Износостойкий чугун

(5)5 С 22 С 3 ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ПАТЕНТУ(57) Изо может б износо ния: пр 2,1-3,6;3,7-7,1; ное. До женног НВСэ в зивной(56) Авторское свидетельство СССРйт 378492, кл, С 22 С 37/06, 1971.МИТОМ, 1981, М 1, 52-55.(54) ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким сплавам,Известен сплав, содержащий, мас.о: Углерод 2,3-3,4 Кремний 1,2-3,0Марганец 1,5-5,0 Хром 11,5-18,0 Ванадий 0,2-2,5 Железо Остальное После термической обработки этот чугун при высокой твердости (НКС 60-62) имеет недостаточно высокие. значения прочности (ов до 500 МПа) и износостойкости (относительная абразивная износостойкость я до 2,6), Еще ниже свойства этого чугуна в литом состоянии (т.е. без термической обработки).Наиболее близким к предлагаемому по свойствам является белый чугун следующего химического состава, мас, :Углерод 2,1-3,7 Кремний 0,6-1,9 Марганец 0,8-20 Хром 4-15Ванадий 6-17Железо Остальное Ж, 1725757 АЗ бретение ртносится к металлургии и ыть использовано при производстве тойких сплавов. Сущность изобретеедложенный чугун содержит, мас.;: С Я 0,3-1,3; Мп 1,9-3,4; Сг 5,3-10,1; Ч А 0,1-0,5; Са 0,002-0,02 и Ге остальполнительный вод в состав предлоо чугуна Са и А позволяет повысить 1,07-1,16 раза иснизить износ в абра- среде в 2,08-2,89 раза. 2 табл. Этот чугун обладает более высокимизначениями прочности и иэносостойкости непосредственно в литом состоянии. Однако несогласованное соотношение содержаний марганца и хрома может приводить к частичной или полной аустенитизации металлической основы (матрицы) чугуна, что ограничивает возможности его использования условиями ударно-абразивного воздейст- - ф вия (наподобие стали 110 Г 13 Л), в которых он обладает высокой износостойкостью, В Я условиях чисто абразивного изнашивания (без значительных ударных нагрузок) износостойкость этого чугуна существенно ниже, особенно для деталей небольших сечений (до 40-50 мм).Целью изобретения является повышение абразивной износостойкости чугуна в литом состоянии. ОдУказанная цель достигается тем, что чугун, содержащий железо, углерод, кремний, марганец, хром и ванадий, дополнительно содержит алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.о. Углерод 2,1-3,6 Кремний 0,3-1,350 55 Марганец 1,9-3,4 Хром 5,3-10,1 Ванадий 3,7-7,1 Алюминий 0,1-0,5 Кальций 0,002-0,02 Железо Остальное В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,06 ) и фосфор до 0,08 ). Кроме того, содержания компонентов должны. соответствовать следующим условиям: П 1 = ИСг = 0,7-1,0; П 2 = Ч + Сг = =9,0-17,2; Пз = М и + 0,3 С г = 3,64-6,15 .Состав чугуна выбран исходя из следующих соображений.По сравнению с прототипом упорядочено суммарное содержание марганца и хрома в соответствии с параметром Пз. В этом параметре содержания марганца и хрома суммируются пропорционально их коэффициентам концентрации в аустените. Ограничение по параметру Пз обеспечивает получение в отливках мартенситной структуры матрицы чугуна при небольшом возможном количестве остаточного аустенита, не оказывающем существенного влияния на твердость и износостойкость чугуна.Минимальное содержание марганца (1,9 ) рекомендуется для тонкостенных отливок (с толщиной сечения до 15 мм). Верхний предел содержания марганца (3,4 ) целесообразно использовать для отливок с толщиной сечения 40-50 мм. В этом случае условия охлаждения отливки в форме обеспечивают ее сквозную прокаливаемость на достаточно высокую твердость (не менее НВСз 55). В промежуточных сечениях (с толщиной 15-30 мм) достаточно стабильные результаты по твердости и износостойкости обеспечивает весь интервал содержаний марганца.Содержание хрома ограничено интервалом 5,3-10,1 . При выходе содержания хрома за нижний предел становится недостаточной степень легирования аустенита и мартенсита, следствием чего является снижение прокаливаемости, твердости и износостойкости чугуна, При содержании хрома более 10,1 в структуре литого сплава резко уменьшается количество двойной эвтектики А+ ЧС (где А - аустенит, ЧС - карбид ванадия) и преобладающей становится тройная эвтектика А+ мтСз+ чС (где м 7 Сз - комплексный карбид типа СгтСз), Это приводит к снижению свойств чугуна.Верхний и нижний пределы интервала значений параметра Пз обусловлены условиями необходимой прокаливаемости аналогично требованиям по содержанию марганца, Интервал значений Пз обеспечивает получение литой структуры с преобла 10 15 20 25 30 35 40 45 данием мартенситной основы, что проявляется в высокой твердости и износостойкости чугуна.Кремний в пределах содержаний до 1,3 обеспечивает карбидное старение матрицы чугуна при охлаждении отливки в форме. Кремний также способствует замене ледебурита в структуре белого чугуна специальными эвтектиками, что обеспечивает повышение свойств чугуна, При содержании кремния более 1,3; наблюдается снижение прочности чугуна из-за ускоренной коагуляции упрочняющих карбидных частиц. На нижнем пределе (0,3 ) кремний является технической примесью.Содержание ванадия рекомендуется в интервале 3,7-7,1 в зависимости от содержаний углерода и хрома), При содержании ванадия менее 3,7 в структуре чугуна преобладает тройная эвтектика, что проявляется в снижении свойств чугуна. Минимально необходимое содержание ванадия определяется также условиями П и П 2 (в зависимости от содержаний хрома), При несоблюдении этих условий свойства чугуна ухудшаются из-за резкого увеличения в структуре количества тройной эвтектики и даже появления ледебурита. Содержание ванадия более 7,1 нецелесообразно из-за существенного удорожания сплава без заметного улучшения свойств.Содержание ванадия в чугуне рекомендуется принимать в зависимости от содержания углерода при, : С 2,1-2,5 Ч - 3,7-4,5; С 2,8-3,2 Ч 5-6; С 3,4-3,6 Ч - до 7,1.Алюминий в составе чугуна обеспечивает три эффекта: совместно с кремнием усиливает карбидное старение сплава, ускоряет распад аустенита и увеличивает степень мартенситного превращения; совместно с силикокальцием оказывает модифицирующий эффект и измельчает эвтектические колонии в структуре чугуна. Все это повышает твердость и износостойкость чугуна. Однако слишком большое количество алюминия (свыше 0,5 ф ) резко ухудшает литейные свойства сплава. Кальций вводится в сплав в виде силикокальция и оказывает сильный модифицирующий эффект. Его остаточное содержание целесообразно поддерживать в количестве 0,002-0,02. Меньшее содержание кальция, соответствует немодифицированному сплаву, В большем количестве он образует неметаллические включения, ухудшающие свойства чугуна. Модифицирующий эффект действия кальция приводит к измельчению структуры, повышению твердости и износостойкости чугуна.9,00 10,54 11,71 4,46 17,20 12,12 5 ЭО 370 5,80 474 5,85 5,86 8,14 6,32 10,10 7,10 4,82 730 2,77 1,90 2;53 3,40 3,12 164 1 2,10 1,302 2,68 0,843 293 0 ЭО4 3,15 0,555 3,60 0,716 1,82 0,73 Отклонения поС, Мп, Ст Ч А 1Са Пт ПЗОтклонения по 36,Ст,Отклонения по С тА 1, Са, Пт ПВОтклонения по 01Мд А 1, Са, П 7 2,98 1,68 4,62 12,ЭО 5,40 0,23 0,005 0,44 12,70 8,31 8 3,94 0,91 3,10 6,13 2,02 0,82 0031 О 33 815 4,94 1,40 5,12 6,96 6,04 - - 0,87 13,00 7,21 9(из,87вестний) 55 Предлагаемый интервал содержания углерода (2,1-3,6%) обеспечивает формирование в структуре сплава колоний двойной итройной эвтектики, Когда необходима повышенная ударная вязкость, целесообразно 5использовать малоуглеродистый чугун (2,124 070, С), В этом случае в структуре чугуна преобладает двойная эвтектика, небольшоеколичество тройной эвтектики располагается в структуре в виде изолированных включений. Чем больше углерода в чугуне, тембольше количество специальных карбидов ивыше абразивная износостойкость, Однакопри содержании углерода более 3,6% вструктуре чугуна появляются крупные заэвтектические карбиды, которые в процессеэксплуатации деталей легко выкрашиваются, что увеличивает износ деталей,Плавки чугуна проводили в открытыхиндукционных тигельных печах на шихте, 20состоящей из углеродистой стали, электродного боя и ферросплавов (ферросилиция,ферромарганца, феррохрома и феррованадия). Ферросплавы вводили в расплав, перегретый до 1380-1450 С (в зависимости от 25содержания углерода). При переливе металла в разливочный ковш вводили алюминийи силикокальций.Жидкий металл разливали в сухие песчано-глинистые формы, Отливали заготовки 30сечением 15 х 15 мм и разрывные образцы срабочим сечением диаметром 10 мм. Изквадратных заготовок изготавливали образ-цы для определения твердости и износостойкости, а также стандартные образцы на 35ударный изгиб. Испытания на износ проводили трением по абразивной ленте (из корундовой шкурки) при скорости движенияее 6 м/мин и удельной нагрузке 3 МПа,Износ определяли по потере массы в про цессе изнашивания, Относительную абразивную износостойкость оценивали коэффициентом Е= ОэИмгде Оэ и Ом - значения износа эталона и испытуемого материала. В качестве эталона использовали образцы из стали 45 (НВ 197- 207).Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены в табл. 1 и 2 в сопоставлении с прототипомВидно, что чугун предлагаемого состава (сплавы 1-5) отличается от прототипа более высокой твердостью и значительно более высокой абразивной износостойкостью. При выходе за предлагаемые пределы содержаний компонентов в сплаве существенно снижаются его свойства, прежде всего износостойкость.Формула изобретения Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий и железо, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения твердости и абразивной износостойкости, он дополнительно содержит алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:Углерод 2,1-3,6 Кремний 0,3-1,3 Марганец 1,9-3,4 Хром 5,3-10,1 ,Ванадий 3,7-7,1 Алюминий 0,1-0,5Кальций 0,002-0,02Железо Остальное причем содержания хрома, ванадия и марганца удовлетворяют следующим соот- ношениямиI Сг = 0,7-1,0; Ч+ Сг = 9,0-17,2%; Мп+ 0,3 Сг= 3,64-6,15%. Характеристика Г п 22П 21725757Таблица 2Износ приведен на пути трения 1 м.102025Составитель Г. Дудик Редактор Н, Лазаренко Техред М.Моргентал Корректор М. Демчик Заказ 1188 Тираж ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР113035. Москва, Ж, Раушская наб., 4/5Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101