ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН Российский патент 2012 года по МПК C22C37/04 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся абразивному износу, например футеровки пульпопроводов и др.

Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий масс.%: углерод 3,8-4,5; кремний 2,5-4,5; ванадий 3,5-4,5; медь 0,1-1,5; никель 0,1-2,0; марганец до 0,8; сера до 0,1; фосфор до 0,15; хром до 0,1; магний до 0,05; РЗМ до 0,05; железо остальное [1].

Указанный износостойкий чугун обладает требуемыми свойствами только после сложной термической обработки.

Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, масс.%: углерод 2,8-4,0; кремний 1,5-3,5; ванадий 3,0-8,0; медь 0,2-0,8; никель 3,0-5,0; марганец 0,2-1,0; магний 0,02-0,1; алюминий 0,1-0,4; церий 0,03-0,2; кальций 0,05-0,2; бор 0,2-0,4; железо остальное [2].

Указанный износостойкий чугун с шаровидным графитом, литая металлическая основа которого содержит карбиды ванадия и мартенсит, обладает недостаточной абразивной стойкостью при транспортировке абразивной пульпы.

Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с более высокой твердостью в литом состоянии для работы в условиях абразивного изнашивания.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении абразивной стойкости чугуна в литом состоянии за счет образования в его структуре твердых карбидов вольфрама, которые совместно с карбидами существенно повысят твердость сплава, предназначенного для изготовления износостойких отливок, например, пульпопроводов.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенный износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, серу, фосфор, железо, дополнительно введен вольфрам, при следующем соотношении компонентов, масс.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 0,2-0,8; никель 3,0-5,0; бор 0,06-0,40; ванадий 3,0-6,0; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,7; церий 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; вольфрам 4,0-6,0; кальций 0,06-0,80; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо остальное.

Введение в состав предложенного чугуна вольфрама способствует образованию твердых карбидов вольфрама типа W₂C, благодаря которым повышается стойкость чугуна в условиях абразивного изнашивания.

Добавка в состав предложенного чугуна вольфрама менее 4% способствует образованию карбидов вольфрама типа WC, твердость которых по сравнению с твердостью карбидов вольфрама типа W₂C в 1,8 раза меньше. Увеличение содержания вольфрама свыше 6% способствует образованию повышенного количества карбидов вольфрама, в результате чего повышается твердость, но одновременно с этим снижаются прочностные характеристики чугуна.

Уменьшение содержания ванадия в составе предложенного чугуна с 8 до 6% позволяет снизить количество карбидов ванадия, благодаря чему появляются условия выделения в металлической основе чугуна структурно-свободного углерода в виде графита пластинчатой формы, а ввод в расплав чугуна сфероидизирующих модификаторов в виде магния, церия и кальция способствует получению графита шаровидной формы, благодаря этому существенно повышаются прочностные характеристики чугуна.

Наличие в металлической основе предложенного чугуна включений графита шаровидной формы в количестве менее 0,5% способствуют образованию аустенитной структуры чугуна, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях абразивного изнашивания. Увеличение количества включений графита шаровидной формы более 2,2% способствует образованию трооститной структуры чугуна, у которой износостойкость меньше, чем у аустенитной структуры.

Наличие в металлической основе предлагаемого чугуна связанного углерода в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях абразивного изнашивания. Увеличение концентрации связанного углерода более 3,7% способствует образованию большого количества включений твердых карбидов ванадия и вольфрама, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, абразивной стойкости чугуна.

Плавку износостойкого чугуна предложенного состава проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, вольфрам вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1480-1550°С на зеркало расплава вводят марганец, бор и кремний. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в состав сфероидизирующей присадки, а также церий в виде ферроцерия помещают на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.

В таблице 1 приведен химический состав известного и предложенного чугунов. В таблице 2 приведены количество включений графита и карбидов ванадия и вольфрама, значения твердости и износостойкости в условиях абразивного изнашивания.

Техническим результатом, как видно из данных таблицы 2, является более высокая твердость (63-70 HRC) и относительная износостойкость (2,6-3,8) предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом в литом состоянии.

Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59. Испытания на абразивный износ осуществляли по методу Хрущова М.М. на абразивной шкурке марки 14А5НП603 ГОСТ 6456-82, предварительно зафиксированной на поверхности цилиндрического барабана, закрепленного в патроне токарного станка.

Износостойкость в условиях абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (⌀3х15 мм).

Эталонный (Ст.20) и испытуемый образцы устанавливали в специальной державке таким образом, чтобы в процессе испытаний они контактировали каждый со свежей поверхностью абразивной шкурки. Номинальная нагрузка на испытуемые образцы при трении составляла 10 кг/см². Скорость трения образцов составляла 25 м/мин, а длина их пути по поверхности абразивной шкурки - 85 м.

Объемное количество карбидной фазы и включений графита 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 отливок пульпопроводов, используемых для транспортировки различной абразивной пульпы, позволяет существенно (на 2-30%) увеличить срок их эксплуатации.

Источники информации, использованные при составлении заявки

1. А.с. СССР №322394, С22С 37/00, 1971.

2. Патент RU 2401317 С1 от 10.10.2010 г., Бюл. №28.

Таблица 1 Номер образца, № Чугун Содержание химических элементов, масс.% С Si Mn Ni В V Сu Аl Се Mg W Ca S P 1 Предлагаемый 3,0 1,5 0,2 3,0 0,06 3,0 0,2 0,1 0,02 0,02 4,0 0,06 0,01 0,02 2 3,8 2,5 0,5 4,0 0,23 4.5 0,5 0,4 0,11 0,05 5,0 0,43 0,02 0,05 3 4,6 3,5 0,8 5,0 0,40 6,0 0,8 0,7 0,20 0,08 6,0 0,80 0,03 0,08 4 Прототип 3,4 2,5 0,6 4,0 0,3 5,5 0,5 0,25 0,11 0,06 - 0,12 - - 5 Предлагаемый 3,0 1,5 0,2 3,0 0,06 3,0 0,2 0,1 0,02 0,02 4,0 0,06 0,01 0,02 6 3,8 2,5 0,5 4,0 0,23 4,5 0,5 0,4 0,11 0,05 5,0 0,43 0,02 0,05 7 4,6 3,5 0,8 5,0 0,40 6,0 0,8 0,7 0,20 0,08 6,0 0,80 0,03 0,08 8 Прототип 3,4 2,5 0,6 4,0 0,3 5,5 0,5 0,25 0,11 0,06 - 0,12 - -

Таблица 2 Номер образца, № Чугун Количество включений графита, % Количество карбидов (VC+W₂C), % Твердость HRC Коэффициент относительной стойкости в условиях абразивного износа 1 Предлагаемый 0,5 34 65 2,8 2 0,5 36 67 3,2 3 0,5 38 70 3,8 4 Прототип 0,5 33 63 2,6 5 Предлагаемый 2,2 32 63 2,6 6 2,2 34 65 2,9 7 2,2 36 68 3,4 8 Прототип 2,2 30 62 2,4

Изобретение относится к области литейного производства и, в частности, к износостойким чугунам с шаровидным графитом. Может использоваться для производства отливок для пульпопроводов, подвергающихся абразивному износу. Износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит, мас.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 0,2-0,8; никель 3,0-5,0; бор 0,06-0,40; ванадий 3,0-6,0; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,7; церий 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; вольфрам 4,0-6,0; кальций 0,06-0,80; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо остальное. Чугун обладает высокой стойкостью в условиях ударно-абразивного износа. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, серу, фосфор, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 3,0-4,6 кремний 1,5-3,5 марганец 0,2-0,8 никель 3,0-5,0 бор 0,06-0,40 ванадий 3,0-6,0 медь 0,2-0,8 алюминий 0,1-0,7 церий 0,02-0,20 магний 0,02-0,08 вольфрам 4,0-6,0 кальций 0,06-0,80 сера 0,01-0,03 фосфор 0,02-0,08 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%.