износостойкий чугун

Формула изобретения

Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, молибден, титан и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ниобий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 3,6-4,2

Кремний 2,2-3,2

Марганец 4,5-12,0

Хром 2,7-4,3

Медь 0,25-1,2

Титан 0,15-0,65

Молибден 0,5-1,5

Ниобий 2,5-4,5

Кальций 0,005-0,01

Железо Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам, для работы в условиях ударно-абразивного износа.

Известен износостойкий чугун [А.с. СССР №945218, С 22 С 37/06, 23.07.82. Бюл. №27], содержащий, мас.%:

Углерод 2,8-3,6

Кремний 3,8-5,2

Марганец 5,0-9,0

Хром 2,7-4,3

Титан 0,2-0,8

Железо остальное

Недостатком известного чугуна является невысокая ударно-абразивная износостойкость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун [А.с. СССР №1013508, С 22 С 37/00, 23.04.83. Бюл. №15], содержащий, мас.%:

Углерод 3,2-4,2

Кремний 2,25-3,0

Марганец 6,5-16,0

Хром 2,5-4,8

Никель 0,5-6,5

Медь 0,5-2,2

Ванадий 0,3-4,85

Иттрий 0,005-0,05

Церий 0,02-0,05

Титан 0,15-0,65

Алюминий 0,15-0,8

Молибден 0,4-1,8

Бор 0,005-0,08

Железо остальное

Недостатком прототипа являются относительно невысокая ударно-абразивная износостойкость (в среде дроби, окалины, песка и т.д.), ударная вязкость и высокая стоимость. Наличие в составе этого чугуна алюминия способствует стабилизации аустенитной металлической структуры, что при абразивном изнашивании неблагоприятно, т.к. аустенитная матрица не переходит в мартенситную при трении об абразив. Наличие в составе иттрия и церия приводит к значительному измельчению карбидной фазы, что неблагоприятно при изнашивании о закрепленный абразив. Действие абразивных частиц на мелкие карбидные включения приводит к “выкрашиванию” последних из металлической матрицы, что понижает износостойкость.

Изобретение решает задачу повышения ударно-абразивной износостойкости чугуна путем образования метастабильного аустенита, который в процессе ударно-абразивного воздействия в поверхностном слое претерпевает аустенитно-мартенситное превращение.

Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, молибден, титан и железо, дополнительно содержит ниобий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 3,6-4,2

Кремний 2,2-3,2

Марганец 4,5-12,0

Хром 2,7-4,3

Медь 0,25-1,2

Титан 0,15-0,65

Молибден 0,5-1,5

Ниобий 2,5-4,5

Кальций 0,005-0,01

Железо остальное

Предлагаемый чугун в литом и термообработанном состоянии имеет преимущественно аустенитную металлическую основу и карбиды типов (Fе, Мn)₃С, (Fе, Сr)₃С и NbC. Повышение ударно-абразивной износостойкости достигается получением очень твердых карбидов ниобия преимущественно сферической формы, располагающихся в метастабильной аустенитной матрице. В процессе изнашивания аустенит претерпевает в поверхностном слое деталей превращение в мартенсит, сопровождающееся выделением избыточных дисперсных карбидов, что вызывает дополнительное повышение износостойкости.

Содержание компонентов в чугуне в указанных пределах обеспечивает высокий уровень механических свойств чугуна и износостойкость.

При содержании углерода менее 3,6% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы, при содержании углерода, превышающем 4,2%, в структуре появляется большое количество свободного графита, что обуславливает снижение прочности чугуна.

Кремний в указанных пределах способствует образованию карбида хрома. При содержании кремния менее 2,2% образуется избыточное количество карбидов, увеличение его содержания более 3,2% сопровождается образованием большого количества графита, что уменьшает прочностные свойства чугуна.

Марганец значительно понижает эвтектоидное превращение железоуглеродистых сплавов и способствует аустенизации чугунов. При содержании марганца менее 4,5% в структуре металлической основы появляется значительная доля мартенсита и продуктов перлитного распада, что снижает износостойкость и ударную вязкость. Повышение концентрации марганца более 12,0% приводит к чрезмерной стабилизации аустенита, что уменьшает эффект поверхностного самоупрочнения при изнашивании и снижает ударно-абразивную износостойкость.

Присутствие хрома обусловлено необходимостью получения в структуре чугуна карбидов хрома, обладающих высокой микротвердостью. Содержание хрома в указанных пределах обеспечивает оптимальное количество карбидной фазы.

Медь способствует аустенизации и повышает жидкотекучесть чугуна. Медь повышает дисперсность перлита и снижает степень его аномальности, что способствует повышению твердости и износостойкости чугуна. Поскольку аномальность перлита в наибольшей степени проявляется в глубинных слоях отливки, то медь способствует снижению спада твердости (износостойкости) по глубине рабочего слоя. Такое влияние меди проявляется при повышении ее содержания от 0,25%. Однако при содержании ее более 1,2% аномальность перлита устраняется полностью, а дальнейшее увеличение ее содержания сопровождается появлением графитных включений.

Ведение в состав чугуна молибдена обеспечивает повышение прочности металлической матрицы, увеличение износостойкости, способствует измельчению структуры металлической основы. Благоприятное влияние молибдена на микроструктуру и свойства чугуна начинает проявляться при его содержании в чугуне больше 0,5%. При увеличении содержания молибдена больше 1,5% его влияния на свойства чугуна не наблюдается.

Титан в используемых количествах является модификатором. Его модифицируемое действие начинает проявляться при содержании 0,15%. При содержании титана больше 0,65% наблюдается ухудшение формы и увеличение размеров графитовых включений, что приводит к снижению прочностных свойств чугуна.

Введение в состав чугуна ниобия приводит к образованию очень твердых карбидов NbC, преимущественно сферической формы, располагающихся в метастабильной аустенитной матрице. При содержании ниобия ниже 2,5% доля карбидов повышенной твердости NbC значительно уменьшается, что вызывает падение износостойкости. Увеличение концентрации ниобия более 4,5% нецелесообразно, т.к. это не приводит к заметному росту износостойкости, однако существенно удорожает чугун.

Кальций вводится для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен, улучшения механических и литейных свойств. Введение кальция в количествах, меньших 0,005%, заметного эффекта не дает, а добавки его более 0,01% вызывает удорожание чугуна без заметного роста свойств.

Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.

Таким образом, заявляемая совокупность и концентрации легирующих элементов позволяют повысить ударно-абразивную износостойкость чугуна, вязкость и снижает спад твердости по глубине рабочего слоя.

Плавку исследуемых чугунов проводят в индукционных печах с основной футеровкой тигля. В качестве шихтовых материалов используют литейный и передельный чугуны, катодную медь, ферросплавы молибдена, хрома, марганца, титана, ниобия, силикокальций. Металл нагревают до 1420-1450°С, а разливка производится при температуре 1380-1400°С в просушенные и прогретые песчано-глиняные формы.

В таблице представлены результаты механических свойств чугунов. При испытаниях на износостойкость в качестве эталона был принят серый чугун СЧ 18.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в экономии металла и снижении эксплуатационных затрат за счет увеличения долговечности деталей, изготовленных из предложенного чугуна.

Таблица
№ плавки	Содержание элементов*, маc.%															Твердость НВ	Предел прочности при растяж., МПа	Относ. ударно-абразивная износостойкость, Е
	С	Si	Mn	Cr	Ni	Си	V	Y	Се	Ti	Аl	Мо	В	Nb	Са
1	3,6	2,2	4,5	2,7	-	0,25	-	-	-	0,15	-	0,5	-	2,5	0,005	360	455-462	92,5
2(оптим.)	4,0	2,8	9,5	4,1	-	0,85	-	-	-	0,2	-	1,29	-	4,2	0,008	390	481-490	118
3	4,2	3,2	12,0	4,3	-	1,2	-	-	-	0,65	-	1,5	-	4,5	0,01	382	470-485	112
По составу прототипа	3,51	2,98	6,5	3,74	0,95	1,82	0,51	0,05	0,05	0,65	0,39	0,69	0,009	-	-	357	448-461	85
* Остальное железо и примеси.