Результат интеллектуальной деятельности: ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях ударно-абразивного износа, в частности для изготовления бронефутеровок и лопаток смесеприготовительной системы изготовления асфальта, бетона и т.п.

Известен белый чугун, содержащий, мас.%: углерод 2,2-2,5; марганец 0,2-0,8; кремний 1,2-1,5; ванадий 4,0-6,0; никель 1,8-4,5; хром не более 0,15; сера не более 0,1; фосфор не более 0,1; железо остальное (СССР №395483, С22с 37/00, 1973).

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

Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом (см., например, описание к а.с. СССР №322394, С22с 37/00, 1971), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: углерод 3,8-4,5; кремний 2,5-4,5; ванадий 3,5-4,5; 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.

Указанный износостойкий чугун с шаровидным графитом, металлическая основа которого содержит графитную и ванадиево-карбидную эвтектики, обладает требуемыми свойствами только после сложной термической термообработки (изотермическая закалка).

Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с высокой твердостью в литом состоянии (без применения термообработки) для работы в условиях ударно-абразивного износа.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении ударно-абразивной стойкости чугуна в литом состоянии при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления износостойких отливок повышенной твердостью, например бронефутеровок и лопаток смесеприготовительной системы изготовления асфальта, бетона и т.п.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащем: углерод, кремний, ванадий, медь, никель, марганец, магний, железо, дополнительно введены алюминий, церий, кальций, бор при следующем соотношении компонентов, мас.%: угрерод 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 0,03-0,20; кальций 0,05-0,20; бор 0,2-0,4; железо остальное.

Введение в состав предложенного чугуна алюминия способствует увеличению эффективных зародышей кристаллизующего графита, что способствует повышению прочностных характеристик чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна алюминия менее 0,1% не обеспечивает образования достаточного количества эффективных зародышей кристаллизующего графита, в результате чего не повышаются прочностные характеристики чугуна. Увеличение количества алюминия свыше 0,4% способствует образованию плен оксида алюминия, в результате чего снижаются прочностные характеристики чугуна.

Введение в состав предложенного чугуна церия способствует выделению структурно-свободного углерода в виде шаровидного графита правильной формы, в результате чего повышаются прочностные характеристики чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна менее 0,03% церия не обеспечивает получения шаровидного графита правильной формы, в результате чего снижаются прочностные характеристики чугуна. Увеличение количества церия свыше 0,2% способствует образованию цементита, в результате чего повышается склонность чугуна к образованию трещин.

Введение в состав предложенного чугуна кальция способствует десульфурации чугуна и препятствует образованию соединения окиси магния, при образовании которого снижается количество магния, необходимого для модифицирования чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна кальция менее 0,05% повышает количество магния, необходимого для модифицирования чугуна. При содержании кальция свыше 0,2% резко увеличивается количество неметаллических включений, в результате чего понижается прочность чугуна.

Введение в состав предложенного чугуна бора позволяет увеличить долю графитной и ванадиево-карбидной эвтектики тонкого строения.

Добавка в состав предложенного чугуна бора менее 0,2% не обеспечивает выделение в достаточном количестве графитной и ванадиево-карбидной фазы в виде эвтектики тонкого строения, что снижает твердость чугуна. Увеличение количества бора свыше 0,4% вызывает выделение крупных заэвтектических карбидов, что снижает прочностные характеристики чугуна.

Увеличение содержания ванадия в составе предложенного чугуна позволяет повысить количество твердых карбидов ванадия (VC), благодаря чему существенно растет твердость сплава.

Добавка в состав предложенного чугуна ванадия менее 3% не обеспечивает образования достаточного количества карбидов ванадия (VC), в результате чего снижается твердость чугуна. Увеличение содержания ванадия свыше 8% способствует образованию крупных заэвтектических карбидов ванадия (VC), в результате чего снижаются прочностные характеристики.

Увеличение содержания никеля в составе предложенного чугуна позволяет получать его металлическую основу мартенситной, в результате чего повышается твердость чугуна.

Добавка в состав предложенного чугуна никеля менее 3% не обеспечивает достижения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, в результате чего снижается прочность, твердость и износостойкость чугуна. Увеличение содержания никеля свыше 5% способствует повышению доли остаточного аустенита в металлической основе чугуна, что приводит к снижению его твердости и износостойкости.

Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь и ванадий вводят в металлозавалку. После расплавления шихты и прогрева чугуна до 1480-1520°С на зеркало расплава вводят кремний и марганец в виде 75%-ного ферросилиция и 60%-ного ферромарганца. 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, кладут на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.

Химический состав, количество карбидов ванадия (VC), твердость и относительная износостойкость известного (прототип) и предложенного чугунов приведены в таблице.

Техническим результатом является, как видно из данной таблицы, более высокая твердость (61-65 HRC) и, соответственно, износостойкость предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом в литом состоянии. Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59.

Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потери массы образцов (⌀18×18 мм), после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 минут каждый. Испытания на ударно-абразивный износ проводили на лабораторной мельнице конструкции ЦНИИТМАШ. В качестве абразива использовали кварцевый песок определенной зернистости. За эталон принимали износ образцов, изготовленных из стали 20.

Применение предлагаемого износостойкого чугуна с шаровидным графитом для отливок, например бронефутеровок и лопаток смесеприготовительной системы изготовления асфальта, бетона и т.п., позволяет существенно (60-80%) увеличить срок службы износостойких деталей в эксплуатации в условиях ударно-абразивного изнашивания.