Чугун

 

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано для изготовления литых деталей, работающих в условиях абразивного износа, коррозии. Предложен чугун, содержащий углерод, хром, молибден, титан, азот, кремний, марганец, кальций и железо, который дополнительно содержит барий и стронций, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 2,4-2,8; хром 23,00-28,00; молибден 0,20-0,47; титан 0,18-0,25; азот 0,12-0,25; кремний 0,40-0,80; марганец 0,40-0,80; кальций 0,015-0,25; барий 0,015-0,25; стронций 0,08-0,15; железо и примеси остальное, при этом отношение хрома к углероду составляет 8,2-11,0, а отношение титана к азоту составляет 0,7-2,0. Изобретение позволяет получить чугун с высокой абразивной и коррозионной стойкостью, технологичностью и трещиностойкостью при литье, хорошей обрабатываемостью резанием. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии и машиностроения и может быть использовано для изготовления литых деталей, работающих в условиях абразивного износа, коррозии, например втулок буровых насосов, дисков, рабочих колес, корпусов и других деталей центробежных и шламовых насосов, футеровочных элементов размольных мельниц.

Чугуны, применяемые для изготовления отливок, должны обладать высокой износостойкостью, надежностью, технологичностью при литье, легко подвергаться механической обработке резанием.

Известен чугун следующего химического состава, мас.% [1]: Углерод - 2,6-3,2 Хром - 24,0-28,0 Молибден - 0,5-1,7 Кремний - 0,25-0,60 Кальций - 0,01-0,20 Титан - 0,2-0,5 железо и примеси - Остальное при этом отношение содержания Мо к содержанию Ti составляет 1,0-8,5.

Этот чугун имеет недостаточную износостойкость вследствие наличия в структуре крупных заэвтектических карбидов, особенно при содержании углерода и хрома на верхнем пределе концентраций, интенсивно разрушающихся выкрашиванием при воздействии абразивом. Наличие крупных неоднородных заэвтектических карбидов снижает механическую обрабатываемость резанием, повышает хрупкость чугуна и снижает надежность деталей при эксплуатации.

Повышенное содержание титана увеличивает склонность высокохромистого чугуна к пленообразованию и снижению жидкотекучести, вызывающих образование "спаев" в виде трещин при литье, особенно тонкостенных деталей, и при заливке заготовок в металлические формы и в металлические кокили при центробежном литье.

Высокое содержание молибдена стабилизирует устойчивость аустенита при перлитном распаде, повышает твердость чугуна при отжиге, соответственно снижает обрабатываемость резанием, особенно в области верхнего предела концентраций элиментов. Кроме того, высокое содержание молибдена увеличивает себестоимость чугуна.

Наиболее близким к предлагаемому чугуну по технической сущности и достигаемому эффекту является чугун химического состава, маc.% [2]: Углерод - 2,4-3,0
Хром - 22,0-26,0
Молибден - 0,4-1,2
Кремний - 0,4-0,8
Марганец - 0,4-0,8
Кальций - 0,01-0,15
Титан - 0,08-0,16
Ванадий - 0,08-0,16
Азот - 0,04-0,10
Церий - 0,05-0,15
Железо и примеси - Остальное
причем отношение Ti и V к азоту составляет 0,4-2,0, а к молибдену составляет 2,5-15,0.

Легирование данного чугуна молибденом снижает его обрабатываемость резанием вследствие повышения устойчивости аустенита, повышения твердости образовавшегося перлита, особенно при концентрациях, близких к верхнему пределу.

Ванадий в указанном количестве, растворяясь в карбидах хрома типа Me₇C₃ и Me₂₃C₆, резко охрупчивает их, что способствует выкрашиванию их под действием абразивного воздействия при эксплуатации и существенно снижает износостойкость чугуна.

Добавки титана и азота в указанных пределах малоэффективны и не приводят к существенному повышению износостойкости чугуна.

Присутствие церия в указанном количестве вызывает образование "цериевой неоднородности", что снижает прочность чугуна в зонах ликвационной неоднородности.

Заявленное изобретение направлено но решение задачи по созданию чугуна, обладающего высокой абразивной и коррозионной стойкостью, надежностью при эксплуатации, технологичностью и трещиностойкостью при литье, хорошей обрабатываемостью резанием.

Поставленная задача достигается тем, что в чугун, содержащий углерод, хром, молибден, титан, азот, кремний, марганец, кальций, дополнительно введены барий и стронций, а компоненты взяты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 2,40-2,80
Хром - 23,00-28,00
Молибден - 0,20-0,47
Титан - 0,18-0,25
Кремний - 0,40-0,80
Марганец - 0,40-0,80
Азот - 0,12-0,25
Кальций - 0,015-0,250
Барий - 0,015-0,250
Стронций - 0,08-0,15
Железо и примеси - Остальное
При этом соотношение хрома к углероду составляет 8,2-11,0, а отношение титана к азоту составляет 0,7-2,0.

Предлагаемый чугун отличается от известного дополнительным легированием модифицирующими элементами барием в количестве (0,015-0,250)%, стронцием в количестве (0,08-0,15)%, а также изменением предельных концентраций углерода (2,40. . . 2,80)%, хрома (23,00-28,00)%, молибдена (0,20-0,47)%, титана (0,18-0,25)%, азота (0,12-0,25)%, кальция (0,015-0,250)%.

Положительное влияние легирования заявленного состава на свойства чугуна связано с комплексным воздействием всех легирующих элементов на изменение технологических и эксплуатационных характеристик.

Сущность изобретения состоит в следующем.

В принятом интервале концентрации углерода структура чугуна мелкодисперсна, т.к. этот интервал соответствует эвтектической области при соотношении хрома к углероду 8,2-11,5. При этом чугун содержит оптимальное количество дисперсных эвтектических (без крупных заэвтектических) карбидов и, как следствие, обладает повышенной абразивной износостойкостью и удовлетворительной обрабатываемостью резанием. При содержании углерода ниже нижнего заявленного предела снижается износостойкость чугуна вследствие уменьшения количества карбидов и снижения твердости мартенситной фазы чугуна. При содержании углерода выше 2,80% в связи с появлением в структуре крупных заэвтектических первичных карбидов повышается хрупкость, снижается трещиноустойчивость при литье, механообработке, снижается абразивная износостойкость вследствие выкрашивания крупных хрупких заэвтектических карбидов, ухудшается обрабатываемость резанием.

Хром в принятом интервале концентраций обеспечивает высокую коррозионную стойкость в нейтральных и кислых средах, высокую износостойкость при изнашивании абразивными частицами вследствие повышения количество специальных твердых карбидов хрома типа Ме₇С₃ и Me₂₃C₆ и упрочнения мартенситной матрицы чугуна после термообработки.

При содержании хрома выше 28,0% дальнейшего роста абразивной износостойкости не происходит, а наоборот, износостойкость снижается вследствие образования крупных заэвтектических карбидов, выкрашивающихся под действием абразива, а также вследствие появления в структуре чугуна мягкой ферритной фазы. Повышенное содержание хрома выше 28,0% снижает также обрабатываемость чугуна резанием.

Понижение минимальной концентрации хрома снижает коррозионную и абразивную износостойкость при изнашивании твердым абразивом во влажной и агрессивной среде.

Молибден в заявленном интервале концентраций обеспечивает высокую абразивную износостойкость. Это связано с тем, что молибден, растворяясь в твердом растворе и в карбидах хрома типа Ме₇С₃, Me₂₃C₆, повышает сопротивление микрообъемов мартенситной матрицы, остаточного аустенита и карбидной фазы хрупкому разрушению в условиях многократного пластического деформирования абразивными частицами. Этому тажие способствует измельчение зерна при легировании молибденом. Кроме того, молибден повышает прочностные свойства матрицы и карбидной фазы и, соответственно, сопротивление чугуна изнашиванию микрорезанием, царапанием абразивными частицами.

Введение молибдена в количестве выше верхнего предела повышает себестоимость чугуна. Кроме того, оказывая стабилизирующее действие на аустенит и повышая твердость перлита при отжиге перед механической обработкой, высокое содержание молибдена приводит к снижению обрабатываемости чугуна резанием.

Введение молибдена ниже нижнего заявленного предела концентраций малоэффективно.

Титан, введенный в предлагаемом соотношении к азоту, связывает в нитриды и карбонитриды фиксированное количество углерода, обеспечивая нахождение в твердом растворе - мартенсите и остаточном аустените большого количества хрома и молибдена. Вследствие этого повышается прочность, вязкость, прокаливаемость и сопротивление мартенсита и остаточного аустенита хрупкому разрушению поверхностных слоев детали и заявленного чугуна при полидеформационном воздействии на изнашиваемую поверхность детали абразивных частиц. Титан, обладающий высоким сродством к углероду и азоту, образует с ними соединения при высоких температурах, когда чугун находится в жидком состоянии. Карбиды, нитриды и карбонитриды титана, обладая сильным инокулирующим действием, являются дисперсными центрами кристаллизации, что приводит к измельчению структуры и к уменьшению размеров кристаллитов. Карбиды, нитриды и карбонитриды титана располагаются внутри зерен и поэтому являются дополнительным препятствием для движения дислокаций. Мелкодисперсные карбиды, нитриды и карбонитриды являются также зародышевыми центрами перлитного превращения аустенита при смягчающем отжиге перед механообработкой, способствуя повышению обрабатываемости чугуна резанием.

Суммарно это воздействие титана обеспечивает повышение прочности, твердости после закалки и отпуска, а также износостойкости и обрабатываемости резанием.

При содержании титана выше верхнего предела концентраций повышается склонность высокохромистого чугуна к образованию окисных плен, приводящих к образованию в деталях при разливке жидкого чугуна дефектов типа "спаев". Снижение содержания титана ниже нижнего предела концентраций не оказывает существенного влияния на свойство чугуна.

Легирование чугуна азотом в заявленном количестве и соотношении к титану повышает прокаливаемость чугуна, снижает его чувствительность к перегреву при термообработке. Вызывая дисперсионное твердение при отпуске закаленного чугуна, а такие способствуя образованию мелкодисперсных нитридов и карбонитридов титана, хрома, молибдена, повышает износостойкость чугуна. Связывая титан в нитриды и карбонитриды, азот предотвращает появление окисных плен при разливке чугуна, вызывающее образование дефектов отливок в виде "спаев".

При содержании азота выше верхнего предела возможно образование в отливках газовой пористости вследствие выделения избыточного азота в самостоятельную фазу.

Снижение содержания азота ниже нижнего предела не оказывает заметного влияния на структуру и свойства чугуна.

Кальций, барий, стронций, являющиеся сильными модификаторами, введенными в заявленном соотношении, действуют совместно, усиливая модифицирующее действие друг друга. Содержание кальция, бария, стронция в заявленных пределах снижает склонность чугуна к образованию "горячих" трещин, особенно при заливке в металлические изложницы при центробежном литье заготовок с повышенной температурой жидкого чугуна, что связано с измельчением зерна, очищением границ зерен от примесей кислорода, серы, переходящих в тугоплавкие мелкодисперсные округлые оксиды и оксисульфиды. В результате совместного модифицирующего действия кальция, бария, стронция повышается вязкость чугуна при высокой и комнатной температурах, что предотвращает образование "горячих" и "холодных" трещин.

При содержании кальция, бария, стронция ниже нижнего предела концентраций они не оказывают заметного действия, а при содержании выше верхних пределов заявленного состава повышается склонность чугуна к пленообразованию и ухудшению экологической ситуации в результате дымообразовония.

Количество кремния ограничено верхним пределом 0,8%, т.к. при больших его содержаниях повышается хрупкость чугуна, особенно в массивных толстостенных отливках.

Содержание марганца выше 0,8% приводит к увеличению количества остаточного аустенита, понижающего износостойкость и механическую обрабатываемость резанием.

Нижние пределы кремния и марганца обусловлены наличием их в шихтовых материалах и необходимостью раскисления чугуна.

Проверка совокупности существенных признаков заявленного изобретения в отношении известного уровня техники подтверждает соответствие данного изобретения требованиям изобретательского уровня.

Пример.

Для исследования были выплавлены чугуны предложенного и известного химических составов (табл.1).

Плавки проводили в индукционной печи с кислой футеровкой вместимостью 0,160 т. Компоненты вводили в следующей последовательности: на дно тигля загружали ферромолибден, затем стальной лом и феррохром; азот вводили в виде азотированного феррохрома. В период плавления печь включали на полную мощность, причем через каждые 15-20 мин шихту осаждали для предотвращения зависания.

После расплавления шихты присаживали ферромарганец, ферросилиций, феррованадий. Перед выпуском из тигля чугун раскисляли алюминием, присаживали ферротитан и расчетное количество флюсомодифицирующего карбоната, содержащего кальций, барий, стронций (ТУ для модифицирующего карбоната: 1-ВС-БСК-00). Ферроцерий вводили в струю жидкого чугуна при выпуске из печи в ковш. Температура чугуна при заливке 1510-1490^oС.

От каждой плавки на центробежной машине отливали во вращающуюся горизонтальную металлическую изложницу цилиндрические заготовки внутренних гильз для изготовления биметаллических втулок буровых насосов. По каждому составу чугуна отливали по 4 заготовки гильз.

Трещиностойкость чугунов оценивали методом визуального контроля на наличие "горячих" трещин и "спаев", переходящих в холодные трещины на заготовках гильз, отлитых центробежным литьем.

Механическую обрабатываемость резанием оценивали при обточке цилиндрических заготовок гильз после смягчающего отжига с нагревом до 880-900^oС. Обточка производилась на токарно-винто-резном станке мод. 1К62 за один проход сборным резцом PSBNP сечением 40х40 мм с неперетачиваемой многогранной пластиной SNMA 250724 из твердого сплава марки МТ2 или МС415 на следующих режимах: V - 15 м/мин, S - 0,5 мм/об, t - 5-7 мм без охлаждения. Критерием вступления режущей кройки инструмента являлась ширина ленточки притупления по задней грани величиной 1,0-1,5 мм. Стойкость инструмента оценивалось временем работы инструмента до затупления.

Для оценки абразивной износостойкости чугунов после воздушной закалки с нагревом до 1050^oС с последующим отпуском при 430^oС цилиндровых гильз вырезали из них пластины размером 75х25х5 мм. После шлифовки на горизонтальном шлифовальном станке пластины испытывали на установке по схеме Бринелля-Хаворта, т. е. при истирании абразивом, проходящим между вращающимся диском с резиновым ободом и испытуемой пластиной, прижатой к нему под нагрузкой 100 Н. Поверхность пластины при этом испытывает абразивный износ микрорезанием, царапанием, а также полидеформационное разрушение поверхности отслоением мельчайших частиц в результате многократной пластической деформации абразивными частицами. Линейная скорость вращения диска 2 м/с. В качестве абразива применялся кварцевый песок.

Износостойкость чугунов оценивали по ГОСТ 23.002-78 величиной, обратной скорости износа испытанных пластин. Результаты оценки свойств иссвледованных чугунов приведены в табл.2.

Таким образом, оптимальное сочетание вводимых компонентов обеспечивает повышение абразивной износостойкости, трещиностойкости при литье, обрабатываемости резанием, прочности и надежности при эксплуатации.

Применение предлагаемого чугуна позволяет предотвратить брак по трещинам, снизить себестоимость деталей при изготовлении, например, внутренних запрессованных цилиндровых гильз двухслойных втулок буровых насосов.

Использованные источники
1 Авторское свидетельство 1588795, кл. С 22 С 37/06, опубл. БИ 32, 30.08.90.

2 Патент РФ 2037551, кл. С 22 С 37/06, опубл. БИ 17, 19.06.95.

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, хром, молибден, титан, азот, кремний, марганец, кальций и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит барий и стронций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 2,40-2,80

Хром 23,00-28,00

Молибден 0,20-0,47

Титан 0,18-0,25

Азот 0,12-0,25

Кремний 0,40-0,80

Марганец 0,40-0,80

Кальций 0,015-0,25

Барий 0,015-0,25

Стронций 0,08-0,15

Железо и примеси Остальное

при этом отношение хрома к углероду составляет 8,2-11,0, а отношение титана к азоту составляет 0,7-2,0.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2