необходимыми свойствами только после сложной термической термообработки (высокотемпературный отжиг).

Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с высокой твердостью в литом состоянии (без применения термообработки) для работы в условиях ударно-абразивного износа.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении ударно-абразивной стойкости чугуна в литом состоянии, предназначенного для изготовления износостойких отливок с повышенной твердостью, например мелющих шаров рудоразмольных мельниц.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащем углерод, кремний, марганец, магний, церий, бор, молибден, железо, дополнительно введены алюминий, ванадий, медь, никель, кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,8-4,2; кремний 1,5-3,5; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; никель 2,0-5,0; марганец 0,2-1,6; магний 0,02-0,1; алюминий 0,1-0,5; церий 0,02-0,2; кальций 0,06-0,8; бор 0,2-0,4; молибден 4,0-12,0; железо - остальное.

Введение в состав предложенного чугуна алюминия способствует увеличению количества эффективных зародышей кристаллизующего графита, что способствует повышению качества прочностных характеристик чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна алюминия менее 0,1% не обеспечивает образования достаточного количества эффективных зародышей кристаллизующего графита, в результате чего не повышаются прочностные характеристики чугуна. Увеличение количества алюминия свыше 0,5% способствует образованию плен оксида алюминия, в результате чего снижаются прочностные характеристики чугуна.

Введение в состав предложенного чугуна ванадия способствует обеднению аустенита углеродом за счет образования карбидов ванадия, благодаря чему повышается температура начала мартенситного превращения, и часть остаточного аустенита превращается в мартенсит, при этом доля остаточного аустенита снижается и соответственно повышается прочность, твердость и износостойкость чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна ванадия менее 0,2% не обеспечивает выделения достаточного количества карбидов ванадия, не изменяет долю остаточного аустенита, в результате чего не повышается твердость чугуна. Увеличение количества ванадия свыше 0,8% препятствует образованию структурно-свободного углерода в виде шаровидного графита, что повышает склонность чугуна к образованию трещин.

Введение в состав предложенного чугуна меди позволяет повысить его вязкость и прочность за счет растворения меди в металлической основе.

Добавка меди в состав предложенного чугуна менее 0,2% не обеспечивает достаточной концентрации меди в металлической основе для существенного повышения значений вязкости и прочности чугуна. Увеличение содержания меди свыше 0,8% способствует выделению по границам зерен структуры чугуна металлической меди, в результате чего понижаются его вязкость и прочность.

Введение в состав предложенного чугуна никеля позволяет получать его металлическую основу мартенситной, в результате чего повышается твердость чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна никеля менее 2% не обеспечивает достижения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, в результате чего снижается прочность, твердость и износостойкость чугуна. Увеличение содержания никеля свыше 5% способствует повышению доли остаточного аустенита в металлической основе чугуна, что приводит к снижению его твердости и износостойкости.

Введение в состав предложенного чугуна кальция способствует десульфурации чугуна и препятствует образованию соединения окиси магния, при образовании которого снижается количество магния, необходимого для модифицирования чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна кальция менее 0,04% повышает количество магния, необходимого для модифицирования. При содержании кальция свыше 0,8% резко увеличивается количество неметаллических включений, в результате чего понижается прочность чугуна.

Увеличение содержания молибдена в составе предложенного чугуна позволяет существенно повысить количество карбидов молибдена, благодаря которым увеличивается твердбсть чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна молибдена менее 4% способствует образованию карбидов молибдена типа MoC, которые имеют твердость по сравнению с твердостью карбидов молибдена типа Mo₂C в 1,5 раза меньше. Увеличение содержания молибдена свыше 12% способствует образованию крупных заэвтектических карбидов молибдена Мо₂С, в результате чего снижаются прочностные характеристики чугуна.

Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, молибден, медь и ванадий вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1500-1550°C 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 силикокальция). Магний в составе сфероидизирующей присадки, а также церий и бор в виде ферроцерия и ферробора, кладут на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.

Износостойкий чугун содержит структурно-свободный углерод в виде включений графита шаровидной формы в количестве 0,5-2,2% и связанный углерод в количестве 0,4-3,7%.

Химический состав, количество карбидов молибдена и включений шаровидного графита, твердость и относительная износостойкость известного (прототип) и предложенного чугунов приведены в таблице.

Техническим результатом является, как видно из данной таблицы, более высокая твердость (56-62 HRC) и соответственно износостойкость предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом в литом состоянии. Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59.

Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потери 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.

Применение предлагаемого износостойкого чугуна с шаровидным графитом для отливок, например мелющих шаров мельниц, используемых для дробления и размола молибденовых руд, позволяет существенно (50-70%) увеличит их срок службы в условиях ударно-абразивного изнашивания.

Чугун Содержание химических элементов, мас.% Количество шаровидного графита, % Количество карбидов Мо₂С, % Твердость HRC K∗ C Si Mn Mo Ni Cu V Mg Ce AlN∗∗ Al B Ca Zr Предлагаемый 2,8 1,5 0,2 4,0 2,0 0,2 0,2 0,02 0,02 - 0,1 0,2 0,06 - 0,5 20 58 2,0 3,5 2,5 0,9 8,0 3,5 0,5 0,5 0,06 0,11 - 0,3 0,3 0,43 - 0,5 28 60 2,8 4,2 3,5 1,6 12,0 5,0 0,8 0,8 0,1 0,2 - 0,5 0,4 0,8   0,5 34 62 3,4 Прототип 3,2 3,0 1,0 5,5 - - - 0,06 0,32 0,1 - 0,5 - 0,4 0,5 16 50 1,6 Предлагаемый 2,8 1,5 0,2 4,0 2,0 0,2 0,2 0,02 0,02 - 0,1 0,2 0,06 - 2,2 12 54 1,8 3,5 2,5 0,9 8,0 3,5 0,5 0,5 0,06 0,11 - 0,3 0,3 0,43 - 2,2 18 58 2,2 4,2 3,5 1,6 12,0 5,0 0,8 0,8 0,1 0,2 - 0,5 0,4 0,8 - 2,2 26 60 2,8 Прототип 3,2 3,0 1,0 5,5 - - - 0,06 0,32 0,1 - 0,5 - 0,4 2,2 10 46 0,8 ∗ - коэффициент относительной стойкости в условиях ударно-абразивного износа.
∗∗ - нитрид алюминия.

Изобретение относится к области литейного производства, в частности к износостойким чугунам для производства мелющих шаров размольных мельниц, подвергающихся ударно-абразивному износу. Износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит, мас.%: углерод 2,8-4,2; кремний 1,5-3,5; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; никель 2,0-5,0; марганец 0,2-1,6; магний 0,02-0,1; алюминий 0,1-0,5; церий 0,02-0,2; кальций 0,06-0,8; бор 0,2-0,4; молибден 4,0-12,0; железо - остальное. Чугун обладает высокой стойкостью в условиях ударно-абразивного изнашивания. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, церий, магний, бор, молибден и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий, ванадий, медь, никель, кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 2,8-4,2 кремний 1,5-3,5 ванадий 0,2-0,8 медь 0,2-0,8 никель 2,0-5,0 марганец 0,2-1,6 магний 0,02-0,1 алюминий 0,1-0,5 церий 0,02-0,2 кальций 0,06-0,8 бор 0,2-0,4 молибден 4,0-12,0 железо остальное

2. Износостойкий чугун по п.1, отличающийся тем, что он содержит структурно-свободный углерод в виде включений графита шаровидной формы в количестве 0,5-2,2% и связанный углерод в количестве 0,4-3,7%.