Результат интеллектуальной деятельности: ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН

Изобретение относится к области литейного производства и, в частности, к износостойким чугунам для производства деталей машин и оборудования, подвергающихся ударно-абразивному износу, например мелющих шаров рудоразмольных мельниц.

Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, кальций, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

(RU 2384641, С22С 37/04, опубликовано 20.03.2010).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому результату является износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, бор, ванадий, медь, алюминий, церий, магний, молибден, кальций, железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

(RU 2416660, С22С 37/04, опубликовано 20.04.2011).

Недостатком известных износостойких чугунов, содержащих прочные карбиды молибдена и мартенсит, является недостаточная ударно-абразивная стойкость литых изделий, выполненных из указанных чугунов, работающих при повышенных температурах.

Задачей и техническим результатом изобретения является износостойкий чугун с шаровидным графитом, обладающий повышенной твердостью и ударно-абразивной стойкостью в литом состоянии, в том числе при эксплуатации при повышенных температурах.

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

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 молибдена и вольфрама в заявленных концентрациях дает преимущественное образование твердых и прочных карбидов молибдена типа Мо₂С и очень твердых карбидов вольфрама типа W₂C, повышающих твердость и ударно-абразивную стойкость чугуна в литом состоянии. При этом в значительной мере подавляется образование менее твердых и хрупких карбидов типа МоС и W₂C.

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 трооститной 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 большого количества твердых карбидов хрома и молибдена, что ведет к существенному снижению прочности и, соответственно, ударно-абразивной стойкости чугуна.

Наличие серы и фосфора в заявленных концентрациях способствует образованию их соединений с бором, имеющих достаточно широкий температурный интервал кристаллизации, что снижает долю бора, приходящуюся на железо-хромистые боридные эвтектики, снижающих прочность и износостойкость чугуна. При этом в значительной степени нивелируется негативное влияние этих компонентов на физико-механические характеристики литого чугуна.

Получение износостойкого чугуна по изобретения иллюстрирует следующий пример. Плавку чугуна проводили в дуговой электропечи с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, молибден, вольфрам, вводили в металлозавалку. Фосфор и сера присутствовали в исходном железе. 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. Содержание серы и фосфора поддерживали с использованием известных приемов - составом шлака или вакуумированием.

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

Обеспечение достижения технического результата иллюстрируют данные таблицы 2: это более высокая твердость (64-70 HRC) и относительная износостойкость (2,5-3,8) чугуна по изобретению в литом состоянии в сравнении с известным чугуном.

Преимущество чугуна по изобретению по сравнению с известным чугуном имеет место при температурах испытаний до 300-400°С.

Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (18×18 мм) после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 минут каждая. 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 чугуна подсчитывали планиметрическим методом в трех полях и методом случайных секущих при 500-кратном увеличении на микроскопе МИМ-8.

Применение износостойкого чугуна с шаровидным графитом по изобретению для отливок бронефутеровок и шаров рудоразмольных мельниц позволяет существенно (на 20-25%) увеличить их срок эксплуатации.