Результат интеллектуальной деятельности: ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

Изобретение относится к литейному производству, а именно к износостойким чугунам с шаровидным графитом для производства деталей машин и оборудования, подвергающих абразивному износу, например, футеровки смесителей и др.

Известен высокопрочный чугун с шаровидным графитом, содержащий, масс.%: углерод 3,8-4,5; ванадий 3,5-4,5; кремний 2,5-4,2; медь 0,1-1,5; никель 0,1- 2,0; марганец до 0,8; сера до 0,1; фосфор до 0,15; хром до 0,1; магний до 0,05; РЗМ до 0,05; железо - остальное.

Недостатком известного чугуна являются низкие значения прочности твердости в литом состоянии. В связи с этим известный чугун в литом состоянии не имеет необходимую стойкость в условиях ударно-абразивного износа.

(SU322394, C22C 37/00, опубликовано 30.11.1970)

Наиболее близким по технической сущности является износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, ванадий, медь, никель, марганец, магний, алюминий, церий, кальций, бор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,8-4,0; кремний 1,5-3,5; ванадий 3,0-8,0; медь 0,2-0,8; никель 3,0-5,0; марганец 0,2-1,0; магний 0,02-0,1; алюминий 0,1-0,4; церий 0,03-0,2; кальций 0,05-0,2; бор 0,2-0,4; железо - остальное.

(RU2401316, С22С 37/04, опубликовано 10.10.2010)

Однако известный износостойкий чугун с шаровидным графитом, литая металлическая основа которого содержит карбиды ванадия и мартенсит, обладает недостаточной абразивной стойкостью, ограничивающей его использование для изделий, подвергающихся абразивному износу.

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение абразивной стойкости и твердости чугуна в литом состоянии.

Технический результат достигается тем, что износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит углерод, кремний, ванадий, медь, никель, марганец, магний, алюминий, церий, кальций, бор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,8-4,0; кремний 1,5-3,5; марганец 4,0-6,0; никель 3,0-5,0; бор 0,06-0,40; ванадий 3,0-6,0; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,7; церий 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; кальций 0,06-0,80; железо - остальное, причем в структуре чугуна углерод содержится в свободном состоянии в виде включений графита шаровидной формы в количестве 0,5-2,2%, и в связанном состоянии - в виде карбидной фазы в количестве 0,4-3,7%.

Наличие в составе чугуна по изобретению одновременно марганца и ванадия в заявленных концентрациях дает преимущественное образование твердых и прочных карбидов марганца типа Mn₇C₃ и очень твердых карбидов ванадия типа VC, повышающих твердость и ударно-абразивную стойкость чугуна в литом состоянии. При этом в значительной мере подавляется образование менее твердых и хрупких карбидов типа Mn₃C и V₂C.

Ввод в расплав чугуна сфероидизирующих модификаторов в виде магния, церия и кальция способствует получать графит шаровидной формы, благодаря этому существенно повышаются прочностные характеристики чугуна.

Наличие в металлической основе предложенного чугуна включений графита шаровидной формы в количестве менее 0,5% способствует образованию аустенитной структуры чугуна, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивного изнашивания. Увеличение количества включений графита шаровидной формы более 2,2% способствует образованию троститной структуры чугуна, у которой износостойкость меньше, чем у аустенитной структуры.

Наличие в металлической основе предложенного чугуна связанного углерода в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры чугуна, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивного изнашивания. Увеличение концентрации связанного углерода более 3,7% способствует образованию большего количества твердых карбидов ванадия и марганца, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, абразивной стойкости чугуна.

Плавку износостойкого чугуна предложенного состава проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1480-1520°С на зеркало расплава вводили марганец, ванадий, бор и кремний. Затем присаживали алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе сфероидизирующей присадки, а также церий в виде ферроцерия помещают на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.

В таблице 1 приведен химический состав известного чугуна и чугуна по изобретению. В таблице 2 приведены количество включений графита и карбидов, значения твердости и износостойкости в условиях абразивного износа.

Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (018×18 мм) после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 минут каждый. Испытания на ударно-абразивный износ проводили на лабораторной мельнице. В качестве абразива использовали кварцевый песок определенной зернистости. За эталон принимали износ образцов, изготовленных из стали 20. Объемное количество карбидной фазы и включений графита в структуре чугунов определяли планиметрическим методом в трех полях и методом случайных секущих при 500-кратном увеличении на микроскопе МИМ-8.

Достижение технического результата, как видно из данных таблицы 2, иллюстрирует более высокая твердость (65-72 HRC) и относительная износостойкость (3,2-4,4) чугуна по изобретению в литом состоянии в сравнении с известным чугуном.

Применение предлагаемого износостойкого чугуна с шаровидным графитом для отливок, например, мелющих шаров мельниц, используемых для дробления и размола вольфрамовых руд, позволяет существенно (на 30-40%) увеличить их срок службы.