Износостойкий чугун

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявители Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Открытое акционерное общество Бобруйский машиностроительный завод(72) Авторы Дудецкая Лариса Романовна Орлов Юрий Григорьевич Новиков Игорь Михайлович Рябинин Юрий Петрович Романова Наталья Васильевна Рафеев Валерий Иванович Шапиро Григорий Матусович(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси Открытое акционерное общество Бобруйский машиностроительный завод(57) Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, алюминий, редкоземельные металлы, кальций, железо и примеси, отличающийся тем, что дополнительно содержит магний и никель при следующем соотношении компонентов,мас.углерод 2,4-3,4 кремний 0,4-0,8 марганец 1,0-1,4 хром 19,0-25,0 титан 0,15-0,35 алюминий 0,05-0,10 редкоземельные металлы 0,02-0,04 кальций и магний 0,01-0,04 никель 0,1-0,4 железо и примеси остальное. Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным материалам, работающим в условиях абразивного изнашивания. Изобретение может быть использовано при производстве деталей, работающих в абразивной среде, например деталей насосного оборудования. Материал, предназначенный для такого рода изделий, получаемых методом литья,должен обладать достаточной прочностью и износостойкостью. Для этого он должен содержать в структуре 30-35 карбидной фазы в основном в виде эвтектики на основе спе 11083 1 2008.08.30 циальных карбидов и иметь достаточно пластичную и прочную металлическую матрицу,удерживающую карбиды, например аустенит и мартенсит. Такая структура обеспечивается за счет легирования чугуна хромом, марганцем и (или) никелем. Стабильность структуры обеспечивается за счет массивной сетки карбидов хрома, а повышенные механические свойства - за счет легированного твердого раствора. Известны высокохромистые литейные сплавы, легированные титаном и ванадием, с повышенным содержанием марганца, рекомендуемые для использования в качестве деталей гидромашин, перекачивающих абразивные смеси 1. Недостатком этих сплавов является пониженная жидкотекучесть из-за невысокого содержания кремния, а также присутствие в их составе ванадия, отрицательно влияющего на износостойкость и стоимость отливок 2. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому сплаву является хромистый чугун следующего состава, мас.углерод 2,4-3,6 кремний 0,2-1,0 марганец 1,5-2,5 хром 19-25 алюминий 0,08-0,16 магнийкальций 0,05-0,10 РЗМ 0,05-0,10 железо и примеси остальное 3. К числу недостатков данного сплава можно отнести повышенную склонность к образованию трещин и пониженную износостойкость, что связано с присутствием в структуре отливок продуктов распада аустенита, сопровождающегося значительными объемными изменениями. Вышеописанный чугун был выбран авторами в качестве прототипа как наиболее близкий к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату. Задачей настоящего изобретения является повышение литейных и эксплуатационных свойств чугуна, прежде всего трещиноустойчивости и износостойкости. Поставленная задача решается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, алюминий, редкоземельные металлы, кальций, железо и примеси, дополнительно содержит магний и никель при следующем соотношении компонентов,мас.углерод 2,4-3,4 кремний 0,4-0,8 марганец 1,0-1,4 хром 19,0-25,0 никель 0,1-0,4 алюминий 0,05-0,10 титан 0,15-0,35 кальций и магний 0,01-0,04 редкоземельные металлы 0,02-0,04. Приведенные соотношения компонентов обеспечивают совокупность высоких механических, литейных и эксплуатационных свойств чугуна. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного наличием новых компонентов, а именно никеля, а также изменением концентрационных пределов ряда элементов (углерод, кремний, марганец,щелочноземельные и редкоземельные элементы), что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерию новизна. В качестве примера осуществлена выплавка сплавов, химический состав которых приведен в табл. 1. 2 11083 1 2008.08.30 Таблица 1 Химический состав опытных сплавов Уровень Химический состав,Вид сплава содержания опытаРЗМ компонентов 1 Известный средний 3,0 0,6 2,0 22,0 0,25 0,12 0,08 0,08 средний 3,0 0,6 1,2 22,0 0,2 0,25 0,08 0,02 0,03 нижний 2,4 0,4 1,0 19,0 0,1 0,15 0,05 0,01 0,02 2 Предлагаемый верхний 3,4 0,8 1,4 25,0 0,4 0,35 0,1 0,04 0,04 выше верхнего 3,6 1,0 1,6 27,0 0,6 0,40 0,15 0,06 0,06 ниже нижнего 2,0 0,2 0,8 17,0 - 0,10 0,02 0,005 0,01- железо и примеси - остальное. Выплавку сплавов производили в индукционной электропечи ИСВ 0004 ПИМ 1 с алундовым тиглем в атмосфере аргона по известной технологии. В качестве шихтовых материалов использовали чугун передельный ПЛ 1 ГОСТ 805-80, феррохром углеродистый ФХ 800 ГОСТ 4755-80, лом стальной, ферросилиций ФС 44 ГОСТ 1415-79, ферромарганец ФМн 70 ГОСТ 4755-80, ферротитан ГОСТ 4761-91, лигатуру на основе алюминия, щелочноземельных (ЩЗМ) и редкоземельных элементов (70 алюминия) ТУ РБ 205.832-87. Отличительной особенностью заявляемого сплава является пониженное по сравнению с прототипом содержание марганца. Выбранные пределы содержания данного элемента обеспечивают образование в структуре сплава метастабильного аустенита, способного к превращению в мартенсит с соответствующим повышением износостойкости в процессе эксплуатации деталей насосного оборудования, и в то же время не приводят к возникновению значительных напряжений и образованию трещин в отливках. При содержании марганца менее чем 1 он не оказывает существенного влияния на износостойкость, при концентрации данного элемента выше чем 1,4 склонность сплава к образованию трещин при затвердевании возрастает. Введение в сплав небольших добавок никеля обусловлено стремлением повысить его пластичность в горячем состоянии, что особенно важно при изготовлении сложных по конфигурации отливок с затрудненной усадкой при затвердевании. Кроме того, совместные добавки никеля и марганца благоприятно влияют на износостойкость сплава, обеспечивая оптимальное состояние металлической матрицы, способствующее релаксации внутренних напряжений при охлаждении отливок в форме. Верхний предел концентрации углерода должен быть ограничен величиной, при которой в структуре сплавов не образуются выделения заэвтектических карбидов, т.к. при этом падает износостойкость в связи с их выкрашиванием. Нижний предел содержания углерода не должен обуславливать появления в структуре сплавов значительного количества первичного аустенита, что приводит к падению твердости в литом состоянии. Алюминий, титан, кальций, магний и редкоземельные элементы оказывают на сплав рафинирующее и модифицирующее действия, создавая дополнительные центры кристаллизации при затвердевании отливок и уменьшая содержание оксидов. Концентрация редкоземельных и щелочноземельных элементов в сплаве увязана с концентрацией алюминия в лигатурах. Алюминий при концентрации его в сплаве в количестве 0,05-0,1 в достаточной степени раскисляет сплав, что позволяет более полно использовать модифицирующее действие РЗМ и ЩЗМ. При концентрации указанных элементов ниже чем соответственно 0,005 и 0,02 не происходит достаточного раскисления сплава, результатом чего является повышенный расход модификаторов (магния, кальция, РЗМ). Содержание кремния в выбранных пределах 0,4-0,8 обеспечивает необходимую жидкотекучесть сплава. При содержании кремния меньше 0,4 жидкотекучесть снижается, при концентрации его выше чем 0,8 у отливок появляется склонность к образованию трещин и снижается износостойкость. 3 11083 1 2008.08.30 Результаты испытаний известного и заявляемого чугунов приведены в табл. 2. При проведении испытаний твердость сплавов измеряли на приборе типа Роквелл,ударную вязкость - на маятниковом копре по ГОСТ 9454-789 на образцах без надреза. Измерение трещиностойкости производили по методике, описанной в 4, на образцах,имеющих форму круглой решетки. Жидкотекучесть определяли по методу вакуумвсасывания 5. Среднюю величину измерения определяли при трех-пятикратном повторении опытов. Износостойкость сплавов оценивали по результатам абразивного изнашивания образцов методом торцевого трения о шлифовальную шкурку. Общее время испытаний для каждого образца составляло 12 мин. Износ образцов определяли после каждой минуты испытаний и оценивали по убыли массы взвешиванием с точностью 10-4 г. Таблица 2 Основные свойства известного и заявляемого сплавов Механические Литейные свойства свойства Уровень Жидкоте Вид ОстаточТвердость Ударная Износосодержания кучесть опыта сплава ные напря- стойкость в литом вязкость,компонентов при жения,состояан,(потеря 1400 С,2 нии,Дж/см ост, МПА массы), г, мм Извест 1 средний 50 5,5 160 130 0,1625 ный средний 54,5 6,2 170 122 0,1580 нижний 53 6,4 160 118 0,1420 Предла 2 верхний 55 5,8 180 126 0,1400 гаемый выше верхнего 53 4,2 140 130 0,1390 ниже нижнего 51 5,0 150 130 0,1510 Результаты, приведенные в табл. 2, свидетельствуют о том, что оптимальное сочетание механических, литейных и эксплуатационных свойств наблюдается у сплавов 2-4. Из табл. 2 следует, что предлагаемый сплав по сравнению с прототипом обладает более высокими свойствами и отвечает поставленной при разработке задаче. Предлагаемый сплав предполагается внедрить на машиностроительных предприятиях,изготавливающих детали насосного оборудования, в частности на Бобруйском машиностроительном заводе, а изделия из него - на насосном оборудовании различного назначения, например, в строительной и горнодобывающей отраслях. Источники информации 1. ГОСТ 7769-87. 2. Шадров Н.Ш., Коршунов Л.Г., Черемных В.П. Влияние молибдена, ванадия, ниобия на абразивную износостойкость высокохромистого чугуна // МиТОМ. - 1983. -4. . 33-36. 3. Патент РБ 4337, 2002. 4. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. - М. Металлургия, 1983. - . 147-150. 5. Худокормов Д.Н. Роль примесей в графитизации чугуна. - Мн. Наука и техника,1968. - . 92. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4