Чугун

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Дудецкая Лариса Романовна Орлов Юрий Григорьевич Дмитриев Сергей Александрович Гарбуз Станислав Викентьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси(57) Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, железо и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, алюминий, магний, кальций и редкоземельные металлы при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,4-3,6 кремний 0,8-2,2 марганец 1,5-2,5 хром 19,0-25,0 титан 0,15-0,35 алюминий 0,2-2,5 магний и кальций 0,05-0,10 редкоземельные металлы 0,05-0,10 железо и примеси остальное.(56) ГОСТ 7769-82.19980031 , 1999.1588795 1, 1990. Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным материалам, работающим в условиях абразивного изнашивания при повышенных температурах. Изобретение может быть использовано при производстве деталей печного оборудования, например размалывающих элементов обжиговых печей. Материал, предназначенный для такого рода изделий, получаемых методом литья,должен обладать достаточной прочностью и износостойкостью при повышенных температурах. Для этого он должен содержать в структуре не менее 20 карбидной фазы в виде эвтектики на основе специальных карбидов и иметь достаточно пластичную металлическую матрицу, например аустенит. Кроме того, на поверхности деталей при рабочих температурах должна образовываться защитная пленка, препятствующая окислению и 6553 1 росту в газовой среде. Такая структура обеспечивается за счет легирования чугуна хромом, кремнием, алюминием, образующими на поверхности отливок сложные плотные оксиды, защищающие от коррозии. Стабильность структуры обеспечивается за счет массивной сетки карбидов хрома, а повышенные механические свойства - за счет стабильного легированного аустенита. Широко известны высокохромистые литейные сплавы с низким содержанием углерода 1, используемые для изготовления деталей печного оборудования, испытывающих незначительные механические нагрузки в процессе эксплуатации. Недостатком этих сплавов является неудовлетворительная жидкотекучесть, высокая стоимость и пониженная износостойкость. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому сплаву является хромистый чугун ЧХ 22 С 2 следующего состава, мас.углерод 0,6-1,0 кремний 3,0-4,0 марганец 1,0 хром 19-25 железо и примеси остальное. 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, сопровождающимся значительными объемными изменениями. Вышеописанный чугун был выбран авторами в качестве прототипа как наиболее близкий к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату. Задачей настоящего изобретения является повышение литейных и эксплуатационных свойств чугуна, прежде всего, трещиностойкости и износостойкости при сохранении высокой жаростойкости. Поставленная задача решается тем, что в чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, железо и примеси, дополнительно вводят алюминий, титан,кальций, магний и редкоземельные металлы (РЗМ) при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,4-3,6 кремний 0,8-2,2 марганец 1,5-2,5 хром 19-25 алюминий 0,2-2,5 титан 0,15-0,35 магний и кальций 0,05-0,10 редкоземельные металлы 0,05-0,10 железы и примеси остальное. 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 алюминия, титана, щелочноземельных и редкоземельных элементов, что свидетельствует о соответствии предлагаемого технического решения критерия новизна. В качестве примера осуществлена выплавка сплавов, химический состав которых приведен в табл. 1. 6553 1 Таблица 1 Химический состав опытных сплавов Уровень содержания компонетов 3 нижний верхний выше верхнего ниже среднего- 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 45 ГОСТ 1415-79, ферромарганец ФМн 70 ГОСТ 4755-80, ферротитан ГОСТ 4761-91, алюминий вторичный (отходы),лигатуру на основе алюминия, щелочноземельных и редкоземельных элементов (70 алюминия) ТУ РБ 205.832-87. Титан, кальций, магний и редкоземельные элементы оказывают на сплав рафинирующее и модифицирующее действие, создавая дополнительные центры кристаллизации при затвердевании отливок. При концентрации указанных элементов ниже, чем, соответственно, 0,15 и 0,05 модифицирующее действие проявляется слабо, при концентрации выше,чем, соответственно, 0,35 и 0,10 наблюдается эффект перемодифицирования, проявляющийся в загрязнении сплава неметаллическими включениями. Алюминий способствует повышению жаростойкости хромистого чугуна за счет образования на поверхности отливок защитного слоя, содержащего оксид 3 или другие более сложные оксиды, содержащие алюминий. Высокое содержание хрома препятствует образованию структурно свободного графита и, следовательно, росту чугуна при высоких температурах. При концентрации алюминия выше, чем 2,5 в жидком металле усиливается пленкообразование, что резко снижает литейные и механические свойства и жидкотекучесть чугуна. При концентрации алюминия ниже, чем 0,2 его влияние на окисляемость не проявляется. Содержание кремния в выбранных пределах 0,8-2,2 обеспечивает необходимую жидкотекучесть сплава и несколько повышает его жаростойкость. При содержании кремния меньше 0,8 жидкотекучесть снижается, при концентрации его выше, чем 2,2 у отливок появляется склонность к образованию трещин и снижается износостойкость. 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 3, на образцах,имеющих форму круглой решетки. Жидкотекучесть определяли по методу вакуум 3 6553 1 всасывания 4. Среднюю величину измерения определяли при трехкратном 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. Жаростойкость определяли по величине прироста массы образцов по ГОСТ 6130-71 при температурах 700 и 850 С. Таблица 2 Основные свойства известного и заявляемого сплавов Механические Эксплуатационные Литейные свойства свойства свойства Уровень ОстаЖароЖидкоте содержаточные ИзносоВид сплава стойкость Твер- Ударная кучесть опыта ния компонапря- стойкость при дость вязкость при нетов жения(потеряан, Дж 1400 С 850 С ,массы), г ост мм г/м 2 ч МПА 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Известный средний 54 4,3 120 160 0,1620 0,1727 2 Предласредний 52 5,5 140 150 0,1470 0,1324 гаемый нижний 50 4,8 130 130 0,1500 0,1418 верхний 51 5,3 140 155 0,1320 0,1238 выше 50 4,2 120 160 0,1720 0,1822 верхнего ниже сред- 53 3,8 100 160 0,1510 0,1686 него Результаты, приведенные в табл. 2, свидетельствуют о том, что оптимальное сочетание механических, литейных и эксплуатационных свойств наблюдается у сплавов 24. Из таблицы 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 печного оборудования, например, на Бобруйском машиностроительном заводе, а изделия из него - на печном оборудовании различного назначения, например, в строительной отрасли на печах для обжига извести, цемента и др. Источники информации 1. Чугун Справочник / Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. - М. Металлургия,1991. - С. 576. 2. ГОСТ 7769-82. 3. Цыпин И.И. Белые износостойкие чугуны. Структура и свойства. - М. Металлургия, 1983. - С. 147-150. 4. Худокормов Д.Н. Роль примесей в графитизации чугуна. - Мн. Наука и техника,1968. - С. 92. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4