Чугун Советский патент 1992 года по МПК C22C37/08 

Изобретение относится к металлургии, в частности к изысканию износостойких чу- гунов для работы в средах, загрязненных абразивными частицами при температурах от +20 до -60°С и используемых для деталей технологической оснастки.

Известен чугун, содержащий, мас.%: Углерод2,8-3,6

Кремний1,4-2,6

Марганец0,8-1,6

Иттрий0,06-0,12

Цирконий0,05-0,15

Редкоземельные металлы0,08-0,2 ЖелезоОстальное Твердость известного чугуна 205-233 НВ, предел прочности 250-300 МПа. Отливки из этого чугуна имеют низкие характеристики ударной вязкости (0,1-0,3 МДж/мм ), вязкости разрушения до 200 кгс/мм 3/2 и относительного удлинения (до 3%).

Известен износостойкий чугун, содержащий, мас.%:

Углерод2,8-3,8

Кремний1,5-2,5

Марганец0,4-2,2

Фосфор0,2-0.8

СераДо 0,12

Медь0,3-1,5

КальцийДо 0,01

ЖелезоОстальное

Этот чугун может содержать до 0,8 мас.% молибдена, до 0,8 мас.% хрома и до 0,5 мас.% ванадия.

Этот чугун имеет низкие характеристики износостойкости, прочности, плотности,

нестабильными упругопластическими свойствами в литых изделиях при отрицательных температурах. При работе в средах с абразивом чугун имеет низкую стойкость и недостаточную ударную вяз- кость (до 0,6 МДж/м2).

Наиболее близким к предложенному является чугун следующего химического состава, мас.%:

Углерод1,8-3,6

Кремний1,8-3,6

Марганец0,1-0,4

Никель0,05-0,50

Медь0,05-0,50

Магний0,02-0,06

Кальций0,001-0,05

По крайней мере один элемент из группы, содержащей церий и лантан0,01-0,15

Иттрий0,001-0,10

Цирконий0,01-0,10

ЖелезоОстальное

Известный чугун обладает следующими свойствами: временное сопротивление 500-650 МПа; ударная вязкость 1,1-1,6 МДж/м2; вязкость разрушения, Kic,

200-365кгсмм --|- при 20°С 120-195 при

10°С; эксплуатационная стойкость в средах, загрязненных абразивными частицами при 20°С, 14-26мг/гс.

Недостатками этого чугуна являются низкие характеристики вязкости разрушения и эксплуатационной стойкости, особенно при отрицательных температурах.

Цель изобретения - повышение эксплуатационной стойкости и вязкости разрушения при температурах +20...-60°С.

Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, медь, цирконий, магний, кальций, по крайней мере один элемент из группы, содержащей церий и лантан, иттрий и железо, дополнительно содержит титан, бор, карбонитриды хрома и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод3,65-4,2

Кремний1,8-2,5

Марганец0,5-1,5

Никель0,2-0,7

Медь 0,02-0,15

Титан0,005-0,3

Цирконий0,002-0,06

Магний0,02-0,06

Кальций0,02-0,06

По крайней мере один элемент из группы, содержащей церий, лантан 0,02-0,05 Иттрий0,002-0,03

5

0

0

0

5

5

0

5

0

5

Бор0,002-0,03

Карбонитриды хрома 0,03-0,65 Барий0,006-0,05

ЖелезоОстальное

Существенными отличиями предложенного чугуна является введение титана, бора, карбонитридов хрома и бария, которые значительно повышают эксплуатационную стойкость литых деталей в абразивных средах при температурах до -60°С и обеспечивают необходимую вязкость разрушения. Оптимальными концентрациями, обеспечивающими существенное повышение эксплу- атационной стойкости и вязкости разрушения при +20...-60°С, являются следующие: титана 0,005-0,3 мае. %; бора 0,05- 0,3 мас.%; карбонитридов хрома 0,03-0,65 мас.% и бария 0,006-0,05 мас.%.

В предложенном чугуне повышено содержание марганца до 0,5-1,5 мас.%, который обеспечивает повышение вторичной твердости, технологической пластичности, вязкости разрушения, эксплуатационной стойкости при сохранении ударной вязкости на высоком уровне. При суммарной концентрации марганца и никеля более 2,2 мас.% снижается вязкость разрушения.

При концентрации марганца до 0,5 мас.% вязкость разрушения и эксплуатационная стойкость при +20...-60°С недостаточны, а при увеличении содержания марганца более 1,5 мас.% увеличивается отбел, снижаются упругопластичес ие свойства и вязкость разрушения при отрицательных температурах.

Дополнительное введение титана в количестве 0,005-0,3 мас.% упрочняет матрицу при отрицательных температурах, микролегирует металлическую основу, повышает стабильность структуры и сопротивляемость межкристаллитной коррозии, что обеспечивает повышение прочностных свойств и эксплуатационной стойкости при + 20...-60°С. При содержании титана до 0,005 мас.% твердость, прочность, вязкость разрушения при отрицательных температурах, сопротивляемость коррозии и эксплуатационная стойкость матрицы недостаточны, а при увеличении концентрации титана более 0,3 мас.% снижаются вязкость разрушения и стабильность твердости, динамической прочности и стойкости чугуна в отливках при воздействии абразивных сред. Карбонитриды хрома в количестве 0,03-0,65 мас.% являются тугоплавкими микролегирующими дгбавками, повышающими твердость мета тической основы и ее стабильность при отрицательных температурах, упрочняя металлическую

основу и способствуя повышению сопротивляемости износу и кавитации. Содержание карбонитридов хрома принято от концентрации 0,03 мас.%, при которой достигается существенное повышение твердости и эксплуатационной стойкости и ограничено концентрацией 0,65 мае. %, выше которой отмечается увеличение содержания неметаллических включений и снижаются ударная вязкость и вязкость разрушения. Барий (0,006-0,05 мас.%) обеспечивает повышение дисперсности и пластичности матрицы, механизм действия которого проявляется в образовании поверхностно-активной пленки на растущих кристаллах, неметаллических включениях и графите, повышении вязкости разрушения и упругопластических и эксплуатационных свойств. Содержание бария определено экспериментально. При его концентрации до 0,006 мас.% повышение вязкости разрушения незначительное, а при концентрации бария более 0,05 мас.% отмечается снижение механических свойств чугуна в отливках, эксплуатационной стойкости при +20...-60°С и служебных свойств.

В предложенном чугуно снижен верхний предел концентрации кремния, так как при более высокой его концентрации укрупняется графит и снижаются эксплуатационная стойкость и вязкость разрушения. Нижний предел содержания углерода повышен доЗ,65 мас.%, так как приуменьшении содержания углерода и дополнительном введении карбонитридов хрома и бора и увеличении содержания марганца увеличивается отбел, в структуре появляется цементит, снижается стабильность структуры, пластических свойств и вязкости разрушения. Содержание меди и циркония, снижающих вязкость разрушения, ограничено 0,02-0,15 и 0,002-0,06 мас.%.

Бор введен как поверхностно-активный модификатор, очищающий границы зерен от неметаллических включений, что способствует повышению вязкости разрушения и эксплуатационной стойкости при отрицательных температурах. При содержании бора до 0,002 мас.% модифицирующий эффект низкий, а эксплуатационные свойства чугуна низкие. При повышении концентрации бора более 0,03 мас.% снижается вязкость разрушения и увеличивается отбел чугуна.

Содержание других микролегирующих и модифицирующих компонентов принято исходя из практики производства износостойких чугунов с повышенными упругопла- стическими свойствами.

Чугун выплавляют в открытых индукционных печах из шихты на основе литейных ЛКЗ и ЛК4 чугунов, передельных чугунов М1 и М2, стального лома, боя электродов, силикобария, ферробора, ферро- титана, карбонитридов хрома и ферросплавов. Дробленные до фракции 0,1-3,0 мм брикеты ферробора и карбонитридов хрома вводят в печь в конце плавки.

Состав ферробора соответствовал марке ФБ13.

Редкоземельные металлы, магниевую лигатуру, ферробарий вводили в подогретые разливочные ковши. Угар бора составил 812 мас.%, карбонитридов хрома 8-10; бария 15-17 и титана 18-21 мас.%.

В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в табл. 2 механические свойства чугунов в отливках. Износ деталей в абразивных средах определяют на литейных моделях на прессовых формовочных машинах высокого давления. Для определения ударной вязкости используют образцы типа 5 и метод испытания на ударный изгиб при комнатной и пониженной температурах.

Как видно из табл. 2, предложенный чугун обладает более стабильными и высокими значениями эксплуатационной стойкости при воздействии абразивных сред, и вязкости разрушения при температурах от + 20 до -60°С, чем базовый чугун.

35

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, медь, цирконий, магний, кальций, итррий, по крайней мере один эле- мент церий и лантан и железо, отличающийся тем, что, с целью повыше.1 ия эксплуатационной стойкости и вязкости разрушения при температурах от + 20 до -60°С, он дополнительно содержит титан, бор, карбонитриды хрома и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод3,65-4.2

Кремний1,8-2,5

Марганец0,5-1,5

Никель0,2-0,7

Медь0,02-0,15

Цирконий0,002-0,06

Магний0,02-0,06

Кальций0,02-0,06

Иттрий0,002-0,03

По крайней мере один элемент

церий и лантан . 0,02-0,05 Титан0,005-0,3

Бор

Карбонитриды хрома

0,002-0,03 0,03-0,65

0,06-0,05 Остальное

Т аб л и ц а 1

Изобретение относится к металлургии, в частности к серым износостойким чугунап с высокими характеристиками эксплуатационной стойкости и вязкости разрушения при температурах от +20 до - 60°С. Цель - повышение эксплуатационной стойкости и вязкости разрушения при температурах от +20 до -60°С. Чугун дополнительно содержит титан, бор, карбонитриды хрома и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 3,65-4,2; кремний 1,8-2,5; марганец 0,5-1,5; никель 0,2-0,7; медь 0,02-0,15; бор 0,,03; цирконий 0,002-0,06; магний 0,02-0,06; кальций 0,02-0,06; по крайней мере один элемент из группы, содержащей церий и лантан 0,02-0,05; иттрий 0,002-0,03; карбонитриды хрома 0,03-0,65; барий 0,006-0,05; титан 0,005-0,3; железо остальное. Кави- тационная стойкость в абразивных средах при температурах от + 20 до -60°С 5,4-13,5 мг/гс. 2 табл. С ята

Таблица 2