Чугун Советский патент 1992 года по МПК C22C37/06 C22C37/10 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов высокохромистых чугунов для отливок, подвергающихся абразивному износу в агрессивных кислотных средах.,

Известен высокохромистый чугун, предназначенный для деталей, подвергающихся коррозионному и механическому износу, со держащий в своем составе, мас.%: С 1,8- 2,2; SI 2.8-4,6; Мп 0,2-0,8; Сг 16-21; Мо 0,5-1.5; V 1,1-2.3; В или Ti 0,02-0.2; Mg 0,01-0,1; Те 0.01-0,05; карбонитриды Nb 0,1-0,3; Fe остальное.

Недостатком данного сплава является высокое содержание кремния в сплаве (2,8- 4,6 мас.%), которое сильно снижает абразивную стойкость деталей из-за повышенной хрупкости металлической основы чугуна. К тому же этот сплав содержит в своем составе дефицитный никель и ниобий.

Высокохромистый чугун, содержащий мас.%: С 1,0-2,5; Сг 10-25; Мо 0,5-1.0; Мп 0,5-2,0; А1 0,1-0.2; В 0.05-0,3: V 0,5-2.5: Sn 0,1-0,3; остальное Fe, также не обеспечивает высокой абразивной стойкости деталей из-за низкого содержания в этом сплаве углерода, а пониженное содержание молибдена (не более 1,0 мас.%) не обеспечивает прокаливаемости отливок с толщиной стенки более 70-100 мм п0и термообработке. Следовательно, в этом чугуне не происходит полного образования наиболее абразиво- стойкой мартенситной структуры. Этот сплав не обладает высокой устойчивостью к высокотемпературному абразивному истиранию и коррозионной стойкостью в агрессивных средах.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является высокохромистый чугун для

X

ГО

ы

«™А

00

износостойких деталей, содержащий в своем составе химические элементы, мас.%: С 2,6-3,5; Сг 12-30; Si 0,3-1,0; Мп 0,4-5,5; В 0,001-0.15; Мо 0,6-3,5; Ti 0,1-0,8; V 0,5-5,5; Те 0,001-0,06; РЗМ 0,001-0,25; Be 0,001- 0,30; остальное Fe.

Углерод - обязательный компонент, способствующий образованию износостойкой карбидной структуры чугуна;

кремний - сопутствующий элемент износостойких чугунов, при увеличении содержания кремния более 1,5-2 мас.% снижается твердость, а во многих случаях и износостойкость высокохромистого чугуна;

хром - основной легирующий элемент износокоррозионностойких сплавов, способствующий получению износостойкой структуры в чугунах за счет образования собственных карбидов и легирования металлической матрицы, а также повышающий прочность, твердость и коррозионную стойкость сплавов;

марганец - стабилизирующий элемент, эффективно воздействующий на свойства и структуру чугуна за счет легирования металлической основы и замещения железа в карбидах хрома, а также улучшающий прокаливаемость чугунных отливок;

молибден - необходимый элемент в высокохромистых износостойких чугунах. способствующий повышению прокаливаемости чугунных отливок и образованию мартенсит- ной структуры, наиболее стойкой к абразивному изнашиванию;

ванадий - карбидообразующий элемент, способствующий повышению твердости и абразивной износостойкости чугуна;

редкоземельные металлы - рафинирующие элементы;

бор - элемент, повышающий твердость сплавов;

теллур - поверхностно-активный элемент, препятствующий образованию в чугуне крупных карбидов и тем самым способствующий повышению износостойкости чугуна;

бериллий - элемент, способствующий образованию мелкозернистой равномерно распределенной структуры чугуна;

титан - элемент, способствующий образованию мелкозернистой структуры чугуна.

Известный чугун имеет следующие недостатки.

Сплав в своем составе содержит остродефицитный и дорогостоящий бериллий, а также имеет высокое содержание хрома и марганца (соответственно 30 и 5,5 мас.% по верхнему пределу), что вызывает существенное снижение эксплуатационных свойств сплава. Так, при содержании хрома

более 25% износостойкость высокохромистого чугуна резко падает из-за образования в его структуре грубых включений заэвтектических карбидов хрома, а при содержании марганца более 4% образуется мягкая аустенитная основа чугуна, имеющая низкую стойкость к абразивному истиранию.

Цель изобретения - повышение збра0 зивной износостойкости чугуна в агрессивной среде при температурах 293-773 К.

Исследования по изучению влияния элементов на износостойкость в широком интервале температур, коррозионную стой5 кость в агрессивных средах, а также механические свойства позволяют определить оптимальные пределы легирования чугуна. Поставленная цель достигается тем, что чугун содержащий углерод, кремний, хром,

0 марганец, молибден, ванадий, бор, железо и теллур, дополнительно содержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%; углерод 2,5-3,5; кремний 0,5-1,5; хром 15,0-25,0; марганец. 2,55 4,0; молибден 1,0-3,0; ванадий 1,0-3,0; бор 0,05-0,30; алюминий 0,06-0,15; теллур 0,06- 0,13; висмут 0,04-0,12; железо остальное, причем суммарное содержание теллура и висмута составляет 0,10-0,25.

0 В предлагаемом составе алюминий, являясь активным раскислителем и дегазатором, полностью исключает применение в составе чугуна дефицитных и дорогостоящих РЗМ, при этом алюминий измельчает

5 зерно металлической матрицы, повышает плотность и механические свойства чугуна. Теллур и висмут являются сильными поверхностно-активными элементами. Эти элементы, вводимые в чугун в виде химического

0 соединения BlaTea теллурида висмута), взаи- моусиливают свои поверхностно-активные свойства и тем самым наиболее эффективно измельчают зерно металлической матрицы, способствуют образованию в структуре чугу5 на большого количества равномерно распределенных карбидов, препятствуют росту крупных карбидов и тем самым способствуют существенному повышению износостойкости чугуна в отливках.

0 Теоретическое обоснование влияния теллура и висмута на достижение цели изобретения заключается в следующем.

Теллур и висмут, являясь сильнодействующими поверхностно-активными элемен5 тами, оказывают существенное влияние на процесс кристаллизации жидких металлов и сплавов.

Влияние поверхностно-активных элементов на кристаллизацию имеет следующий характер. Атомы (ионы) элементов.

поверхностно-активных по отношению к зарождающимся из расплава твердым фазам, адсорбируются (хемосорбируются) по механизму внутренней адсорбции на центрах кристаллизации, скапливаясь при этом на их поверхности. Такое скопление поверхностно-активных элементов на границах раздела жидкой и твердой фаз выполняет роль своеобразных барьеров-регуляторов для атомов кристаллизующейся из расплава твердой фазы.

В результате такой регуляции существенно затрудняется роет центров кристаллизации при охлаждении жидкого сплава и твердая фаза выпадает в виде многочисленных равномерно распределенных включений. Следовательно, поверхностно активные элементы могут как препятствовать росту отдельных фаз, так и способствовать образованию в сплавах мелкозернистой структуры. Так, например, теллур и висмут используются в производстве ковкого чугуна. Малые добавки этих элементов в жидкий чугун препятствуют образованию графитных включений и обеспечивают получение сквозного отбела в отливках, измельчают структуру чугуна.

Решающее влияние на износостойкость хромистых чугунов оказывают карбиды хрома, их размеры, форма и распределение. При трении крупные карбиды хрома легко, .выкрашиваются из металлической матрицы, поэтому грубые включения карбидов хрома, например заэвтектического типа, резко снижают износостойкость хромистого чугуна, Небольшие присадки теллура и висмута (до 0,15-0,25%) препятствуют.образованию в этих чугунах грубых карбидов, измельчают карбидные включения, обеспечивают их равномерное распределение в металлической матрице и тем самым способствуют существенному повышению износостойкости предлагаемого сплава. Причем при совместном введении в жидкий чугун теллура и висмута наблюдается взаимное усиливание их поверхностно-активных свойств и тем самым взаимно усиливается благоприятное воздействие этих элементов на структуру и свойства износостойкого чугуна.

Висмут-металл V подгруппы периодической системы Менделеева с т.пл. 271°С, т. кип. 1560°С, выпускается промышленностью в виде слитков. В связи с достаточно высокой температурой кипения применяется в литейном производстве для присадки в жидкий чугун в чистом виде.

Теллур-металлоид VI подгруппы периодической системы с т.пл. 450°С и т.кип. 990°С. Теллур действует на сплавы железа, как и висмут. В литейном производстве применяется как порошкообразный, так и металлический теллур. В связи с более низкой температурой кипения (следовательно, и упругостью паров) по сравнению с висмутом 5 процент усвоения теллура зависит от способа ввода в жидкий металл.

Так на Московском автомобильном заводе им. Лихачева (ЗИЛ) при производстве ковкого чугуна вместо висмута используется

0 теллур в виде отпрессованных прутков диаметром 30 мм, состоящих из 50% порошкообразного теллура и 50% медного порошка. При этом процент усвоения теллура жидким чугуном составляет 50-60%. Процент усвое5.ния теллура сплавами железа повышается до 70-80%, если используют теллур в виде теллуроидов, имеющих более высокую температуру плавления, чем чистый теллур. Поэтому используют лигатуру, содержащую

0 48% Bi, 52 % Те и состоящую в основном из химического соединения BiaTea. При разработке нового состава износостойкого чугуна производят ковшевую присадку в жидкий металл тугоплавкого теллуроида висмута,

5 имеющего т.пл. 858 К, при этом усвоение теллура и висмута жидким чугуном, составляет 70-80%.

Содержание хрома в количестве 15,0- 25,0% обеспечивает сочетание высокой аб0 разивной износостойкости в широком интервале температур и коррозионной стойкости чугуна в агрессивных средах.

Оптимальное содержание марганца в количестве 2,5-4,0% против 0,4-5,5% обес5 печивает получение в высокохромистом чугуне высокой твердости, прочности, износостойкости и коррозионной стойкости за счет образования легированной марганцем мартенситной структуры. Так как при

0 содержании в высокохромистом чугуне до 1,0-1,5% марганца не обеспечивается требуемая прочность сплава и коррозионная стойкость, а при содержании более 4,0% марганца образуется аустенитная основа

5 чугуна, имеющая низкую стойкость к абразивному износу.

Содержание углерода в количестве 2,5- 3,5% обеспечивает получение высокой твердости и износостойкости чугуна за счет

0 образования в его структуре большого количества карбидов и пересыщенной по углероду металлической матрицы.

Бор в количестве 0,05-0,30% способствует повышению износостойкости и твердо5 сти чугуна.

Содержание молибдена в количестве 1,0-3,0% обеспечивает.хорошую прокали- ваемость чугуна в массивных отливках и образование мартенситной металлической основы, повышает абразивную износостойкость, коррозионную стойкость и механические свойства.

Ванадий в оптимальном количестве 1,0-3.0% совместно с приведенным содержанием молибдена способствует повышению коррозионной стойкости, износостойкости и механических свойств чугуна, обеспечивает равномерное распределение карбидов по сечению отливки.

Приведенное содержание марганца, молибдена и ванадия в сочетании с алюминием, теллуром и висмутом также полностью исключает применение в составе чугуна титана, остродефицитного и дорогостоящего бериллия, при этом обеспечивается более высокая абразивная и коррозионная стойкость предлагаемого сплава при 293-773 К.

Пример. Для повышения усвоения чугунным расплавом теллура и висмута до 70-80% против 30-60% усвоения при раздельном использовании этих элементов в жидкий чугун теллур и висмут вводят в виде тугоплавкого химического соединения , содержащего, мас.% Вi 40-48 и Те 60-52. Для этого специально в печи сопротивления выплавляют теллурид висмута . При этом берут измельченные исходные шихтовые компоненты, мас.%: висмут (марки Ви 1 ГОСТ 10928-75) 48 и теллур (марки Т 1 ГОСТ 17614-72) 52, которые затем смешиваются и загружаются в алундовый тигель. Для получения соединения ВЬТез алундовый тигель с шихтой помещают в печь сопротивления и медленно нагревают до 623 К, после чего проводят выдержку плавящейся шихты при этой температуре в течение 1 ч. Затем идет дальнейший нагрев до 870 К и выдержка расплава при этой температуре в течение 1,5ч.

Расплав образовавшегося, химического соединения BiaTea разливают в металлические формочки для кристаллизации. После этого полученный теллурид висмута используют в качестве модифицирующей присадки при выплавке износостойкого высокохромистого чугуна. Выплавку теллурида висмута ведут под слоем защитного флюса NaCt t KCI (1:1), по ходу плавки проводят периодическое перемешивание расплава палочкой из кварцевого стекла. Температуру расплава контролируют платино-плати- нородиевой термопарой погружения.

Выплавку износостойкого чугуна осуществляют в тигельной индукционной печи ИСТ-016 с основной футеровкой. Исходная шихта - передельный чугун марок П 1 и П 2 (ГОСТ 805-80); феррохром ФХ010А (ГОСТ 4757-79); ферромарганец ФМн 75 (ГОСТ 4755-80), ферромолибден ФМо(ГОСТ 4759- 79); феррованадий ФВдЗБ А (ТУ 14-5-98-78);

алюминий АВ 97 (ГОСТ 295-73); ферробор ФБо (ГОСТ 14848-69); теллурид висмута , а также ферротитан Ти 1 (ГОСТ 4761- 67); лигатура ФЦЦ-6 (содержащая, мас.%:

Се 40-50; La 18-25; Mb 10-12; Pr 5-7; Mg 5-7; Fe не более 10; бериллий технический; теллур технический Т 1 (ГОСТ 17614-72); стальной лом; возврат собственного производства и электродный бой.

0 Феррованадий и ферротитан вводят в печь за 5-10 мин до выпуска металла из печи. Алюминий вводят в жидкий чугун перед выпуском, а теллур и висмут подают а разливочный ковш в виде тугоплавкого хи5 мическогр соединения BiaTea (теллурида висмута). Температура перегрева чугуна в печи составляет 1723-1773 К. Температура заливки расплава в песчано-глинистые формы 1573-1603 К.

0

Отливают образцы размером 16 х 16 х 50 мм для испытания на коррозионную стойкость и износ при 293-773 К, цилиндрические пробы диаметром 30. мм и длиной 340

5 мм для определения предела прочности на изгиб и твердости по шкале HRC, а также массивные отливки перемешивающего устройства сульфат-соляной печи химического завода для работы в условиях высокотемпе0 ратурного абразивного износа в агрессивной среде хлористого водорода.

Для экспериментальной проверки испытаны пять составов износостойкого чугуна и состав известного чугуна.

5 В табл. 1 приведено содержание химических элементов в чугунах различного состава.

В табл. 2 приведены результаты испытаний чугунов различных составов.

0 В табл. 1 и 2 обозначено: 1 - состав, имеющий значения содержания компонентов ниже нижнего предела; 2-состав, имеющий значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы,

5 по нижнему пределу; 3 - состав, имеющий оптимальные значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы; 4 - состав, имеющий значения содержания компонентов, указанных в от0 личительной части формулы, по верхнему пределу; 5 - состав, имеющий значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы, выше верхнего предела; б - состав известного чугуна.

5

Произведена сравнительная оценка комплекса свойств известного и предлагаемого составов чугуна: предел прочности на изгиб, твердость по шкале HRC в сыром состоянии, износостойкости при температуpax 293-773 К, коррозионной стлйкости в концентрированной соляной и серной кислотах,о

Износостойкость литых образцов из предлагаемого износостойкого чугуна и из- вестного в широком интервале температур и повышенных давлениях определяют на установке, в основу которой заложен принцип торцового трения. Данная установка позволяет выявить сплавы с прочной метал- лической основой при различных температурах по устойчивости геометрических размеров (гравюры) образцов, а также определить их износостойкость при трении о контроле при постоянном удельном давле- нии. Сильная деформация образца в зоне трения при выбранной температуре испытания свидетельствует о наличии мягкой фер- ритно-перлитной или аустенитной основы (матрицы) в сплаве, которая имеет низкою стойкость при абразивном изнашивании.

Прочная металлическая основа высокохромистого чугуна в сочетании с равномерно распределенными мелкими и средними включениями карбидной фазы обеспечивает высокую абразивную износостойкость легированного чугуна.

Испытания образцов на износ проводят при 293 и 773 К при удельном давлении на образец 100 (VIПа.

Цикличность испытания образцов следующая: нагрузка на вращающийся образец при контакте с контртелом в нагретой зоне трения при заданном удельном давлении; выдержка образца под нагрузкой в течение 60 с, разгрузка и вывод образца из зоны трения и охлаждение образца на воздухе в течение 30 с, а затем следующее повторение цикла. Количество испытаний для каж- дого образца равно пяти испытаниям.

Коррозионную стойкость определяют по потере массы ускоренным методом с выдержкой образцов одинакового размера в концентрированных соляной и серной кис- лотах в течение 24 ч.

Взвешивание образцов до и после испытаний на износ и коррозию проводят на аналитических весах ВЛА-200-М.

Анализ полученных результатов исследования известного и предлагаемого составов износостойкого чугуна показывает следующее. Сплавы 1,3 и 4 имеют высокую коррозионную стойкость в среде и наибольшую износостойкость при 293 и 773 К, а также хорошо держат гравюру при этих температурах. Сплав 1 имеет удовлетворительную износостойкость при высоких температурах, но сильно корродирует в концентрированной соляной кислоте. Сплав 5 имеет низкую износостойкость и плохо держит гравюру при 293 и 773 К.

Все это позволяет считать концентрационный интервал легирующих элементов в предлагаемом износостойком чугуне оптимальным (сплавы 2, 3 и 4).

Показатели свойств известного чугуна по сравнению с предлагаемым износостойким чугуном с оптимальным содержанием легирующих элементов.

Формула изобретения Чугун, содержащий углерод, кремний, хром, марганец, молибден, ванадий, бор, теллур и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения абразивной износостойкости в агрессивной среде при температурах 293-773 К, он дополнительно содержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мае. %: Углерод2,5-3,5

Кремний0,,5

Хром15,0-25,0

Марганец2,5-4,0

Молибден1,0-3,0

Ванадий1,0-3,0

Бор0,05-0,30

Алюминий0,06-0,15.

Теллур0,06-0,13

Висмут0,04-0,12

ЖелезоОстальное

причем суммарное содержание теллура и висмута .составляет 0,10-0,25.

Таблица 1

Примечание. В числителе - потеря массы испытуемого образца на 5 циклов при 293 К, в знаменателе - при 773 К.

Продолжение табл1.

Таблица 2,