Износостойкий чугун

(71) Донецкий политехнический институт (72) Ю,С, Шаповалов, Ю.Б. Бычков, В.П. Моисеев, П.Е. Власов, Е.Ф, Долженкова и Г,А. Петелин(56) Авторское свидетельство СССР М 1076484, кл. С 22 С 37/10, 1982.Авторское свидетельство СССР И. 1028734, кл, С 22 С 37/10, 1980. (54) ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН Изобретение относится к металлургии и литейному производству и может быть использовано для изготовления деталей, работающих в условиях гидроабразивного воздействия, например колена пульпопроводов, сменные детали шламовых насосов.Известен чугун, содержащий в качестве основы углерод, кремний, марганец, сурьму, молибден, титан, олово, фосфор и железо. Данный сплав предназначен для корпусных деталей насосов, перекачивающих агрессивную среду, Перечисленные ингредиенты чугун содержит в следующих пределах, мас % 3,2-3,4 1,6-3,0 0,005 - 0.04 0,5-0,14 0,1-0,4 0,3 - 0,55 0,15 - 0,33 0,1-0,6 Остальное.КремнииМарганец СурьмаМол ибдТитан 1,8 - 2,6 0,4-0,8 0,4-0,8 Фосфор Железо ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И.ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР(57) Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для. производства отливок, работающих в гидроабразивной среде, Цель изобретения - повышение гидроабразивной износостойкости в термообработанном состоянииПредложенный чугун содержит, мас.%: С 1,4-1,9; Я 0,5-3,0; Мп 0,5 - 3,0; Сг 11-14; й 0,6 - 1,0; Св 0,3 - 0 8; Мо 0,3 - 0,8; А 0,1 - 0,8; Ч 0,1-0,6; Т 0,1-0,6;. Са 0,025-0,08; Ге остальное. Дополнительный ввод в состав предложенного чугуна Са позволяет повысить гидроабраэивную стойкость в 1,04-1,24 раза. 1 табл. Недостатком этого чугуна является низкая износостойкость в условиях воздействия коррозионной среды.Низкая гидроабразивная износостойкость обусловлена особе 1 ностями структурного состояния данного сплава.Кеупрочненные ферритные участки легкоокисляются под воздействием коррозии иразрушаются потоком абразивных частиц,Включения графита являются концентраторами напряжений, что приводит к откалыванию микрообъемов структурныхсоставляющих сплава под воздействиемскоростного потока абразива, Следовательно, такой чугун не может успешно применяться в условиях гидроабразивноговоздействия,Наиболее близким по составу к предлагаемому сплаву является чугун, применяемый для изготовления деталей, работающихв условиях интенсивного трения. Этот чугунсодержит, мас.%:Углеродабразивной стойкости чугуна в термообра 45 5055 Хром 9,0 - 10,5 Тигран 0,001-0,10 Ванадий 0,1 - 0,5 Медь 0,55 - 0,80 Молибден 0,2-2,2 Никель 0,55 - 1,1 Алюминий 0,1 - 0,3 Железо Остальное Микроструктура данного сплава - аустенитная матрица с расположенными в ней , карбидами типа М 7 Сз.Корроэионная стойкость у известного чугуна гораздо выше, чем у сплава-прототипа, однако гидроабразиеная стойкость является недостаточной. Гидроабраэивная стойкость низка потому, что е структуре сплава присутствуют крупные карбиды М 7 Сз, микротвердость аустенитной матрицы невысока и она не упрочнена специальными сложнолегированными карбидами,выделяющимися е процессе термообработки. Таким образом, чугун известного состава не может успешно противостоять гидроабраэивному воздействию.Следовательно, сбалансировав химический состав чугуна-.прототипа.так, чтобы в матрице, состоящей из мелкокристаллического мартенсита и остаточного аустенита, равномерно размещались измельченныекарбиды МУСз и, дополнительно упрочнив матрицу вторичными карбидами, удается значительно повысить гидроабразивную стойкость материала.Цель изобретения - повышение гидроботанном состоянии за счет значительного прироста иэносостойкости деталей, что сокращает затраты на ремонт оборудования.Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, ванадий, медь, молибден, никель, алюминий и железо, дополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас, ; Углерод 1,4-1,9 Кремний 0,5-3,0Марганец 0,5-3,0 Хром 11,0-14,0Никель 0,6 - 1,0 Медь 0,3-0,8Молибден 0,3-0,8 Алюминий 0,1-0,8 Ванадий 0,1-0,6 Титан 0,1-0,6 Кальций 0,025-0,08Железо ОстальноеСодержание углерода в новом чугуне находится в пределах 1,4-1,9 0, Углерод, являясь элементом, обеспечивающим образо 10 152530 вание карбидной фазы. необходим в составе данного сплава, При содержании углерода менее 1,4 О, в сплаве образуется недостаточное количество карбидов, Увеличение содержания углерода более чем 1,9 О приводит к огрублению карбидов эвтектического типа, что способствует протеканию избирательного износа основы сплава,. Кремний вводится в состав чугуна как раскислитель. Помимо этого .кремний способствуетупрочнению матрицы сплава и повышает его коррозионную стойкость. При содержании кремния менее 0,65 О он недостаточно выполняет функцию раскислителя. Содержание креМния более 3,00; способствует графитизации чугуна. что отрицательно сказывается на его износостойкости.Марганец способствует снижению температуры мартенситного превращения и увеличивает количество нестабильного остаточного аустенита, который, претерпевая превращения при последующей термической обработке, дополнительно упрочняет матрицу сплава. При содержании марганца .менее 0,5 О он не оказывает влияния на количество остаточного аустенита. Содержание марганца более З,ОО, приводит к образованию в структуре больших аустенитных участков, не испытавших превращения после термической обработки, что снижает износостойкость сплава.Никель используется для подавления перлитного превращения и увеличения коррозионнойстойкостисплава. Содержание никеля менее 0,6, не приводит к подавлению перлитногб превращения в толстостенных отливках, Увеличение содержания никеля более 1,0 О приводит к ухудшению обрабатываемости сплава, что нежелательно,В составе нового чугуна хром находится е пределах 11,0-14,0 О, Хром является основным элементом, входящим е состав карбидов эвтектического типа. Растворяясь в матрице сплава, хром способствует достижению высоких коррозионных свойств чугуна. При содержании хрома менее 11,0 не достигается требуемая износостойкость изэа образования недостаточного количества карбидов эвтектического типа, При повышении содержания хрома более 14,0 О наблюдается значительное укрупнение карбидов и дальнейшего роста износостойкости не наблюдается,Медь в состав чугуна вводится для стабилизации аустенита в перлитной области и повышения износостойкости, а также для увеличения иэносостойкости материала, Содержание меди менее 0,30/, не приводит к стабилизации аустенита в перлитной области и к заметному повышению износостойкости и коррозионной стойкости сплава, Увеличение содержания меди более 0,8 О нецелесообразно из-за ограниченной ее растворимости в железе.Молибден в составе чугуна находится в пределах 0,3-0,8 оь. Вводится молибден для упрочнения карбидов чугуна, увеличения прокаливаемости, Присутствуя в составе карбидов эвтектического типа, молибден увеличивает их прочность и пластичность, что повышает их способность к сопротивлению скоростному потоку абразивных частиц, уменьшает вероятность их хрупкого разрушения. Молибден входит в состав матрицы сплава и, выделяясь из нее в виде вторичных карбидов (после отпуска), способствует достижению высокой гидроабразивной стойкости. Увеличивая прокаливаемость сплава, молибден способствует тому, что детали отличаются равномерной структурой по всему сечению отливки, Содержание молибдена менее 0,3 О не приводит к значительному упрочне. нию карбидов(их микротвердость не возрастает) и при этом не образуется достаточного числа вторичных карбидов. С повышением содержания молибдена более 0,8 ОО прироста гидроабразивной износостойкости не наблюдается,Алюминий в составе чугуна присутствует для раскисления, увеличения коррозионной стойкости сплава. Активно взаимодействуя с кислородом, алюминий способствует наиболее полному удалению его из расплава. Остаточный алюминий, находящийся в твердом растворе, повышает его коррозионные свойства, При содержании алюминия менее 0,1 О, он не выполняет функции раскисления расплава. Увеличение содержания алюминия свыше 0,8 О не приводит к дальнейшему росту коррозионной стойкости чугуна.Содержание ванадия в новом чугуне 0,1-0,6 О. Ванадий оказывает благоприятное влияние на структуру чугуна, измельчая эвтектические карбиды, Ванадий входит в состав вторичных карбидов (образующихся при отпуске) и повышает их пластичность, делает карбидную фазу мелкодисперсной, При содержании ванадия менее 0,1 О его влияния нэ диспергирование карбидной фазы не наблюдается. Увеличение содержания ванадия более 0,6 О не приводит к дальнейшему измельчению карбидов,Титан в чугуне находится в пределах 0,1-0,6%. Титан вводится в чугун для повышения гидроабразивной износостойкости, Обладая большим сродством к углероду, чем хром, молибден и ванадий, титан при45 50 5 10 15202530 35ао кристаллизации расплава образует многочисленные карбиды, которые, являясь центрами кристаллизации, измельчают структурные составляющие сплава. При этом карбиды титана отличаются высокой твердостью и прочностью, Образование специальных карбидов титана приводит к увеличению концентрации хрома в твердом растворе. Это способствует повышению коррозионной стойкости чугуна без снижения его износостойкости, При содержании титана менее.0,1 О его влияния на увеличение гидроабразивной стойкости недостаточно. Повышение содержания титана более О,бо приводит к охрупчиванию сплава.Содержание кальция в чугуне находится в пределах 0,025 - 0,08 О. Растворяясь в аустените чугуна по способу внедрения, кальций изменяет энергетическое состояниематрицы, приводит к увеличению микро- искажений кристаллической решетки, что создает повышенную плотность дислокаций, При этом появляется дополнительный стимул к диффузии растворенных в матрицемолибдена и ванадия элементов, способных образовывать вторичные карбиды (при отпуске). Это благоприятно сказывается на повышении гидроабразивной стойкости чугуна в термообработанном состоянии, помимо этого, создавая дополнительные искажения кристаллической решетки, кальций способствует повышению твердости мартенсита закалки. При этом не происходит уменьшения количества остаточногоаустенита, что повышает способность сплава противостоять коррозии, а следовательно, ведет к значительному приросту гидроабразивной стойкоСти сплава в состоянии термоулучшения. При вводе кальция в состав сплава количество вторичных карбидов увеличивается на 10-150. Повышение плотности дислокаций приводит к повышению микротвердости мартенсита закалки на 480-580 Н/мм, При этом не происходит уменьшения количества остаточного аустенита. Такая микроструктура является оптимальной для достижения высоких значений гидроабразивной износостойкости металла.Таким образом, совместное влияние углерода, кремния, марганца, никеля, хрома, меди, молибдена, алюминия, ванадия, титана и кальция проявляется в следующем, Углерод является необходимым элементом для образования карбидов, которые способствуют достижению требуемой гидроабразивной стойкости, Кремний является раскислителем и способствует упрочнению матрицы сплава, Марганец, понижая темпе 1731855ратуру начала мартенситного превращения, дополнительно упрочняет матрицу сплава. Никель применяется для подавления перлитного превращения и повышения коррозионной стойкости. Хром, образуя эвтектические карбиды, обеспечивает требуемую гидроабразивную износостойкость и, растворяясь в матрице чугуна, обеспечивает высокую коррозионную стойкость. Медь способствует повышению гидроабразивной износостойкости. Молибден упрочняет карбиды и увеличивает прокаливаемость. Алюминий, активно раскисляя расплав и растворяясь в матрице, увеличивает коррозионную стойкость, Ванадий и титан, измельчая карбидную фазу и входя в состав специальных карбидов, повышают гидроабразивную износостойкость. Кальций обеспечивает повышеннье эксплуатационные свойства материала, растворяясь в матрице сплава по способу внедрения, изменяет ее энергетическое состояние, приводит к увеличению микроискажений кристаллической решетки, что создает дополнительный стимул для диффузии растворенных в матрице молибдена и ванадия, это увеличивает количество вторичных карбидов (образующихся при отпуске), при этом происходит значительное увеличение гидроабразивной стойкости чугуна, также повышается микротвердость матрицы за счет упрочнения мартенсита закалки (без уменьшения количества остаточного аустенита), приводящая к повышению сопротивляемости сплава гидроабразивному воздействию в термообработанном со-. стоянии,От известного чугуна предлагаемый новый сплав отличается повышенным содержанием хрома и дополнительным вводом кальция. При этом (в результате последующей термической обработки) образуется корроэионностойкая аустенито-мартен- ситная матрица, упрочненная специальными сложнолегированными карбидами, В матрице равномерно распределены эвтектические карбиды М 7 Сз.В составе предлагаемого сплава влияние кальция иное, что обусловлено всем комплексом химических элементов, включенных в состав материала, Наличие в сплаве до 3% марганца, до 1% никеля, до 0,8% меди, до 3% кремния создает дополнительный стимул к растворению кальция в матрице сплава.Таким образом, кальций в составе чугуна проявляет новую функцию. В количестве 0,025-0,08% кальций повышает гидроабразивную износостойкость материала в термообработанном состоянии. Новая функция10 15 20 Способосуществляютследующим обра 30 35 40 45 50 55 кальция обусловлена тем, что кальций, растворяясь в матрице чугуна по способу внедрения, способствует увеличению количества вторичных карбидов и упрочнению мартенсита закалки без уменьшения количества остаточного аустенитэ,В, результате описанных структурных изменений чугун приобретает высокую гидроабразивную износостойкость в термообработанном состоянии,В таблице приведены составы нового чугуна 1 - 3, а также составы чугуна за пределами предлагаемого содержания компонентов 4 и 5 и составы чугуна, выбранного в качестве прототипа 6 в .Опытные сплавы выплавлялись в открытой индукционной печи с основной футеровкой. зом,Для получения сплавов в качестве исходного сырья используют стальной лом, содержащий углерод 0,20%, кремний 0,40%, марганец 0,40%, железо остальное. Стальной лом расплавляют в. печи и добавляют для сплава 1, %: электродный графит 1,2; ферромарганец (ФМ - 60) 0,835; никель 0,6; хром 11,0; медь 0,30; ферромолибден (ФМ - 70) 0,43; алюминий 0,15; феррованадий (Ф В 70) 0,144; титановая губка (90% Т 1) 0,122;силикокальций (СК) 1,07.По расплавлению стального лома дляполучения сплава 2 добавляют, %: электродный графит 1,45; ферромарганец (ФМ) 2,9; никель 0,8; хром 12,5; медь 0,55; ферромолибден (ФМ) 0,785; алюминий 0,65; феррованадий (ФВ) 0,5; титановая губка (90% Т) 0,54; силикокал ьций (СК) 3,50. Для получения сплава 3 в расплав добавляют, %: электродный графит 1,70; ферромарганец (ФМ) 4;3; никель 1,0; хром 14,0; медь 0,80; ферромолибден (ФМ) 1,14;.алюминий 1,20; феррованадий (Ф В) 0,86; титановая губка (90% Т) 0,38; силикокальций (СК) 6,0.Для получения сплава 4 в расплав добавляют, %: электродный графит 1,1; ферромарганец(ФМ) 0,1; никель 0,6; хром 10,9; медь 0,2; ферромолибден (ФМ) 0,28; алюминий 0,1; феррованадий (ФВ) 0,12; титановая губка (90% Т) 0,13; силикокальций (С К) 0,80.Для получения сплава 5 в расплав добавляют, %, электродный графит 1,8; ферромарганец (ФМ) 5,15; никель 1,1; хром 14,1; медь 0.,9; ферромолибден (ФМ) 1,29; алюминий 1,1; феррованадий (ФВ) 0,87; титановая губка (90% Т) 1,4; силикокальций10 1731855( Химические элементы мас,4 Сплав ИвносостойкостьСа к,сма ч),с,во л 1 О,З О, 1 0,55 о,4 а,е о,е 0,2 0,09 О,Э 09 о,г о, 1 22 О,З С 01. 11 п 1 1,4г 1,65З 1,Э5 2,0Ь 1,87 2358 2,6 о,.б а,е 1,О 0,5 1,1 0,55 0,78 11 о,8 З 0,94 1,08 о,87 1,05 1,ОЗ 1,2 З 1,г 7 0,5 0,51,75 1,75з,о з,оО,4 а,40,4 04 0,10,З 5о,б0,09а,74о,а 1а,оеО,1 О,1о,З 5о,б0,09о,бО,1а,з0,5 О 025 о,о 47 о,ое о,ог о,оэ 11,О 125 14,о 109 14)1 э,о 0,72 1 о,5 о,з0,55о,е0,2о,э0,55о,67 Составитель Ю,ШаповаловТехред М,Моргентал Корректор И.Муска Редактор О.Головач Заказ 1559 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 При проведении опытных плавок послеввода всех ферросплавов, контроля химического состава и доводки расплава по всемлегирующим элементам при достижении чугуном температуры окончания плавки его 5разливают по литейным формам.Полученные образцы подвергают термической обработке по. следующим режимам; отжиг при 820 С, закалка от 1050 С,отпуск при 220-230 С. 10Микроструктура чугуна после термической обработки - разветвленный высокопрочный скелет эвтектических карбидов,расположенный в матрице. Структура матрицы - отпущенный мартенсит и мелкодисперсные вторичные сложнолегированныекарбиды. Вторичные карбиды отличаютсявысокой прочностью и твердостью, Такаяструктура чугуна обеспечивает наиболее высокую гидроабразивную износостойкость, 20Испытания гидроабразивной износостойкости производят на специальной установке струйного типа с раздельнымдозированием жидкости и абразива, В качестве абразивного материала используют 25электрокорунд с размером фракций 0,1-0,2мм. Соотношение абразив - жидкость -1/20. Реакция среды рН 7-8,Сведения о результатах испытанийпредставлены в таблице. 30Из таблицы видно, что износостойкостьнового чугуна в условиях гидроабразивного воздействия превосходит эту характеристику чугуна-прототипа в 1,5-1,7 раза.Следовательно, по эксплуатационнымхарактеристикам предлагаемый сплав превосходит чугун известного состава,Более высокая эксплуатационная стойкость нового материала позволяет значи- .тельно увеличить срок службы деталей,применяемых для работы в корозионно-аб;разивных средах, сокращает затраты, связанные с ремонтом оборудования.Формула изобретенияИзносостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь,молибден, алюминий, ванадий, титан и железо, отличающийся тем,что,сцельюповышения гидроабразивной износостойкости в термообработанном состоянии; ондополнительно содержит кальций при следующем соотношении компонентов, мас, ф:Углерод 1,4 - 1,9Кремний 0,5-3,0Марганец0,5-3,0Хром 11-14Никель 0;6-1,0Медь 0,3-0,8Молибден 0,3-0,8Алюминий 0,1-0,8Ванадий 0,1-0;6Титан 0,1-0,6Кальций 0,025-0,08Железо Остальное