Износостойкий чугун

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Карпенко Михаил Иванович Марукович Евгений Игнатьевич Нозик Михаил Григорьевич Бадюкова Ульяна Сергеевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, ванадий, титан, фосфор, бор, серу и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит хром,кобальт и магний при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,3-3,2 кремний 0,5-0,9 марганец 0,5-1,5 никель 0,1-0,5 ванадий 0,3-1,1 титан 0,1-0,5 фосфор 0,05-0,30 бор 0,02-0,20 сера 0,002-0,020 хром 0,06-0,50 кобальт 0,02-0,30 магний 0,01-0,02 железо остальное. Изобретение относится к металлургии, в частности к получению износостойких чугунов для отливок, работающих в условиях коррозионно-механического и ударно-абразивного изнашивания. 11609 1 2009.02.28 Известен чугун для износостойких отливок с различной толщиной стенок 1, содержащий, мас.углерод 2,2-2,5 кремний 1,0-1,6 марганец 0,05-0,5 хром 0,1-0,25 церий 0,005-0,04 алюминий 0,12-0,2 железо остальное. Этот износостойкий чугун имеет низкие характеристики трещиностойкости, износостойкости и сопротивляемости ударным нагрузкам. Стрела прогиба составляет менее 5 мм, а износостойкость - 120-180 мг/м.ч. Известен износостойкий чугун 2, содержащий, мас.углерод 2,8-3,2 кремний 1,2-1,7 марганец до 1,0 фосфор 0,2-0,6 сера до 0,2 хром 0,2-0,6 железо остальное. Известный чугун имеет крупнозернистую структуру в отливках, низкую износостойкость при трении с высокими удельными давлениями и низкую динамическую прочность. По технической сущности и достигаемому результату наиболее близким к предложенному является износостойкий чугун следующего химического состава, мас.3 углерод 3,0-3,5 кремний 0,8-1,2 марганец 0,85-1,6 титан 0,12-1,23 ванадий 0,02-0,205 фосфор 0,2-0,75 сера 0,01-0,12 никель 0,05-0,5 бор 0,01-0,12 железо остальное. Данный чугун обладает следующими механическими и эксплуатационными свойствами временное сопротивление, МПа 250-312 твердость, НВ 198-285 износостойкость, мг/м 2.ч 50-120 2 ударная вязкость, Дж/см 8-13 предел усталости, МПа 275-310 стрела прогиба, мм 3,6-5,2. Известный чугун содержит значительное количество графитизирующих компонентов(углерода, кремния и титана), способствующих образованию крупнозернистой аустенитной металлической основы с высоким содержанием свободного графита в структуре отливок,что снижает стрелу прогиба, прокаливаемость, упруго-пластические свойства, характеристики предела усталости и трещиностойкости. Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение предела усталости, износостойкости, стрелы прогиба и трещиностойкости чугуна. Задача решается тем, что износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний,2 11609 1 2009.02.28 марганец, никель, ванадий, титан, фосфор, бор, серу и железо, дополнительно содержит хром, кобальт и магний при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,3-3,2 кремний 0,5-0,9 марганец 0,5-1,5 никель 0,1-0,5 ванадий 0,3-1,1 титан 0,1-0,5 фосфор 0,05-0,30 бор 0,02-0,20 сера 0,002-0,020 хром 0,06-0,50 кобальт 0,02-0,30 магний 0,01-0,02 железо остальное. Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - хрома и кобальта - и дополнительное модифицирование его магнием, что существенно повышает дисперсионность и стабильность структуры, предел усталости, трещиностойкость, стрелу прогиба и износостойкость. Дополнительное введение хрома обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей добавкой, повышающей прочность, износостойкость, прокаливаемость,однородность и дисперсность структуры, предел усталости и коррозионной стойкости чугуна. При содержании хрома менее 0,06 дисперсионность структуры чугуна, его износостойкость, предел усталости и эксплуатационные свойства недостаточны, а при увеличении его концентрации более 0,50 повышаются размеры карбидов, увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики ударной вязкости, стрелы прогиба, эксплуатационной стойкости и износостойкости. Магний, являющийся среди модификаторов основной сфероидизирующей добавкой,введен в количестве 0,01-0,02 с целью получения в структуре графита компактной формы и повышения предела усталости и износостойкости чугуна. При содержании магния до 0,01 в структуре не образуется компактный графит и предел усталости, механические и эксплуатационные свойства низкие. При концентрации магния больше 0,02 проявляется его отбеливающее влияние на структуру, что снижает стрелу прогиба, трещиностойкость и ударную вязкость. Введение кобальта в количестве 0,02-0,30 обусловлено его сильной микролегирующей способностью повышать упруго-пластические свойства и предел усталости при сохранении прочности, твердости, прокаливаемости и износостойкости. При концентрации кобальта менее 0,2 его влияние сказывается незначительным, а при концентрации более 0,30 повышается неоднородность структуры и снижаются механические свойства чугуна. Содержание углерода (2,3-3,2 ), кремния (0,5-0,9 ) принято на основе экспериментальных данных при производстве износостойких чугунов преимущественно с мелкозернистой аустенитно-цементитной структурой в литом состоянии и низким содержанием графитной фазы (2,5 от площади шлифа), кристаллизующейся в виде компактных включений размером 3-10 мкм с высокими характеристиками механических свойств. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 3,2 и 0,9 в структуре повышается содержание перлита и включений свободного графита больших размеров, что снижает характеристики прочности, твердости, предела усталости, износостойкости и пластические свойства. При снижении их концентрации соответственно ниже 2,3 и 0,5 повышаются остаточные термические напряжения в отливках и содержание 3 11609 1 2009.02.28 цементита в структуре, что снижает ударную вязкость, стрелу прогиба, трещиностойкость и удароустойчивость. Ванадий, марганец, никель и титан являются основными легирующими компонентами износостойкого чугуна, обеспечивающими высокие характеристики прочности, износостойкости, предела усталости и оказывающие неоднозначное влияние на упруго-пластические свойства и трещиностойкость. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства. Верхние пределы концентраций марганца и ванадия приняты соответственно 1,5 и 1,1 , а титана и никеля ниже и ограничены содержанием 0,5 , так как они наиболее заметно снижают пластичность при более высоких концентрациях. Сера в количестве 0,002-0,020 способствует образованию мелкозернистой структуры с высокими характеристиками прочности, износостойкости, стабильными пластическими свойствами и трещиностойкостью. При концентрации ее более 0,020 увеличивается угар магния иодновременно снижаются компактность графитных включений и механические свойства. Бор и фосфор в количестве соответственно от 0,02 до 0,20 и 0,05 до 0,30 повышают твердость, предел усталости, коррозионную стойкость и износостойкость чугунов в отливках. Однако при увеличении концентрации их выше верхних пределов повышается содержание в структуре цементита, фосфидной эвтектики и карбидов и снижаются упруго-пластические свойства. При их концентрации меньше нижних пределов прочность,твердость, износостойкость и предел усталости недостаточны. Пример конкретной реализации Опытные плавки чугунов проводились в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, чугунного и стального лома, ферромарганца,феррохрома, феррованадия, ферротитана и других ферросплавов. Микролегирование никелем, содержащим кобальт, феррованадием и ферротитаном производилось после рафинирования расплава в печи, а модифицирование с использованием никель-магниевой лигатуры - в ковше. Для определения свойств чугуна заливали решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок. Таблица 1 Содержание компонентов, мас.(железо - остальное),в чугуне состава Компоненты 1 2 3 4 5 6(известн.) Углерод 3,4 2,2 2,3 2,9 3,2 3,5 Кремний 1,1 0,4 0,5 0,6 0,9 1,1 Марганец 1,2 0,3 0,5 1,0 1,5 1,6 Никель 0,4 0,05 0,1 0,18 0,5 0,6 Ванадий 0,2 0,2 0,3 0,7 1,1 1,2 Титан 1,1 0,06 0,1 0,3 0,5 0,8 Фосфор 0,7 0,03 0,05 0,15 0,30 0,7 Сера 0,1 0,001 0,002 0,01 0,020 0,04 Бор 0,11 0,01 0,02 0,14 0,20 0,26 Хром 0,02 0,06 0,43 0,50 0,52 Кобальт 0,01 0,02 0,16 0,30 0,35 Магний 0,003 0,01 0,015 0,02 0,022 Определение прочности проводили по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм и расчетной длиной 70 мм. Износостойкость чугунов определяли по ГОСТ 23.208-79, а твердость - по ГОСТ 2999-75. В качестве абразивного материала при испытании на износ 4 11609 1 2009.02.28 использовали электрокорунд зернистостью 16-П по ГОСТ 3647-80 с относительным содержанием влаги 0,12-0,14 . Для определения ударной вязкости использовали образцы 551010 мм без надреза, а для определения трещиностойкости - звездообразные технологические пробы 250 мм и высотой 140 мм. Глубину прокаливаемости определяли на отливках шаров 100-120 мм, а предел усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 107 циклов. Металлографические исследования структуры в отливках и образцах поводили по ГОСТ 3443-87, а содержание ингредиентов в чугунах определяли по стандартным методикам количественного дифференцированного химического анализа. В табл. 2 приведены механические и технологические свойства износостойких чугунов опытных плавок. Таблица 2 Показатели составов чугунов Наименование свойств 1 2 3 4 5 6(известн.) Временное сопротивление,295 290 331 360 375 315 МПа Твердость, НВ 280 282 290 321 328 287 Стрела прогиба, мм 5,2 5,5 6,5 7,8 7,6 6,1 Ударная вязкость, Дж/см 2 12 15 22 28 25 18 2 Износостойкость, мг/м .ч 60 57 45 30 33 47 Предел усталости, МПа 307 293 351 370 386 335 Прокаливаемость 30 35 45 60 55 40 Склонность к трещинообразованию (кол-во трещин 6,1 6,9 3,0 2,4 2,7 4,3 в пробе) Как видно из табл. 2, предложенный износостойкий чугун обладает более высокими характеристиками предела усталости, трещиностойкости и более стабильной стрелой прогиба, чем известный чугун оптимального состава. Источники информации 1. А.с. СССР 872590, МПК С 22 С 37/10 // БИ 38. - 1981. 2. Патент Японии 55-5575, МПК С 22 С 37/06. 3. А.с. СССР 834204, МПК С 22 С 37/10 // БИ 20. - 1981. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5