Износостойкий чугун

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Карпенко Михаил Иванович Марукович Евгений Игнатьевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, ванадий, титан, хром, бор, кобальт, магний, фосфор, серу и железо, отличающийся тем, что, дополнительно содержит медь и барий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,3-3,2 кремний 0,5-0,9 марганец 0,7-1,5 никель 0,1-0,5 ванадий 0,05-0,50 титан 0,05-0,70 хром 0,11-0,90 бор 0,02-0,05 кобальт 0,02-0,30 магний 0,005-0,020 фосфор 0,02-0,22 сера 0,002-0,020 медь 0,05-0,35 барий 0,02-0,07 железо остальное. Изобретение относится к металлургии, в частности к изысканию износостойких чугунов для отливок, работающих в условиях коррозионно-механического и ударноабразивного изнашивания. Известен чугун для износостойких отливок с различной толщиной стенок 1, содержащий, мас.углерод 2,20-2,60 кремний 1,00-1,60 марганец 0,05-0,50 16785 1 2013.02.28 хром 0,10-0,25 церий 0,005-0,040 алюминий 0,12-0,20 железо остальное. Этот износостойкий чугун имеет низкие характеристики трещиностойкости, износостойкости и сопротивляемости ударным нагрузкам. Стрела прогиба составляет менее 5 мм, а износостойкость - 120-180 кг/м 2 ч. Известен износостойкий чугун 2, содержащий, мас.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 бор 0,01-0,12 никель 0,05-0,5 сера 0,01-0,12 фосфор 0,20-0,75 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 эффекту наиболее близким к предложенному является износостойкий чугун 3 следующего химического состава, 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 хром 0,06-0,50 кобальт 0,02-0,30 магний 0,01-0,02 сера 0,002-0,02 железо остальное. Данный чугун обладает следующими механическими и эксплуатационными свойствами временное сопротивление, МПа 331-375 твердость,290-328 ударная вязкость, Дж/см 2 22-28 2 30-45 износостойкость, мг/м ч прокаливаемость, мм 45-60 предел усталости, МПа 351-386 стрела прогиба, мм 6,6-7,8. Известный чугун обладает недостаточными характеристиками ударной вязкости и прокаливаемости. Задача изобретения - повышение ударной вязкости и прокаливаемости. Поставленная техническая задача решается тем, что износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, ванадий, титан, хром, бор, кобальт, магний, фосфор, серу и железо,дополнительно содержит медь и барий при следующем соотношении компонентов,мас.2 16785 1 2013.02.28 углерод 2,3-3,2 кремний 0,5-0,9 марганец 0,7-1,5 никель 0,1-0,5 ванадий 0,05-0,50 титан 0,05-0,70 хром 0,11-0,90 бор 0,02-0,05 кобальт 0,02-0,30 магний 0,005-0,020 фосфор 0,02-0,22 сера 0,002-0,020 медь 0,05-0,35 барий 0,02-0,07 железо остальное. Выбор граничных пределов компонентов обусловлен следующим образом. Дополнительное введение меди в количестве 0,05-0,35 обусловлено ее сильной микролегирующей способностью повышать упруго-пластические свойства и прокаливаемость чугуна при сохранении прочности и износостойкости. При содержании меди до 0,05 ее влияние сказывается незначительно, а при увеличении концентрации более 0,35 сказывается ее перлитизирующее влияние, что снижает твердость и износостойкость. Барий является эффективной химически активной рафинирующей и модифицирующей добавкой, повышающей динамическую прочность и однородность структуры чугуна в отливках. При концентрации бария до 0,02 модифицирующее влияние бария незначительное. Верхний предел концентрации бария (0,07 ) обусловлен недостаточной усвояемостью больших концентраций в расплавленном металле и снижением прокаливаемости и износостойкости. 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 0,02 его влияние оказывается 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 практики и 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 цементита в структуре, что снижает ударную вязкость и удароустойчивость. Понижение до 0,11-0,90 содержания 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 0,11 дисперсность структуры чугуна,его износостойкость, прокаливаемость, предел усталости и эксплуатационные свойства недостаточны, а при увеличении его концентрации более 0,90 повышаются размеры 3 16785 1 2013.02.28 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 0,005-0,020 с целью получения в структуре графита компактной формы и повышения предела усталости, усадочной вязкости и износостойкости чугуна. При содержании магния до 0,005 в структуре не образуется компактный графит и предел усталости, механические и эксплуатационные свойства низкие. При концентрации магния больше 0,020 проявляется его отбеливающее влияние на структуру, что снижает стрелу прогиба, трещиностойкость и ударную вязкость. Введение в чугун 0,05-0,5 ванадия и 0,02-0,05 бора микролегирует структуру,улучшает распределение графита и неметаллических включений, повышает плотность чугуна, прокаливаемость и сопротивляемость износу, что повышает эксплуатационные свойства. Микролегирующее влияние начинает сказываться с концентрации 0,02 бора и 0,05 ванадия. При увеличении их содержания выше верхних пределов увеличивается отбел и снижаются упруго-пластические и эксплуатационные свойства. Никель (0,1-0,5 ) и титан (0,05-0,70 ) упрочняют металлическую основу, повышают стабильность структуры и снижают отбел, ускоряют процессы графитизации и бейнитного превращения, измельчают структуру и повышают ударную вязкость и эксплуатационные свойства. При введении их в количестве меньшем нижних пределов измельчание структуры и повышение механических и эксплуатационных свойств незначительно, а при повышении концентрации их более верхних пределов снижаются однородность структуры, механические и эксплуатационные свойства. Введение 0,7-1,5 марганца обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру при стабилизации упруго-пластических и эксплуатационных свойств. Его влияние начинает сказываться с концентрации 0,7 , а при увеличении содержания марганца более 1,5 отмечается укрупнение структуры и снижение прокаливаемости чугуна и предела усталости. Фосфор в количестве от 0,02 до 0,22 и сера в количестве от 0,002 до 0,020 способствуют образованию мелкозернистой структуры со стабильными характеристиками прочности, износостойкости, прокаливаемости и удароустойчивости. Увеличение их содержания выше верхних пределов снижает однородность структуры и стабильность механических и эксплуатационных свойств. При их концентрации менее нижних пределов ухудшается процесс графитизации, требуется длительная внепечная обработка расплава и снижаются характеристики износостойкости и эксплуатационных свойств. Пример конкретной реализации. Опытные плавки износостойких чугунов проводились в открытых индукционных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, чугунного и стального лома,ферромарганца, феррохрома, феррованадия, ферротитана, никеля и меди марки М 0. Перегрев расплавленного металла в печи - 1480-1500 С. Микролегирование никелем, содержащим кобальт, медью, феррованадием и ферротитаном проводилось после рафинирования с использованием силикобария и никель-магниевой лигатуры - в ковше. Заливка чугуна производилась в сухие жидкостекольные литейные формы. Для определения механических свойств чугуна и прокаливаемости отливались решетчатые, клиновые и ступенчатые образцы диаметром 30 мм. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок. Ударную вязкость проводили на образцах с размерами 101055 мм без надреза, а износостойкость - в соответствии с ГОСТ 23.208-79. Глубину прокаливаемости определяли на отливках шаров 120 мм, а предел коррозионной усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 107 циклов. 16785 1 2013.02.28 Компоненты Углерод Кремний Марганец Никель Ванадий Титан Хром Бор Кобальт Магний Фосфор Сера Медь Барий Таблица 1 Содержание компонентов, мас.(железо - остальное) Известный чугун Предложенный чугун 1 2 3 4 5 6 3,0 2,2 2,3 2,9 3,2 3,4 0,8 0,3 0,5 0,7 0,9 1,2 1,1 0,35 0,7 1,2 1,5 1,7 0,18 0,05 0,10 0,32 0,5 0,6 0,71 0,02 0,05 0,3 0,50 0,7 0,40 0,03 0,05 0,5 0,70 0,9 0,35 0,5 0,11 0,6 0,90 1,1 0,14 0,01 0,02 0,03 0,05 0,07 0,15 0,01 0,02 0,23 0,30 0,35 0,01 0,002 0,005 0,01 0,020 0,03 0,22 0,01 0,02 0,11 0,22 0,30 0,01 0,001 0,002 0,01 0,020 0,04 0,03 0,05 0,23 0,35 0,41 0,01 0,02 0,05 0,07 0,08 При испытании на износ в качестве абразивного материала использовали электрокорунд зернистостью 16-П по ГОСТ 3647-80 с относительным содержанием влаги 0,120,14 . Определение прочности проводили в соответствии с ГОСТ 1497-84 на образцах 14 мм и расчетной длиной 70 мм. В табл. 2 приведены механические, технологические и эксплуатационные свойства известного и предложенного чугунов. Таблица 2 Показатели для состава чугуна Свойства 1 (из 2 3 4 5 6 вестный) Временное сопротивление, МПа 350 357 370 385 396 365 Твердость, НВ 320 328 345 337 330 310 Ударная вязкость, Дж/см 2 25 23 32 38 34 27 2 40 31 27 21 25 35 Износостойкость, мг/м ч Прокаливаемость, мм 55 60 65 78 66 56 Предел коррозионной усталости, МПа 377 371 390 405 395 385 Удароустойчивость, тыс. циклов 5,6 5,2 6,3 7,4 7,1 6,2 Как видно из табл. 2, предложенный износостойкий чугун обладает более высокими характеристиками прокаливамости, удароустойчивости, ударной вязкости и других механических свойств, чем известный. Источники информации 1. А.с. 872590, МПК 22 37/10, 1981. 2. А.с. 834204, МПК 22 37/10, 1981. 3. Патент 11609, МПК 22 37/00, 2009 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5