Износостойкий чугун

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойкому чугуну, используемому для изготовления лопаток дробеметных аппаратов, деталей шаровых мельниц и др. Сущность изобретения: износостойкий чугун содержит углерод, кремний, марганец, хром, ванадий и железо, отличается тем, что он дополнительно содержит алюминий и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,0 - 3,0, кремний 0,5 - 1, марганец 16 -25, хром 5 - 10, алюминий 1,5 - 3, титан 0,2 - 0,3, ванадий 0,2 - 0,3, железо - остальное. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к изысканию составов чугунов, характеризующихся высокой износостойкостью применяемых для изготовления лопаток дробеметных аппаратов деталей шаровых мельниц и т.д.

Известны износостойкие чугуны, используемые для отливок деталей металлургического, машиностроительного и другого оборудования, содержащее такие легирующие элементы, как марганец, медь, хром, азот и железо. Однако химический состав указанных чугунов не обеспечивает получение аустенитной структуры, и наличие термообработки как обязательной операции приводит к разложению карбидов и образованию углерода отжига, что значительно ухудшает их износостойкость в условиях износа и истирания, например, для мельничных шаров, роликов, бандажей дробильных валков, лопаток дробеметных аппаратов.

Известен чугун [1]следующего состава, вес.

Углерод 2,1 2,7 Хром 8 14 Кремний 1,5 2,0 Алюминий 0,2 0,3 Марганец 10 16 Бор 0,002 0,003 Железо Остальное Чугун имеет следующие свойства: Предел прочности при разрыве, кгс/мм² 30 35 Предел прочности при изгибе, кгс/мм² 45 55
Твердость HRC 40 45
Недостатком известного чугуна является низкий уровень механических свойств.

Известен чугун [2] следующего химического состава, вес.

Углерод 1,6 3,0
Хром 5,0 12,0
Кремний 0,15 2,0
Бор 0,1 0,5
Марганец 5,0 15,0
Титан 0,2 1,0
Железо Остальное
Чугун в литом состоянии имеет следующие свойства:
Предел прочности при изгибе, кгс/мм² 106,8
Стрела прогиба при расстоянии между опорами 300 мм, мм 6,9
Твердость HRC 3,6
Недостатком такого чугуна является низкая твердость.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является чугун следующего химического состава [3] вес.

Углерод 2,2 3
Хром 0,2 0,5
Кремний 0,6 1,8
Никель 0,2 0,5
Марганец 1 14
Ванадий 0,2 0,35
Железо Остальное
Достаточно низкие механические свойства, недостаточно высокая твердость и способность к наклепу зерен металла ограничивают его применение в условиях ударно-абразивного износа.

Это обусловлено тем, что лигирование марганцем чугунов с определенным содержанием углерода и кремния вызывает появление в его составе эвтектики карбидной кремнесодержащей фазы силикокарбида. Пониженное содержание марганца и кремния в чугуне приводит к уменьшению доли силикокарбида в участках тройной эвтектики и к увеличению в микроструктуре доли кристаллов избыточного аустенита и ледебурита, что отрицательно сказывается на микротвердости основной металлической матрицы. Кроме того, указанное количество марганца не обеспечивает в полной мере перехода решетки марганцовистого аустенита из кубической формы в гексагональную с более плотной упаковкой атомов, что приводит в конечном итоге к заниженному количеству твердых зерен в металлической основе и к увеличению возможности их перемещения.

При изготовлении известного чугуна можно повысить механические свойства материала, создать условия для получения хорошей воспроизводимости марганцовистого аустенита к наклепу, поскольку последний имеет значение для увеличения износостойкости только тогда, когда созданные в процессе работы наклепанные места все время заменяются новыми, и уменьшить свободную деформацию основы.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение механических свойств и износостойкости.

Для ее решения в известный чугун, в состав которого входят углерод, кремний, марганец, хром и железо, дополнительно вводят алюминий, титан и ванадий при следующем соотношении компонентов, вес.

Углерод 2 3
Хром 5 10
Кремний 0,5 1
Алюминий 1,5 3
Марганец 16 25
Титан 0,2 0,3
Ванадий 0,2 0,3
Железо Остальное
После выплавки в индукционной высокочастотной печи получают чугун, который обладает следующими свойствами:
Предел прочности на изгиб, кгс/мм² 57 59
Стрела прогиба f₃₀₀, мм 3,0 4,2
Твердость по Роквеллу 62,8 67,0
Износостойкость, мг 19,1 24,2
Стойкость при работе в дробеметном аппарате модели 323, ч 315 380
Полученные результаты приведены в таблице. Для сравнения в таблице приведены состав и свойства известного чугуна. Из приведенных в таблице данных видно, что механические и эксплуатационные свойства предлагаемого чугуна превосходят те же показатели известного чугуна. Это дает возможность изготавливать из предлагаемого чугуна детали, обладающие повышенной надежностью и долговечностью в работе.

Получение требуемых свойств достигается лишь при определенном процентном соотношении компонентов чугуна.

Так наличие в чугуне 16,0 25,0% Mn изменяет условия равновесия системы Fe-C-Si таким образом, что в процессе кристаллизации на образование аустенита расходуется меньшее количество кремния, а высвободившийся кремний при его объемном количестве 0,5 1,0% и содержании 2,0 3,0% углерода вызывает формирование силикокарбида в достаточном количестве, что способствует увеличению количества тройной эвтектики и повышению в конечном итоге микротвердости матрицы. К тому же используется полностью эффект замещения железа марганцем в силикокарбиде, что приводит к повышению твердости этой структурной составляющей. Указанное количество марганца также обеспечивает переход решетки марганцовистого аустенита в гексагональную форму, что благоприятно сказывается на микротвердости и воспроизводимости к наклепу металлической основы.

Введение титана в чугун приводит к измельчению графита и образованию карбидов, равномерно распределенных в ферритной основе и по границам зерен. Это дает возможность хрому как менее активному карбидообразующему элементу по сравнению с титаном частично образовывать карбиды и дополнительно легировать металлическую матрицу, предохраняя ее от окисления.

Содержание кремния в указанных пределах определяет точку образования и стабильного существования вьюститной фазы FeO до 900^oC, cоздается высокозащитный окисный слой Fe₂SiO₄·SiO₂, замедляется процесс диффузии активных газовых составляющих через окисный слой к границе раздела матрица-окисная пленка, обеспечивая кроме всего прочего и высокую жаростойкость.

Комплексное содержание в чугуне основных элементов (углерода, кремния и марганца) в указанных пределах определено из практики производства износостойких чугунов с повышенными упругопластичными свойствами и со стабильной структурой. При изменении содержания предельных количеств указанных элементов снижаются стабильность структуры чугуна и его удароустойчивость, увеличивается ликвация. Углерод, кремний и марганец в указанных пределах обеспечивают затвердение по стабильной системе.

Наличие в составе чугуна ванадия способствует получению стабильной перлитоферритной структуры, устраняет образование крупнозернистой структуры, препятствует выделению крупных включений графита, что положительно сказывается на повышении плотности и снижении предусадочного расширения. Превышение содержания ванадия выше верхнего предела приводит к образованию прочных карбидов, нормализация которых практически неосуществима.

Содержание ванадия ниже нижнего предела приводит к выделению в чугуне крупных графитовых включений, способствующих увеличению предусадочного расширения и соответственно понижению плотности чугуна.

Углерод, кремний и алюминий в составе чугуна выполняют роль графитизирующих элементов. Они устраняют образование карбидов при кристаллизации чугуна. Алюминий выполняет также и функции раскислителя.

Повышение прочностных характеристик предлагаемого чугуна по сравнению с известным (предела прочности на изгиб, стрелы прогиба, твердости по Роквеллу) и повышение износостойкости и эксплуатационной стойкости позволяют получить более качественные отливки рабочих деталей дробеметных аппаратов, в частности лопаток. Кроме того, использование полученного чугуна взамен известного дает экономический эффект, исходя из расходов на материалы, заработной платы (основной и дополнительной) производственных рабочих, цеховых расходов на содержание и эксплуатацию оборудования, а также стоимости замены и монтажа лопаток при работе на проходной дробеметной камере мод. 323.

Технология выплавки указанного чугуна не меняется по сравнению с технологией, используемой для известного сплава.

Формула изобретения

Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий и титан при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 2,0 3,0
Кремний 0,5 1,0
Марганец 16 25
Хром 5 10
Алюминий 1,5 3,0
Титан 0,2 0,3
Ванадий 0,2 0,3
Железо Остальное2

РИСУНКИ

Рисунок 1