Результат интеллектуальной деятельности: ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ

Изобретение относится к литейному производству, а именно к износостойким чугунам с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях ударно-абразивного износа, в частности для изготовления литых мелющих шаров рудоразмольных мельниц.

Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 3,0-4,6; кремний 1,5-3,5; марганец 4,0-10,0; никель 2,0-5,0; бор 0,2-0,4; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,4; церий 0,02-0,20; магний 0,02-0,08; кальций 0,04-0,2; сера 0,01-0,03; фосфор 0,02-0,08; железо остальное (RU 2401317, C22C 37/04, опубликовано 10.10.2010).

Наиболее близким по технической сущности является износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, ванадий, медь, никель, марганец, магний, алюминий, церий, вольфрам, кальций, бор и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,8-4,2; кремний 1,5-3,5; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; никель 2,0-5,0; марганец 0,2-1,6; магний 0,02-0,1; алюминий 0,1-0,5; церий 0,02-0,1; вольфрам 4,0-12,0; кальций 0,06-0,8; бор 0,2-0,4; железо - остальное (RU 2419666, С22С 37/04, С22С 37/10, опубликовано 27.05.2011).

Однако известные износостойкие чугуны с шаровидным графитом обладают достаточной износостойкостью в условиях абразивного износа, но недостаточно высокой ударно-абразивной стойкостью в литом состоянии, что ограничивает область их применения.

Задачей изобретения и его техническим результатом является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с повышенной твердостью и ударно-абразивной стойкостью в литом состоянии для работы в условиях ударно-абразивного износа.

Технический результат достигается тем, что в износостойкий чугун с шаровидным графитом содержит углерод, кремний, ванадий, медь, никель, марганец, магний, алюминий, церий, вольфрам, кальций, бор, хром и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Технический результат также достигается тем, что 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 хрома и вольфрама в заявленных концентрациях дает преимущественное образование очень твердых и прочных карбидов типа WC и карбидов хрома типа Cr₇C₃, повышающих твердость и ударно-абразивную стойкость чугуна в литом состоянии. При этом в значительной степени подавляется образование менее твердых и хрупких карбидов типа W₂C и Cr₃C.

Наличие в металлической основе чугуна углерода в свободном состоянии в виде 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.

Концентрация связанного углерода в металлической основе в виде карбидов в количестве менее 0,4% способствует образованию аустенитной структуры, которая по сравнению с мартенситной структурой менее износостойкая в условиях ударно-абразивной стойкости чугуна. Увеличении концентрации связанного углерода более 3,7% способствует увеличению количества включений карбидов вольфрама и хрома типа W₂C и Cr₃C, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, ударно-абразивной стойкости чугуна.

Плавку износостойкого чугуна с шаровидным графитом предложенного состава проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, вольфрам, хром - вводили в металлозавалку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1500-1540°С на зеркало расплава вводили марганец, ванадий и кремний в виде 75%-ного ферросилиция. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикокальция). Магний в составе сфероидизирующей присадки, а также церий и бор в виде ферроцерия и ферробора 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 механических свойств и износостойкости чугунов в условиях ударно-абразивного износа.

Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (⌀18×18 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.

Как видно из данных таблицы 2, износостойкий чугун по изобретению в литом состоянии имеет более высокую твердость (60-70 HRC) и относительную износостойкость (3,0-4,2) в сравнении с известным чугуном. Себестоимость отливок из предложенного чугуна существенно снижается за счет уменьшения содержания вольфрама с 12 до 6%.

Таким образом, износостойкий чугун с шаровидным графитом по изобретению обеспечивает достижение технического результата, что позволяет при его использовании в литом состоянии, например литых мелющих шаров мельниц для дробления и размола вольфрамовых руд, существенно (на 30-40%) увеличить срок службы мелющих шаров при снижении себестоимости их изготовления на 30%.