Чугун

(21) 4843463 (22) 27.06.90 (46) 30,09.92 (71) Донецки (72) Ю,Б. Бы исеев, П.Е. В Г.А. Петелин (56) 1, Автор Ь 583192, кл2. Автор М 223087, кл Бюл. й й полит ков, Ю ласов, и Е. П, ское св . С 22 С ское св 6 ехническии институтС. Шаповалов, В.П. МоЮ,И, Митьковский,Перфирьевдетельство СССР37/06, 1976,детельство УССР37/06, 1981,2,84,5 0,6.1,8 он ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ Изобретение относится к металлургии илитейному производству и может быть использовано для изготовления деталей,работающих в условиях кавитационно-эрозионного воздействия, например корпусови рабочих колес шламовых насосов.Известен чугун, содержащий в качествеосновы углерод, кремний, марганец, никель,хром и железо, применяемый для изготовления деталей шламовых насосов и содержащий вышеперечисленные ингредиенты вследующих пределах, мас, о,;углерод 2,9.3,2кремний 0,6,1,0марганец 0,40,8никель 1,23,2хром 20,022,0железо остальное 1)Этот чугун имеет следующие свойства: НВС4748; износостойкость 7,98,0,Недостатком этого чугуна является низкая износостойкость в условиях кавитациного воздействия. Низкая кавитационная(57) Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления деталей, работающих в условиях кавитационно-эрозионного воздействия, Цель изобретения - повышение кавитационноэрозианной стойкости. Предложенный чугун содержит, мас, о: С 1,95-2,75; Я 0,6-1,8; Мп 0,4 - 2,5; М 0,5-2,5; Сг 15 - 26; Мо 0,1 - 2,0;8 0,001 - 0,5; А 3 0,2 - 0,8; Т 0,01 - 0,8; Сц 0.2 - 2,0; Ч 0,1 - 0,8; Са 0,001 - 0,05 и Ре - остальное, Дополнительный ввод в.состав предложенного чугуна А 1, Т 1, Со, Ч и Са позволил повысить кавитационно-эрозионную стойкость в 1,7-2,1 раза. 1 табл. стойкость объясняется особенностями морфологии карбидной фазы и структурным состоянием матрицы сплава, Крупные эвтектические карбиды хрупко выкрашиваются при кавитационном воздействии. Высокое содержание углерода (2,9.3,2%) способствует образованию большого количества крупных эвтектических карбидов, что приводит к обеднению матрицы чугуна хромом. Это отрицательно сказывается на кавитационной стойкости матрицы. Отсутствие в составе чугуна таких элементов как ванадий"и молибден не дает возможности значительно упрочнять матрицу сплава термической обработкой.Следовательно вышеуказанный сплав не может успешно применяться в условиях интенсивного кавитационного воздействия.Наиболее близким по составу и свойствам к новому материалу является чугун (2), содержащий, мас. :углеродкремниймарганец 0,4.0,8 никель 1,52,5 хром 15,0,26,0 молибден 1,02,9 бор 0,012,5 железо остальное Эксплуатационные характеристики уэтого. чугуна выше, чем у сплава - прототипа, что объясняется наличием в его составе молибдена и бора. Однако высокое содержание углерода способствует образованию большого количества крупных эвтектических карбидов, что ведет к понижению кавитационной стойкости материала.Следовательно сбалансировав химический состав чугуна - прототипа таким образом, чтобы его структура состояла из мелкодисперсных эвтектических карбидов хрома, расположенных в матрице, состоящей из мартенсита, остаточного аустенита и дополнительно упрочненной специальными карбидами молибдена и ванадия (выделяющимися в процессе отпуска) удастся значительно увеличить основную эксплуатационную характеристику материала - кавитационно-эрозианную стойкость.Целью изобретения является повышениеизносостойкости в условиях кавитационноэрозионного воздействия.Экономический эффект от использования изобретения суммируется за счетувеличения срока службы износостойкихдеталей, увеличения межремонтного периода, сокращения расходов на ремонт и ориентировочно составит 60008000 руб. в год.Поставленная цель достигается тем, чтов чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, хром, молибден, бор и железо дополнительно вводится алюминий, титан, медь, ванадий и кальций при следующем соотношении компонентов (мас.%):углерод1,952,75 кремний 0,61 8 марганец 0,4.2,5 Никель 0,5.2,5 хром 15,026,0 алюминий 0,2.0,8 титан 0,010,8 медь 0;22,0 ванадий 0,10,8 молибден 0,12,0 бор 0,0010,5 кальций 0,0010,05 железо остальноеСодержание углерода в чугуне находитсяв пределах 1,952,75%. Углерод является элементом, обеспечивающим образование карбидной фазы. Процентное содержание углерода подобрано таким образом, чтобы обеспечить требуемое количество эвтекти 101520 25 ческих карбидов в структуре сплава, При понижении или повышении содержания углерода за указанные пределы происходит изменение степени эвтектичности чугуна, что отрицательно сказывается на его технологических (литейных свойствах) и кавитационной стойкости,Содержание кремния в чугуне находится в пределах 0,61,8%, 8 таком количествекремний вводится для ускорения протекаНия превращения при отпуске, Кремний уменьшает растворимость углерода в аустените и в результате этого облегчается процесс выделения из пересыщен ного аустенита карбидов. Содержание кремнияменее 0,6% недостаточно для ускорения протекания у - Фа превращения и облегчения выделения карбидов из пересыщенного аустенита. Увеличение содержания кремния более 1,8% приводит к активной графитизации чугуна, что отрицательно сказывается на эрозионной стойкости.Содержание марганца в чугуне находится в пределах 0,42,5%, В состав сплава марганец вводится для повышения устойчивости аустенита в перлитной области и увеличения его вязкости, При содержании марганца менее 0,4% заметного повышения устойчивости аустенита в перлитной обла сти не наблюдается, Увеличениесодержания марганца свыше 2,5% приводит к образованию в структуре сплава больших полей остаточного аустенита, неупрочненного карбидами, что отрицательно сказы вается на кавитационно-эрозионнойстойкости сплава,Содержание никеля в чугуне находитсяв пределах 0,5205%. Никель вводится для повышения коррозионной стойкости мат рицы сплава, увеличения вязкости мартенсита, образующегося в результате термической обработки, Содержание никеля менее 0,5% не приводит к заметному увеличению коррозионной стойкости мат рицы и повышения пластичности аустенитане наблюдается, Увеличение содержания никеля, более 2,5% нецелесообразно, поскольку увеличения коррозионной стойкости сплава и повышения вязкости мартенсита 50 не наблюдается,Содержание хрома в чугуне находйтся впределах 15.026,0%, В таком количестве хром, являясь основным элементом, образующим эвтектические карбиды, обеспечива ет получение требуемого количествакарбидной фазы, а следовательно, и требуемой кавитационно-эрозионной стойкости.Содержание хрома менее 15,0% недостаточно для достижения высоких значений кавитационно-эразионной стойкости. Увели-. чение содержания хрома более 26,0% приводит к укрупнению карбидов и при этом заметного повышения износостойкости не наблюдается. 5Алюминий в составе чугуна находится в пределах 0,2.0,8% и вводится как раскислитель расплава. При содержании алюминия менее чем 0,2% он недостаточно полно выполняет функцию раскисления расплава, 10 Остаточный кислород, присутствующий в твердом растворе, приводит к понижению коррозионной стойкости сплава, что снижает способность материала противостоять коррозионно-эрозионному воздействию. 15 Увеличение содержания алюминия более чем 0,8% нецелесообразно поскольку наблюдается графитизация.Содержание титана в чугуне находится в пределах 0,010,8%. Титан, обладающий 20 большим сродством к углероду, чем хром, образует специальные карбиды, размещенные в матрице сплава. Наличие специальных мелкодисперсных карбидов титана в матрице сплава способствует ее упрочне нию и повышению кавитационно-эрозионной стойкости чугуна. Понижение содержания титана менее чем 0,01% не приводит к образованию достаточного количества специальной карбидной фазы и 30 заметного повышения кавитационно-эрозионной стойкости не наблюдается, Увеличение содержания титана более, чем 0,8% ведет к заметному укрупнению специальных карбидов, что отрицательно сказывает ся на кавитационной стойкости чугуна.Содержание меди в чугуне находится в пределах 0,22,0%, В таком количестве медь, повышает прокаливаемость и улучшает коррозионные свойства матрицы, что 40 ведет к повышению кавитационно-эрозионной стойкости сплава, Содержание меди менее чем 0,2% не приводит к заметному повышению прокаливаемости, что не способствует равномерной износостойкости по 45 всей толщине отливки. При увеличении содержания меди свыше 2,0% она выделяется из у-твердого раствора в свободном виде, что понижает кавитационно-эрозионную стойкость сплава, 50Ванадий в состав сплава вводится в количестве 0,10,8%, Это обеспечивает (в результате последующей термической обработки) выделение из матрицы сплава карбидов этого элемента, в результате чего происходит упрочнение и повышение кавитационно-эрозионной стойкости чугуна, Уменьшение содержания ванадия менее 0,1% не приводит к выделению достаточного количества карбидов и увеличения эксплуатационной стойкости нет. Повышение содержания ванадия более 0,8% нецелесообразно из-за его высокой стоимости,Содержание молибдена в чугуне находится в пределах 0,1.2,0%. В таком количестве молибден частично образует первичные-карбиды, а частично растворяется в матрицесплава, В результате термической обработки происходит выделение вторичных карбидов из пересыщенного утвердого раствора и аустенит обедняется углеродом, Это приводит к повышению температуры начала мартенситного превращения и увеличениЮ количества мартенсита.Дополнительное упрочнение матрицы вторичными карбидами молибдена в значительной степени повышают ее способность сопротивляться кавитационному воздействию. Уменьшение количества молибдена менее чем 0,1 % не приводит к образованию достаточного количества вторичных карбидов, Увеличение содержания молибдена свыше 2,0% ведет к значительному укрупнению первичных карбидов и роста кавитационно-эрозионной стойкости не и рой сходит.Бор в составе чугуна находится в пределах 0,0010,5%. Применяется бор для модифицирования структуры литого металла: Являясь элементом, существенно влияющим на кристаллизацию отливки, бор обеспечивает утон ение осей дендритов эвтектических карбидов, что повышает эксплуатационные свойства чугуна. Уменьшение содержания бора ниже 0,001% не приводит к утонению осей дендритов, Увеличение содержания бора более чем 0,5% нецелесообразно из-за технологических трудностей, которые обусловлены снижением жидкотекучести сплава,Содержание кальция в чугуне находится в пределах 0,0010,05%. Кальций, располагаясь преимущественно по границам раздела фаз, упрочняет межфазную границу, делает ее энергетически более устойчивой. Это приводит к повышению прочности соединения карбидов с матрицей и, как результат, - повышение кавитационноэрозионной стойкости, Содержание кальция в сплаве менее 0,0010% не оказывает влияния на прирост кавитационно-эрозионной стойкости. Увеличение содержания кальция свыше 0,05% технологически затруднительно,Таким образом, совместное влияние углерода, кремний, марганца, никеля, хрома, алюминия, титана, меди, ванадйя, молибдена, бора и кальция на свойства чугуна проявляются в следующем; углерод и хром образуя необходимое количество эвтектиче5 10 15 20 25 30 40 50 55 ских карбидов, обеспечивают получение требуемой эксплуатационной стойкости сплава; кремний, ускоряя у-Фа превращение приотпуске, увеличивает количество мартенсита и облегчает процесс выделения специальных карбидов ванадия и молибдена; марганец, повышаетустойчивость аустенита в перлитной области; никель обеспечивает достижение требуемой коррозионной стойкости; алюминий активно раскисляет расплав, способствует повышению коррозионной стойкости и сопротивляемости материала кавитационно-эрозионному воздействию; титан, образуя специальные карбиды, дополнительно ,упрочняет матрицу чугуна, повышая кавитационную стойкость; медь, повышает прокаливаемость, что способствует достижению равномерности свойств по сечению отливки и улучшает эксплуатационные характеристики деталей; молибден и ванадий образуют специальные карбиды, выделяющиеся из матрицы сплава в результате отпуска - это обеспечивает требуемую кавитационную стойкость сптава; бор, модифицируя структуру, измельчая ее структурные составляющие, способствует повышению всего комплекса эксплуатационных свойств чугуна; кальций, упрочняя межфазные границы, повышает кавитационную стойкость чугуна.Отсюда следует, что весь комплекс компонентов, входящих в состав сплава (в пределах вышеуказанных массовых соотношений) способствует достижению высоких значений его основной эксплуатационной характеристики - кавитационно-эрозионной стойкости, Помимо этого повышается коррозионная стойкость чугуна.Совместное влияние дополнительно введенных в состав сплава элементов (алюминия, титана, меди, ванадия и кальция) способствует повышению вязкости матрицы сплава, ее упрочнению в результате дисперсионного твердения, измельчению эвтектических карбидов, упрочнению межфазной границы, Мартенсит (получаемый о результате термической обработки) имеет мелкокристаллическое строение,и находится в количестве, обеспечивающем макси.мальную износостойкость (35.45%), Вторичные карбиды равномерно распределены по всему полю матрицы и дополнительно упрочняют ее,В результате описанных выше структурных изменений чугун приобретает новое свойство - его успешно можно применять в условиях кавитационно-эрозионного воздействия,В таблице представлены составы нового чугуна (М 1,3), составы чугуна за пределами заявляемого содержания компонентов (М 45), составы чугуна, выбранные в качестве прототипа (М 6,7).Изобретение осуществляется следующим способом;Опытные плавки проводились в открытой индукционной печи, емкостью 60 кг, с основной футеровкой.Дня получения сплавов в качестве основного сырья использовали стальной лом. содержащий:углерод 0,5кремний 0,4марганец 0,4железо остальное По расплавлении стального лома в расплав добавляли:Для сплава В 1: электродный графит - 1,45%; ферромарганец (ФМ) - 0,7%; никель - 0,5%; хром - 15,0%; алюминий - 0,4%; титан - 0,02%; медь - 0,2%; ферромолибден (ФМ - 60) - 0,25%; феррооанадий (ФВ) - 0,25%; ферробор (ФБ) -0,004%; силикокальций (СК - 45) - 0,25%,Для получения сплава, обозначенного в таблице Кг 2, по расплавлению стального лома о расплав добавляли: электродный графит - 1,85/,; ферромарганец (ФМ) - 1,95%, никель - 1,5%; хром - 20,5%; алюминий -1,0%; титан - 0,8%; медь - 1,1%, ферромолибден (ФМ - 60)-1,6%; феррооанадий (ФВ - 60) - 0,75%; ферробор (ФБ) -35 1,0%; силикокальций (СК) - 1,95% Для получения сплава И 3 в расплавдобавляли: электродный графит - 2,25%; ферромарганец (ФМ - 60) - 4,4%; никель - 2,5%; хром - 26%; алюминий - 1,6%; титан - 1,6%; медь - 2,0%; ферромолибден (ФМ - 60) - 4,5%; феррованадий (ФВ) - 1,75%; ферробор (ФБ) - 2,0%; силикокальций (СК - 45) - 4,8/,Для получения сплава М 4 в расплавдобавляли; электродный графит - 1,5%; ферромарганец (ФМ) - 0,9%; никель - 0,4%; хром,9%; алюминий - 0,2%; титан - 0,01%; медь - 0,18%; ферромолибден (ФМ - 60) - 0,5%; феррооанадий (ФВ - 60) - 0,45%; ферробор (ФБ - 50)-0,002%; силикокальций (СК - 45) - 0,2%.Для получения сплава Ме 5 в расплавдобавляли; электродный графит - 2,3%; ферромарганец (ФМ) - 4,6 %; никель - 2,6%; хром - 26,1%; алюминий - 1,8%; титан - 1,8%; медь - 2,1%; ферромолибден (ФМ - 60) - 4,5%; феррованадий (ФВ) - 2,1%; ферробор (ФБ) - 2,2%, силикокальций (СК - 45) - 5,0%.1765236 10 увеличить срока службы деталей шламовыхнасосов. 1,95-2,750,6-1,80,4-2,50,5-2,515-260,1-2,00.001-0,50,2-0,80,001 - 0,80,2 - 2,00,1-0,80,001-0,05остальное Химические элементы мас Потеря массы образом мгге Са Мо Ч Сг А т 1 Мп С 51 сплаваОг 1, г,о 0,18 г,8.1 7,2 О,4 10,9 14,2 139 остальное О.ОО0,0250,050,00090.06 О,ОО0,25О,б0,0009О,О25 О,045о.в0,18о,9 О, 1,О г,о 0,19 г, 1,О 29 О,ОО,40,80,009О 9 Ог 0,5 0,8 О 0,9 15,0 20,5 гб,о 14,9 26,115 26 0,5 1,5 2,5 0,4 2,6 1,5 0,6 1,45 1,8 О.4 2.5 1,8 1,95 г,зб 2,75 1.9 2,В г,в 45 04 1 1,72,5 0,8 2,6 0,4О 8 ь Испытания иэносостоакости производились после термообработки образцов по следующему режиму: нормализация от 110 ООС; отпуск при 380 420 С 3,54,0 час,Составитель Ю.ШаповаловТехред М,Моргентал Корректор О. КРавцова Редактор Заказ 3356 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 После экспресс-анализа. доводки расплава по химсоставу и контрольного анализа чугун разливали по литейным формам,В результате проведенных плавок получен чугун с аустенитной матрицей, в которой расположены карбиды типа М 1 Сз, После нормализации матрица представляет собой мелкокристаллический мартенсит и остаточный аустенит, В результате дисперсион ного твердения (при отпуске) в матрице появляются мелкие сложнолегированные карбиды ванадия и молибдена.В таблице приведены значения потери массы образцов в результате кавитационноэрозионного воздействия, Испытания проводились на установке типа Штауффера. Частота вращения головки с образцами - 980 об/мин., соотношение жидкость (твердая фаза - 10/1. Реакцияжидкой фазы - слабокислая (рН около 5),Из таблицы видно, что в условиях кавитационно-эрозионного воздействия новый сплав в 1,8-2,2 раза превосходит чугун выбранный в качестве прототипа.Более высокие эксплуатационные характеристики сплава позволят значительно Формула изобретения 5Чугун, содержащий углерод, кремний,марганец, никель, хром, молибден, бор ижелезо,отличающийсятем,что,сцельюповышения кавитационно-эрозионной 10 стойкости, он дополнительно содержит алюминий, титан, медь, ванадий и кальций приследующем соотношении компонентов,мас,:углерод15 кремниймарганецникельхроммолибден20 боралюминийтитанмедьванадий25 кальцийжелезо