ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН Российский патент 2012 года по МПК C22C37/04 C22C37/10 

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся ударно-абразивному износу, например деталей цементно- и гипсоразмольного оборудования и т.п.

Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий, масс.%: углерод 2,2-3,2; кремний 2,5-3,5; марганец 3,0-8,5; алюминий 0,5-2,0; молибден 0,4-0,7; серу до 0,03; фосфор до 0,08; магний 0,03-0,08; железо остальное [1].

Недостатками этого чугуна являются низкие значения твердости и износостойкости в литом состоянии.

Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, масс.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 4,0-10,0; никель 2,0-5,0; бор 0,2-0,4; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,4; церий 0,02-0,2; магний 0,02-0,08; кальций 0,04-0,20; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо остальное [2].

Указанный износостойкий чугун с шаровидным графитом, литая металлическая основа которого содержит карбиды марганца и мартенсит, обладает недостаточной ударно-абразивной стойкостью при помоле цемента и гипса.

Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с более высокой твердостью в литом состоянии 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 за счет образования в его структуре твердых карбидов молибдена, которые совместно с карбидами марганца существенно повысят твердость сплава, предназначенного для изготовления износостойких отливок, например бронефутеровки, бандажи и сегменты цементно- и гипсоразмольных мельниц.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащим: углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, серу, фосфор, железо, дополнительно введен хром и молибден при следующем соотношении компонентов, масс.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 4,0-6,0; никель 3,0-5,0; бор 0,06-0,40; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,7; церий 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; хром 0,2-0,8; молибден 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 хрома способствует образованию твердого раствора в его металлической основе, благодаря которому повышаются прочностные характеристики сплава.

Добавка в состав предложенного чугуна хрома менее 0,2% не обеспечивает образования достаточного количества твердого раствора на основе хрома, в результате чего прочностные характеристики чугуна не повышаются. Увеличение количества хрома свыше 0,8% способствует образованию цементита, который отрицательно влияет на прочностные характеристики чугуна.

Введение в состав предложенного чугуна молибдена способствует образованию твердых карбидов молибдена типа Mo₂C, благодаря которым повышается стойкость чугуна в условиях ударно-абразиного износа

Добавка в состав предложенного чугуна молибдена менее 4% способствует образованию карбидов молибдена типа МоС, твердость которых по сравнению с твердостью карбидов молибдена типа Мо₂С в 1,5 раза меньше. Увеличение содержания молибдена свыше 6,0% способствует образованию повышенного количества карбидов молибдена, в результате чего повышается твердость, но одновременно с этим снижаются прочностные характеристики чугуна.

Уменьшение содержания марганца в составе предложенного чугуна с 10 до 6% позволяет снизить количество карбидов марганца, благодаря чему появляются условия для 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 которому существенно повышаются прочностные характеристики чугуна.

Наличие в металлической основе предложенного чугуна включений графита шаровидной формы в количестве менее 0,5% способствует образованию аустенитной структуры чугуна, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-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 предложенного чугуна связанного углерода в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивного изнашивания. Увеличение концентрации связанного углерода более 3,7% способствует образованию большого количества включений твердых карбидов марганца и молибдена, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, ударно-абразивной стойкости чугуна.

Плавку износостойкого чугуна предложенного состава проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, молибден вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1480-1520°С на зеркало расплава вводят марганец, ванадий, бор и кремний. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе 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, значение твердости и износостойкости в условиях ударно-абразивного износа.

Техническим результатом, как видно из данных таблицы 2, являются более высокая твердость (62-68 HRC) и относительная износостойкость (2,4-3,5) 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 потере массы образцов (⌀18×18 мм), после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 минут каждая. 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.

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 мелющих элементов цементно- и гипсоразмольных мельниц позволяет существенно (на 35-45%) увеличить их срок службы.

Источники информации, использованные при составлении заявки

1. А.С. №761594 СССР, БИ №33, 1980.

2. Патент RU 2401316 C1 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 Cr Mo Са S Р 1 Предлагаемый 3,0 1,5 4,0 3,0 0,06 0,2 0,2 0,1 0,02 0,02 0,2 4,0 0,06 0,01 0,02 2 3,8 2,5 5,0 4,0 0,23 0,5 0,5 0,4 0,11 0,05 0,5 5,0 0,43 0,02 0,05 3 4,6 3,5 6,0 5,0 0,40 0,8 0,8 0,7 0,20 0,08 0,8 6,0 0,80 0,03 0,08 4 Прототип 3,8 2,5 7,0 3,5 0,3 0,5 0,5 0,25 0,11 0,05 - - 0,12 0,02 0,05 5 Предлагаемый 3,0 1,5 4,0 3,0 0,06 0,2 0,2 0,1 0,02 0,02 0,2 4,0 0,06 0,01 0,02 6 3,8 2,5 5,0 4,0 0,23 0,5 0,5 0,4 0,11 0,05 0,5 5,0 0,43 0,02 0,05 7 4,6 3,5 6,0 5,0 0,40 0,8 0,8 0,7 0,20 0,08 0,8 6,0 0,80 0,03 0,08 8 Прототип 3,8 2,5 7,0 3,5 0,3 0,5 0,5 0,25 0,11 0,05 - - 0,12 0,02 0,05

Таблица 2 Номер образца, № Чугун Количество включений графита, % Количество карбидов (Мn₇С₃+Мo₂С), % Твердость HRC Коэффициент относительной износостойкости 1 Предлагаемый 0,5 30 63 2,6 2 0,5 33 65 3,0 3 0,5 35 68 3,5 4 Прототип 0,5 26 60 2,0 5 Предлагаемый 2,2 28 62 2,4 6 2,2 30 64 2,5 7 2,2 33 66 2,8 8 Прототип 2,2 24 58 1,8

Изобретение может быть использовано для производства мелющих элементов размольных мельниц, подвергающихся ударно-абразивному износу, например, при дроблении и размоле цемента и гипса. Чугун содержит элементы при следующем соотношении, мас.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 4,0-6,0; никель 3,0-5,0; бор 0,06-0,40; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,7; церий 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; хром 0,2-0,8; молибден 4,0-6,0; кальций 0,06-0,80; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо - остальное, причем в структуре чугуна углерод содержится в свободном состоянии в виде включений графита шаровидной формы в количестве 0,5-2,2% и в связанном состоянии в виде карбидной фазы в количестве 0,4-3,7%. Техническим результатом является повышение стойкости литого чугуна с шаровидным графитом в условиях ударно-абразивного износа. 2 табл.

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 хром и молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод 3,0-4,6 Кремний 1,5-3,5 Марганец 4,0-6,0 Никель 3,0-5,0 Бор 0,06-0,40 Ванадий 0,2-0,8 Медь 0,2-0,8 Алюминий 0,1-0,7 Церий 0,02-0,20 Магний 0,02-0,08 Хром 0,2-0,8 Молибден 4,0-6,0 Кальций 0,06-0,80 Сера 0,01-0,03 Фосфор 0,02-0,08 Железо Остальное,