Износостойкий чугун

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, используемым для работы в условиях ударно-абразивного изнашивания. Цель повышение ударно-абразивной износостойкости. Износостойкий чугун, содержащий углерод, хром, марганец, кремний, медь и железо, дополнительно легированный церием и кальцием, в литом состоянии имеет мартенситно-аустенитную основу и карбиды Fe₃C₂, Cr₇C₃, (Fe, Cr)₃C, причем метастабильный аустенит при ударно-абразивном воздействии дроби претерпевает в поверхностном слое фазовые превращения, что обеспечивает дополнительное самоупрочнение рабочей поверхности и повышение ударно-абразивной износостойкости. Использование изобретения позволяет значительно повысить срок службы изготовленных из него деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, используемым для работы в условиях ударно-абразивного изнашивания.

Известен чугун [1] содержащий, мас. Углерод 2,8-2,84 Хром 10,35-11,0 Марганец 0,7-0,76 Кремний 0,81-0,82 Никель 0,1-0,16 Молибден 0,39 Медь 1,6 Ванадий Не более 0,3 Теллур Не более 0,005 Железо Остальное Недостатком известного чугуна является невысокая ударно-абразивная износостойкость в среде дроби, а также легирование дефицитными элементами (Mo, V, Ni, Te), что ограничивает возможность использования для изготовления деталей дробеметных аппаратов.

Известен износостойкий чугун [2] содержащий, мас. Углерод 1,3-2,3 Хром 8,0-14,0 Марганец 4,0-7,0 Кремний Не более 0,8 Железо Остальное Этот чугун обладает высокой абразивной износостойкостью. Однако в условиях ударно-абразивного износа в среде дроби его износостойкость невысока.

Наиболее близким по составу и технической сущности к предлагаемому является износостойкий чугун [3] содержащий, мас. Углерод 1,5-3,0 Хром 5,0-10,0 Марганец 1,5-4,0 Кремний 0,6-2,0 Никель 0,5-1,5 Медь 0,5-4,0 Ниобий 0,1-1,0 Железо Остальное Недостатками известного чугуна являются относительно невысокая ударно-абразивная износостойкость в дроби и содержание дефицитных и других легирующих элементов никеля и ниобия, что значительно удорожает чугун.

Целью изобретения является повышение ударно-абразивной износостойкости деталей.

Техническим результатом при использовании изобретения является образование в структуре чугуна карбидов (Fe, Cr)₃C, Cr₃C₂, Cr₇C₃, мартенсита и метастабильного аустенита, который в процессе изнашивания в поверхностном слое претерпевает γ ->> α^I -превращение.

Цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, хром, марганец, кремний, медь и железо, дополнительно содержит церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. Углерод 3,1-3,8 Хром 10,3-14,0 Марганец 4,1-5,0 Кремний 0,5-1,0 Медь 1,7-2,5 Церий 0,05-0,1 Кальций 0,01-0,05 Железо Остальное Предлагаемый чугун имеет аустенитно-мартенситную металлическую основу и карбиды (Fe, Cr)₃C, Cr₃C₂, Cr₇C₃. Аустенитная фаза метастабильна и в процессе ударно-абразивного изнашивания в поверхностном слое претерпевает фазовые превращения, связанные с образованием мартенсита деформации и выделением дисперсных карбидов Сr₂₃C₆ и Сr₇C₃, что обеспечивает дополнительное повышение износостойкости деталей.

Анализ известных составов чугунов показал, что содержание некоторых введенных в состав заявляемого чугуна элементов известно, например, хрома, марганца и др. Однако применение этих концентраций указанных компонентов в известных чугунах не обеспечивает последним такие свойства, которые они проявляют в совокупности с новыми компонентами (церием и кальцием) в заявляемом техническом решении, а именно: повышение ударно-абразивной износостойкости чугуна в дроби, что очень важно для деталей дробеметов.

При содержании углерода ниже 3,1 мас. заметно снижается ударно-абразивная износостойкость вследствие уменьшения количества карбидной фазы. При увеличении его содержания более 3,8 мас. износостойкость также уменьшается в результате появления в структуре крупных заэвтектических карбидов, которые охрупчивают чугун и способствуют выкрашиванию.

При снижении содержания хрома ниже 10,3 мас. износостойкость чугуна уменьшается вследствие образования карбидов преимущественно цементитного типа (Fe, Cr)₃C. Увеличение концентрации хрома более 14 мас. (при выбранном содержании углерода) делает чугун заэвтектическим, содержащим в структуре избыточные крупные карбиды, что вызывает охрупчивание и снижение износостойкости.

Марганец вводится для стабилизации аустенита и получения преимущественно аустенитной металлической основы. При содержании марганца менее 4,1 мас. в структуре увеличивается количество мартенсита и уменьшается доля остаточного метастабильного аустенита, что снижает износостойкость чугуна. Повышение концентрации марганца более 5,0 мас. вызывает чрезмерную стабилизацию аустенита, что снижает эффект поверхностного самоупрочнения в процессе изнашивания и уменьшает износостойкость сплава.

При содержании кремния ниже 0,5 мас. уменьшается жидкотекучесть чугуна, а увеличение его содержания более 1,0 мас. увеличивает его склонность к хрупкому разрушению.

Медь способствует стабилизации аустенита и повышает вязкость и прочность чугуна. Ее содержание менее 1,7 мас. малоэффективно, а увеличение концентрации более 2,5 мас. способствует графитизации и охрупчиванию сплава, что снижает его износостойкость.

Церий и кальций вводятся для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен и улучшения литейных и механических свойств. Добавки церия менее 0,05 мас. малоэффективны, а более 0,1 мас. уже мало влияет на свойства и износостойкость, удорожает чугун.

Введение кальция в малых количествах, менее 0,01 мас. недостаточно для улучшения качества чугуна, а содержание его более 0,05 мас. нецелесообразно, так как это не вызывает заметного роста механических свойств и износостойкости, к тому же это приводит к удорожанию его производства.

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

Экспериментальные составы чугунов были выплавлены в лабораторных условиях Мариупольского металлургического института в индукционной печи ДСП 006 с кислой кварцитовой футеровкой тигля. Металл перегревали до 1450-1500^оС, а разливка осуществлялась при 1400-1450^оС в просушенные и прогретые формы до 150-200^оС песчано-глинистые формы. Отлитые образцы подвергались нормализации от 950-1050^оС и отпуску при 200^оС, 2 ч.

Испытания чугунов предложенных составов проводились на специально сконструированной установке, имитирующей условия работы лопаток дробеметов. Принцип действия установки основан на ударно-абразивном изнашивании испытуемых образцов, вращаемых в горизонтальной плоскости в абразивной среде дроби (стальной или чугунной), используемой в дробеметах. Образцы закреплялись на рабочем валу, расположенном вертикально и навинченном на вал электродвигателя. Вал с образцами располагался в специальном стакане с дробью. Скорость вращения образцов составляла 2850 мин^-1. В процессе работы дробь оказывала ударно-абразивное воздействие на испытуемые образцы. За эталон был принят серый чугун СЧ 18 твердостью НRC 15.

Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.

Сравнение свойств чугунов различных составов показывает, что предлагаемый чугун оптимального состава (III) обладает наибольшей износостойкостью в условиях ударно-абразивного изнашивания в дроби по сравнению с прототипом, что позволяет повысить срок службы изготовляемых из него деталей.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в повышении качества чугуна, экономии металла за счет увеличения эксплуатационной долговечности, а также отсутствии в его составе дефицитных легирующих элементов (Ni, Nb, Mo, V и др.).

Формула изобретения

ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 3,1 3,8 Кремний 0,5 1,0 Марганец 4,1 5,0 Хром 10,3 14,0 Медь 1,7 2,5
Церий 0,05 0,1
Кальций 0,01 0,005
Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1