Износостойкий чугун

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, работающим в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания. Целью изобретения является повышение ударной вязкости и ударно-абразивной износостойкости. Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром и алюминий, дополнительно содержит кальций, церий и барий при следующем соотношении компонентов, мас. % : C 3,2 - 4; Si 1,2 - 2; Mn 8,2 - 12; Cr 3 - 6; Al 0,4 - 1,2; Ca 0,01 - 0,05; Ce 0,01 - 0,04; Ba 0,005 - 0,015; Fe остальное. Чугун в литом состоянии имеет структуру, состоящую из аустенитной металлической основы и карбидов типа (Fe,Mn)₃C и (Fe, Cr)₃C, причем превращение метастабильного аустенита в мартенсит, сопровождающееся выделением избыточных дисперсных карбидов, вызываемое ударно-абразивным воздействием в поверхностном слое, обуславливают повышение ударно-абразивной износостойкости. Использование заявляемого технического решения позволяет значительно повысить срок службы деталей, работающих в условиях абразивного и ударно-абразивного износа. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, работающим в условиях абразивного и ударно-абразивного изнашивания.

Известен износостойкий чугун (ГОСТ 7769-82), содержащий, мас. % : углерод 3-3,8 марганец 6-8 хром 3-5 кремний 1,4-2,0 никель 1,0 железо остальное Недостатками известного чугуна являются невысокая ударная вязкость и низкая ударно-абразивная износостойкость.

Известен износостойкий чугун [1] , содержащий, мас. % : углерод 2,5-3,8 кремний 1,1-3,5 марганец 5,5-12,0 хром 1,5-4,0 бор 0,05-0,3 титан 0,1-0,2 железо остальное Недостатками известного чугуна являются относительно невысокие ударная вязкость и стойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания.

Наиболее близким по составу и технической сущности к предлагаемому является износостойкий чугун [2] , содержащий, мас. % : углерод 2,2-3,0 кремний 0,2-1,0 марганец 16-19 хром 3-6 никель 0,5-1,0 алюминий 0,5-1,0 ванадий 0,2-0,5 титан 0,05-0,2 железо остальное Известный чугун обладает достаточно высокой стойкостью в условиях абразивного изнашивания. Однако ударная вязкость и ударно-абразивная износостойкость его относительно невысоки.

Целью изобретения является повышение ударной вязкости и ударно-абразивной износостойкости.

Техническим результатом при использовании изобретения является получение в металлической основе аустенита оптимальной степени стабильности.

Цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром и алюминий, дополнительно содержит кальций, церий и барий при следующем соотношении компонентов, мас. % : углерод 3,2-4,0 кремний 1,2-2,0 марганец 8,2-12,0 хром 3-15 алюминий 0,4-1,2 кальций 0,01-0,05 церий 0,01-0,04 барий 0,005-0,015 железо остальное Структура заявляемого чугуна состоит из аустенитной металлической основы и карбидов типа (Fe, Mn)₃C и (Fe, Cr)₃C. Рафинирование границ зерен введением кальция, церия и бария и аустенитная металлическая основа обеспечивают повышение ударной вязкости. Превращение метастабильного аустенита в мартенсит, сопровождающееся выделением избыточных дисперсных карбидов, вызываемое ударно-абразивным воздействием в поверхностном слое, обусловливают повышение ударно-абразивной износостойкости.

Анализ известных составов чугунов показал, что содержание некоторых введенных в состав заявляемого чугуна элементов известно, например, углерода, марганца, хрома и т. д. Однако применение этих концентраций указанных компонентов в известных чугунах не обеспечивает последним такие свойства, которые они проявляют в совокупности с новыми компонентами в заявляемом техническом решении (Ca, Ce, Ba), а именно повышение ударной вязкости и ударно-абразивной износостойкости. Таким образом, предложенные совокупность и концентрации легирующих элементов придают изобретению новые качества, а именно повышенные ударную вязкость и ударно-абразивную износостойкость.

При уменьшении содержания углерода ниже 3,2 мас. % уменьшается количество карбидной фазы, что снижает износостойкость чугуна. При более высоком чем 4,0 мас. % содержании углерода уменьшается ударная вязкость и возможна частичная графитизация чугуна, что также снижает его износостойкость.

При содержании кремния менее 1,2 мас. % снижается жидкотекучесть сплава, а увеличение его концентрации более 2 мас. % вызывает опасность частичной графитизации чугуна, что снижает его износостойкость.

При содержании марганца менее 8,2 мас. % в металлической основе образуется мартенсит, что снижает вязкость чугуна, а при повышении его содержания более 12 мас. % наблюдается чрезмерная стабилизация аустенита, что не позволяет получить эффект дополнительного самоупрочнения поверхности деталей в процессе изнашивания.

При содержании хрома менее 3 мас. % доля карбидов, типа (Fe, Cr)₃C невелика, что не обеспечивает повышения износостойкости, а при его концентрации более 6 мас. % снижается ударная вязкость чугуна.

Введение алюминия способствует измельчению зерна при кристаллизации и в сочетании с выбранной концентрацией марганца формирование аустенитной металлической основы. При содержании алюминия менее 0,4 мас. % этот эффект проявляется недостаточно, а при содержании его более 1,2 мас. % возникает опасность частичной графитизации, что снижает износостойкость чугуна.

Кальций и церий вводятся для уменьшения содержания вредных примесей по границам зерен и улучшения механических и литейных свойств чугуна. Введение кальция в количествах менее 0,01 мас. % малоэффективно, а более 0,05 мас. % заметного роста указанных свойств уже не вызывает. Концентрации церия менее 0,01 мас. % также малоэффективны, а более чем 0,04 мас. % его содержание удорожает чугун.

Введение бария измельчает дендриты, способствует более равномерному распределению эвтектики в междендритных пространствах. Это увеличивает ударную вязкость и износостойкость чугуна. Содержание бария менее 0,005 мас. % малоэффективно, а при концентрациях больших 0,015 мас. % (в сочетании с предложенной концентрацией кальция и церия) дальнейшее повышение свойств уже не наблюдается.

Таким образом заявляемая совокупность и содержание легирующих элементов позволяют повысить ударную вязкость и ударно-абразивную износостойкость чугуна.

Предложенные составы чугунов были выплавлены и испытаны в лабораторных условиях Мариупольского металлургического института. Выплавка производилась в индукционной печи средней частоты ДСП 006 с кислой кварцитовой футеровкой тигля. Разливка чугуна производилась при 1400-1450^оС в просушенные и прогретые песчано-глинистые формы.

Испытания на ударную вязкость производили на образцах размерами 10 х 10 х 55 мм на маятниковом копре МК-30 по стандартной методике.

Испытания чугунов на ударно-абразивное изнашивание проводилось на специальной установке, имитирующей работу быстроизнашивающихся деталей дробеметов. Принцип действия установки основан на ударно-абразивном изнашивании испытуемых образцов, вращаемых в горизонтальной плоскости в абразивной среде - смеси дроби (стальной или чугунной) с песком. Образцы закреплялись на рабочем валу, расположенном вертикально и соединенном с валом электродвигателя, развивающего 2850 об/мин, мощностью 1,5 кВт. За эталон был принят серый чугун СЧ18 твердостью HRC 15.

Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.

Сравнение свойств чугунов показывает, что предлагаемый чугун оптимального состава (плавка III) обладает в 1,2 раза большей ударной вязкостью и износостойкостью в условиях ударно-абразивного износа, чем чугун состава-прототипа.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в экономии металла и снижении эксплуатационных затрат за счет увеличения долговечности деталей, изготовляемых из предложенного чугуна.

Формула изобретения

ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, алюминий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кальций, церий и барий при следующем соотношении компонентов, мас. % : Углерод 3,2 - 4,0 Кремний 1,2 - 2,0 Марганец 8,2 - 12,0 Хром 3 - 6
Алюминий 0,4 - 1,2
Кальций 0,01 - 0,05
Церий 0,01 - 0,04
Барий 0,005 - 0,015
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1