чугун

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, ванадий, бор и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 2,0 - 4,0

Кремний - 0,5 - 1,5

Марганец - 0,5 - 2,0

Хром - 10 - 20

Медь - 0,5 - 2,5

Ванадий - 0,3 - 1,0

Бор - 0,05 - 0,10

Молибден - 0,5 - 3,5

Цирконий - 0,05 - 0,10

Железо - Остальное

при этом отношение содержания хрома к содержанию углерода составляет 5 - 10, а отношение суммарного содержания циркония и бора к содержанию хрома составляет 0,005 - 0,01.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов износостойкого чугуна для получения различного типа литых валков, используемых в металлургии, строительной и пищевой промышленности (мукомольной, кондитерской, пивоваренной), и других видов размольного оборудования, работающих в условиях повышенного износа и знакопеременных нагрузок.

Известен чугун, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 2,1 - 2,8; кремний 0,5 - 1,0; марганец 6,0 - 6,8; хром 5,5 - 6,3; ванадий 2,0 - 2,5; молибден 1,0 - 1,8; бор 0,05 - 0,1; железо остальное (RU, 2012652, кл. С 22 С 37/06, 1994).

Данный состав чугуна не обеспечивает требуемой износостойкости.

Известен также чугун, содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 1 - 3; кремний 0,5 - 1,0; хром 10,3 - 35; ванадий 0,1 - 1; молибден 0,2 - 3; алюминий не более 0,5; железо остальное (УР, заявка 52-28038, кл. 101183, 1978).

Данный состав отличается плохой обрабатываемостью и неравномерностью структуры по сечению отливки.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности является чугун, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%: углерод 3,0 - 3,4; кремний 0,2 - 0,5; марганец 0,2 - 0,6; хром 7,9 - 8,6; медь 0,5 - 0,7; ванадий 1,4 - 1,9; бор 0,05 - 0,15; алюминий 1,0 - 1,8; железо остальное (RU, патент 2012654, кл. С 22 С 37/06, 1994).

Этот состав чугуна не обеспечивает требуемых эксплуатационных характеристик - повышенной износостойкости и трещиноустойчивости.

Применение данного чугуна в качестве материала валков приводит к их быстрому выходу из строя в процессе эксплуатации, так как не достигается требуемое измельчение карбидов (размер достигает 10 - 12 мкм), что, в свою очередь, приводит к выкрашиванию карбидов из металлической основы вследствие слабой связи включения и матрицы.

Техническим результатом изобретения является повышение износостойкости и трещиноустойчивости, а также улучшение обрабатываемости чугуна за счет измельчения карбидных включений типа (Сr, Fe)₇С₃ и повышения изотропности микроструктуры и свойств по сечению отливки.

Технический результат изобретения достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, ванадий, бор и железо, дополнительно содержит молибден и цирконий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2 - 4; кремний 0,5 - 1,5, марганец 0,5 - 2,0; хром 10 - 20; медь 0,5 - 2,5; молибден 0,5 - 3,5; бор 0,05 - 0,1; цирконий 0,05 - 0,1; при этом отношение содержания хрома к углероду 5 - 10, а отношение суммарного содержания бора и циркония к содержанию хрома составляет 0,005 - 0,01.

Дополнительный ввод в состав чугуна молибдена дает существенное измельчение карбидных включений и уменьшение расстояния между карбидами в эвтектике.

Измельчение структуры - карбидных включений не только повышает износостойкость, но обеспечивает трещиноустойчивость чугуна, перераспределяя напряжение между карбидом и металлической основой. Несмотря на то, что при введении молибдена в указанных количествах и при наличии марганца в указанных пределах повышается твердость и износостойкость чугуна, обрабатываемость улучшается.

При вводе в состав чугуна молибдена в количестве ниже предложенных пределов (менее 0,5%) его действие на структуру и свойства чугуна не проявляется. Ввод молибдена сверх указанного предела (3,5%) экономически нецелесообразен.

Дополнительный ввод в состав чугуна циркония в указанных количественных соотношениях с бором обеспечивает повышение изотропности микроструктуры чугуна по сечению отливки, уменьшение эвтектических колоний и, как следствие, уменьшение напряжения при кристаллизации, повышение трещиноустойчивости и улучшение обрабатываемости отливок.

При вводе в состав чугуна компонента в количестве ниже предложенного (менее 0,05%) циркония его положительное действие на структуру и свойства чугуна не проявляется. При вводе в чугун выше предложенного предела (более 0,1%) циркония повышается хрупкость чугуна, что резко повышает склонность к образованию трещин валков в процессе их производства.

Соотношение содержания хрома к углероду 5-10 и суммарного содержания бора и циркония к хрому 0,005-0,01 обеспечивает необходимый баланс элементов для получения достаточного измельчения карбидных включений и положительной адсорбции циркония и бора по границам зерен.

При отношении содержания хрома к углероду менее 5,0 и циркония с бором к хрому менее 0,005, вследствие нарушения соотношения элементов и карбидообразования формируется грубая эвтектическая структура, которая ведет к транскристаллизации, что в свою очередь приводит к ухудшению эксплуатационных характеристик валков.

При отношении содержания хрома к углероду более 10 и циркония с бором к хрому более 0,01 вследствие нарушения баланса элементов происходит аномальная кристаллизация металлической основы, что приводит к снижению эксплуатационных характеристик металла валков.

Содержание основных элементов чугуна обеспечивает получение оптимальной структуры металла и высоких эксплуатационных характеристик валков.

Базовыми элементами состава заявленного чугуна являются углерод (2-4%), кремний (0,5-1,5%), марганец (0,5-2,0%), хром (10-20%) (с учетом содержания дополнительных элементов), обеспечивающие в предложенном соотношении высокую твердость и износостойкость металлической основы чугуна.

При содержании базовых элементов ниже нижнего предела не достигается требуемая твердость и износостойкость валков. При их содержании выше предложенных пределов повышается хрупкость и нарушается однородность матрицы чугуна, ухудшаются эксплуатационные характеристики металла.

Предложенные содержания меди, ванадия и бора обеспечивают равномерность распределения легирующих элементов и измельчение карбидных включений при кристаллизации раствора чугуна.

При содержании этих элементов ниже заявленных пределов их указанного действия недостаточно, а их ввод в состав чугуна выше предложенных пределов нецелесообразен.

Технический результат изобретения достигается путем взаимодействия в составе чугуна всех компонентов, поэтому исключение из него любого из компонентов приводит к изменению структуры и свойств металла и, как следствие, ухудшению эксплуатационных характеристик отливок.

В таблице представлены результаты испытаний предложенного состава чугуна в сравнении с известным чугуном и с чугуном с выходящими за предложенные пределы содержаниями элементов.

Как следует из результатов испытаний, представленных в таблице, чугун предложенного состава имеет более высокую твердость, более мелкие карбидные включения и, как следствие, повышенную износостойкость, но хорошую обрабатываемость.

Пример. Чугун плавили в индукционной тигельной печи емкостью 150 кг. Температура перегрева чугуна в печи 1450^oС, выдержка 15 мин. Температура заливки металла 1400-1420^oС.

Размер карбидных включений типа (Cr,Fe)₇С₃ определяли на структурном анализаторе "Epiquant". Износостойкость определяли на машине трения мод. SL-06 "Ниппон электрик индустри".