Белый чугун для мелющих тел

/ СОЮЗ СОВЕТСКИХ СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ РЕСПУБЛИК, 171587 б 5 Ц 5 С 22 С 37/О БРЕТЕНИВУ осится к металлургии, стойким чугунам, предзготовления мел ющй) гаются интенсивномуи гидроэрозионному ой среде.следующего химсоста 2,9-3,220-220,6-1,0ф 0,4-0,81;2-3,20,2-0,4Остальное СЯ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР ПИСАНИЕ ИЗО К,АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕ(56) Авторское свидетельство СССР(54) БЕЛЫЙ ЧУГУН ДЛЯ МЕЛЮЩИХ ТЕЛ(57) Изобретение относится к металлургии иможет быть использовано для изготовлениялитых мелющих тел преимущественно вметаллургии, а также в горнорудной, цеменИзобретение отв частности к износоназначенным для ител, которые подвеударно-абразивномуизносу в коррозионнИзвестен чугунва, мас,0/О:УглеродХромКремнийМарганецНикельТитанЖелезо Недостатком данного чугуна являет невысокий уровень физико-механическ свойств, ударостойкость 25 ударов до раз щения, ввиду наличия большого количест хромистой эвтектики грубого строения. тной, химической, угольной отраслях промышленности. Целью изобретения является повышение кавитационно-эрозионной стойкости, ударостойкости и износостойкости, снижение затрат на легирование чугуна. Предложенный чугун содержит углерод, кремний, марганец, хром, РЗМ, сурьму, алюминий, висмут и железо при следующем соотношении компонентов, мас.0: углерод 2,0-2,9; кремний 0,2-0,9; марганец 4,1-6; хром 15-20; редкоземельные элементы 0,001-0,090; сурьма 0,001-0,060; алюминий 0,3-1; висмут 0,001-0,020; железо остальное. Дополнительный ввод в состав предложенного чугуна А и В позволили повысить кавитацион но-эрозион ную стойкость в 1,1-1,3 раза, износостойкость в 1 02-1,42 раза, уда ростойкость в 1,42-1,74 раза и снизитьзатраты на легирование, 3 табл. Известен также чугун следующего хими- Б ческого состава, мас. :Углерод 2,8-3,6ВКремний 3,8-5,2Марганец 5,0-9,0Хром 2,7-4,3Титан . 0,2-0,8Железо ОстальноеНедостатком данного чугуна является низкая ударостойкость, 5 ударов до разрушения, кавитационно-эрозионная стойкость 90 мг/м ч и износостойкость 0,567 г/м ч, что2объясняется наличием хрупких карбидов типа (Ре, Сг)з С с относительно низкой микро- твердостью и крупными размерами.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун следующего состава, мас.%:Углерод 1,8-3,2Кремний 0,1-1,02,0-2,90,2-0,94,0-6,015-20 Марганец 0,5-3,5Хром 12-20Церий 0,02-0,05Сурьма 0,05-0,20Ниобий 0,1-4,0 5Железо ОстальноеНедостатком этого чугуна является недостаточно высокая стойкость при трении в коррозионной среде в условиях значительных ударных нагрузок: удароустойчивость 10 19 ударов до разрушения, кавитационноэрозионная стойкость 88 мг/м ч, износо 2 стойкость 0,528 г/м ч в связи с низкой устойчивостью аустенита, который претерпевает перлитные превращения при охлаж дении после литья. Кроме того, большой расход легирующих элементов повышает стоимость указанного чугуна и тем самым ограничивает его применение.Цель изобретения - повышение кавита ционно-эрозионной стойкости, ударостойкости, износостойкости, снижение затрат на легирование чугуна.Поставленная цель достигается тем, что в,чугун, содержащий углерод, кремний, мар ганец, хром, РЗМ, сурьму и железо допол-, нительно вводится алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас. ф/:Углерод 30КремнийМарганецХромРедкоземельныеэлементы 0,001-0,090 35Сурьма 0,001-0,060Алюминий 0,3-1,0Висмут 0,001-0,020Железо ОстальноеАлюминий в составе чугуна приводит к 40повышению литейных свойств, образованию мелкодисперсных неметаллических включений, измельчающих зерно и рафинирующих металл. Вследствие этого повышается износостойкость и ударостойкость 45 чугуна. Кроме того, наблюдается повышение кавитационно-эрозионной стойкости за счет способности алюминия на поверхности мелющих тел в процессе их эксплуатации образовывать плотный защитный слой, пре дохраняющий чугун от окисления.Модифицирование хромистого чугуна висмутом увеличивает сопротивляемость чугуна ударным, нагрузкам вследствие уменьшения склонности к образованию га зоусадочных дефектов в отливках, а также упрочнения металла дисперсными включениями структурно-свободного висмута.В известном решении алюминий вводится с целью обеспечения графитизации чугуна, уменьшения количества карбидов и улучшения механической обрабатываемости чугуна, Твердость при этом 20-22 НКС,В известном решении висмут вводят в состав чугуна для повышения предела прочности при изгибе вследствие измельчения структурных составляющих чугуна. Указанный чугун имеет ударостойкость 26 ударов до разрушения, кавитационно-эрозионную стойкость 75 мг/м ч;Нижние пределы содержания алюминия и висмута выбраны исходя из экспериментально установленного факта начала проявления их влияния на ударостойкость и кавитационно-эрозионную стойкость. Введение алюминия выше верхнего предела способствует графитизации чугуна, образованию плен из окислов алюминия и снижению литейных свойств (увеличивается объем усадочных раковин, литейная усадка), что приводит к повышению уровня напряжений в отливках, а следовательно, к трещинам.Повышение содержания в сплаве висмута выше приведенных концентраций нецелесообразно, так как происходит укрупнение структурно-свободных включений висмута, что приводит к снижению ударостойкости.Содержание углерода, хрома, кремния, марганца в чугуне в указанных пределах обусловлено необходимостью придания сплаву структуры доэвтектического хромистого чугуна, состоящего в литом состоянии из аустенита и эвтектики на базе хромистого карбида. При меньшем содержании углерода, хрома уменьшается кавитационно-эрозионная стойкость и износостойкость чугуна из-за образования карбидов цементитного типа. При большем содержании этих элементов уменьшается ударостойкость за счет увеличения общего количества карбидов и появление хрупких первичных карбидов,При содержании марганца меньше нижнего предела образующий при кристаллизации аустенит в процессе охлаждения частично превращается в перлит. При концентрации марганца больше верхнего предела расширяется интервал аустенитного превращения, снижается прокаливаемость, В результате пластичность чугуна увеличивается, а его износостойкость и кавитационно-эрозионная стойкость существенно снижается.Введение РЗМ в указанных пределах способствует очищению сплава от неметал- лического включений, гомогенизации расплава, что оказывает благоприятное влияние на кавитационно-эрозионную стойкость. Располагаясь в металлической основе и тем самым упрочняя ее, РЗМ способствуют повышению ударостойкости и износостойкости.Сурьма в предлагаемом концентраци-. 5 онном диапазоне образует интерметаллидные включения, располагающиеся в стыках дендритов, а также уменьшает интервал эв-.тектического превращения, что приводит кизмельчению зерна первичного аустенита й 410 упрочнению структуры, вследствие этого повышается кавитационно-эрозионнэа стойкость и ударостойкость чугуна. Введение сурьмы меньше нижнего предела.не изменяет свойства расплава, а выше верх-., 15него способствует укрупнению интерметал-,лидов на основе сурьмы, что приводит к снижению ударостойкости чугуна. Исключение ниобия из предложенного чугуна способствует увеличению ударостой 20 кости и кавитационно-эрозионной стойкости вследствие устранения сегрегаций карбидов ниобия в виде крупных гексагональных образований, которые гетерогеиизируют и охрупчивают сплав. 25 Положительный эффект при осуществлении изобретения будет получен благодаря тому, что алюминий способствует образованию мелкодисперсных неметаллических включений, рафинирующих ме.30 талл и формирует на поверхности плотный защитный слой, предохраняющий чугун от окисления, а висмут образует структурно- свободные включения висмута, в результате чего повышается кавитационно-эрозионная 35 стойкость, ударостойкость и износостой-кость.Для определения служебных показате-лей чугуна изготовлены 10 сплавов с граничными, выходящими за граничные и 40 оптимальными соотношениями всех ингредиентов, а также с выходящими за граничные и оптимальными соотношениями новых ингредиентов при фиксированных значениях остальных. Для сопоставительного ана лиза с прототипом приготовлен также сплав с известным соотношением ингредиентов ИСТ 016 с основной футеровкой,Основой для выплавки чугуна служил стальной лом 147 кг; электродный бой 2 кг;что обеспечивало получение заданныхпределов содержания углерода и кремния, 55 Для достижения нижнего предела со-, держания марганца, хрома в печь вводили следующие ферросплавы: 900 ферраьарганца 9,6 кг; 700 феррохрома 40,5 кг.(см, табл.1).Каждый сплав выплавлен в лаборатор-ных условиях в 200 кг индукционной печи 50 С учетом коэффициента усвоения К для марганца 0,90, хрома 0,95.Висмут 0,0023 кг, РЗМ 0,0044 кг, алюминий 0,642 кг добавляли в кусках в ковш перед разливкой. Коэффициент усвоения висмута 0,85, РЗМ 0,50, алюминия 0,93.Заливку металла производили в металлические формы при начальной температуре 1380 С. Отливали по 56 мелющих тел каждого варианта химического состава, из которых половина (28 шт.) отобрана в литом состоянии, а остальные прошли термическую обработку по следующему режиму: нагрев до 9600 С, выдержка в. течение 4 ч, охлаждение на воздухе, Микроструктура сплава после термической обработки состоит из тростомартенсита с включениями структурно-свободного висмута, карбидов типа МС З и неметаллических включений сферической формы.От каждого варианта отобрано по 10 мелющих тел в литом и термообработанном состоянии для испытания на ударостойкость и кавитационно-эрозионную стойкость и по 5 для определения износостойкости.МИспытания на ударостойкость проводили на вертикальном копре и определяли ее как количество ударов до разрушения мелющего тела при падении на него груза массой 79 кг с высоты 5 м с энергией удара 3870 Дж,Кавитационно-эрозионная стойкость мелющих тел определена в среде водопроводной воды с помощью диффузора при давлении воеы на выходном конце 1,10 х х 10 Н/м, напорном давлении 31,7 х х 10 Н/м и скорости потока 22 м/с, Исполь 5зовали образцы в виде пластинки размерами 20 х 40 мм и толщиной 3-5 мм.Для определения износостойкости из мелющих тел выточены образцы диаметром 10 мм и длиной 25 мм, Испытание проводили на машине МИ.М сухим трением скольжения образца по абразивному кругу при давлении 20 дин/см и скорости вращения 1,05 м/с.С целью определения экономической эффективности использования чугуна по сравнению с прототипом произведен расчет доплат за содержание легирующих элементов в полученных чугунах,Проведенные испытания показали (см. табл,2, 3), что по сравнению с прототипом предлагаемый чугун в литом состоянии имеет более высокие кавитационно-эрозионную стойкость на 23-270 , ударостойкость на 10-14 ударов до разрушения, износостойкость на 20-30%.В термообработанном состоянии предлагаемый чугун имеет на 28-310 более вы1715876 0,001-0,090 0,001-0,060 0,3-1,0 0,001-0,020 ОстальноеТаблица 1 Массовая оля элементов Чугун Се езм Сг Мл 0,0010,0200,00090,030,01050,00090,0010,01050,0200,030 0,3 1,0 0,2 1,1 0,65 02 0,3 0,65 1,0 1.0 0,001 0,060 0,0009 0,070 0,0305 0,0305 0,0305 0,0305 0,0305 0.0305 0,001 0,090 0,0009 О, 00 0,0455 0,040 0,040 0,040 0,040 0,040 15,0 20,0 14,0 21,0 17,5 17,0 17,0 17,0 17,0 17,0 0,2 0,9 0,1 1,О 0,55 0,4 0,4 0,4 0,4 О,4 2,0 2,9 1,9 3,0 2,45 2,5 2,5 2,5 2,5 2,5 4,1 6,0 4,0, 6,1 5,1 5,0 5,0 5,0 5,О 5,0 г 3 4 5 6 7 8 9 10 Прото- тип 2.05 0,035 0,035 о 125 16,0 0,55 2,0 2.5 40 45 50 55 сокую кавитационно-эрозионную стойкость, на 15-20 ударов до разрушения более высокую ударостойкость, на 40-60 е выше износостойкость по сравнению с прототипом при высоких показателях твердости и предела прочности при растяжении. Снижение затрат на легирование составляет 3275- 3287 руб/т.Согласно данным проведенных лабораторных испытаний белый чугун в термообработанном состоянии в сравнении с прототипом обладает на 28-31 более высокой кавитационно-эрозионной стойкостью, на 15-20 ударов до разрушения более высокой ударостойкостью, на 40-60% более высокой износостойкостью по сравнению с прототипом при высоких показателях твердости и предела прочности при растяжении.Снижение затрат на легирование составляет 3275-3287 руб/т,По сравнению с базовым объектом предложенный чугун после термообработки имеет кавитационно-эрозионную стойкость на 29-33 е выше, на 30-35 удара до разрушения более высокую ударостойкость, на 46-66более высокую износостойкость. Использование чугуна для отливки мелющих тел позволит сэкономить до 1,4 тыс,т чугуна в год,5 Формула изобретения Белый чугун для мелющих тел, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, редкоземельные металлы, сурьму и железо, 10 отличающийся тем,что,сцельюповышения кавитационно-эрозионной стойкости, ударостойкости, износостойкости, снижения затрат на легирование, он дополнительно содержит алюминий и вис мут при следующем, соотношении компонентов, мас.:Углерод 2,0-2,9 Кремний 0,2-0,9 Марганец 4,1-6,0 20 Хром 15-20РедкоземельныеметаллыСурьмаАлюминий25 ВисмутЖелезоГ10 1715876 Таблица 2 Предел прочности при растяжении, ав, кгс/мм Износ,г/м ч Относительная износо- стойкость,Тве ость Кавитаци- онно-зрозионнаястойкость, мг/м ч Ударо- стойкость, количество ударов до разрушения Чугун НВ НЯС 0,424.0,477 0,541,0,514 0,398 0,535 0,420 0,370 0,398 0,498 0,528 0,567 90 86 93 480 49,5 Таблица 3 Чугун Кавита- ционно- эрозионная стойкость, мг/м ч Относи,тельная износо- стойкость,Ударо- стойкость,количество ударов до разруше- ния Доплата за содержание легирующих эле- ментов Износ,г/м ч Тве ость Предел прочности при растяжении, ое кгс/мм НЯС НВ 0,528 512 100. 20 98 3401,73 53 90 0,562 94 490 67,35 50 Составитель Г. ДудикТехред М.Моргентал Корректор М, Пожо Редактор О. Спесивых Заказ 581 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Прототип Базовый объект 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Прототип Базовый объект 78 76 80 79 68 81 67 64 68 83 88 70 68 85 83 66 82 62 60 62 80 34 36 29 30 37 29 35 40 37 31 29 28 29 28 31 31 30 33 29 30 19 0,345 0,292 0,318 0,345 0,239 0,558 0,315 0,211.0,2900,563 135 145 140 135 155 95 140 160 145 93 120 110 98 103 125 98 120 130 125 106 100 550 580 525 530 540 530 555 580 560 525 520 525 510 515 535 520 545 540 540 515 510 57 60 54 55 56,5 54,5 58 61 57 56 53,5545253,55653,556,55655,552,552,0 105 103 100 95 109 101 109 112 107 97 100 101 96 96 103 97 105 106 103 95 96 96,41 150,43 89,82 160,83 129,62 112,92 113,99 120,29 126,59 130,43