Чугун

(5) 5 ЕНИЯ ель- итут алл ргии, носоГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР НИЕ ИЗОБР К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬС(57) Изобретение относится к мет ув частности к высокохромистым из Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов высокохромистых чугунов для отливок, подвергающихся абразивному износу в агрессивных кислотных средах,Известен высокохромистый чугун, предназначенный для деталей, подвергающихся коррозионному и механическому износу, содержащий в своем составе, мас.0/,; С 1,8- 2,2; Я 2,8 - 4,6; Мп 0,2 - 0,8; Сг 16 - 21; Мо 0;5 - 1,5; Ч 1,1 - 2,3; В или Т 0,02 - 0,2; М 9 0,01 - 0,1; Те 0,01 - 0,05; карбонитриды чб 0,1-0,3; Ее остальное.Недостатком данного сплава является высокое содержание кремния в сплаве (2,8 - 4,6 мас.0 ь), которое сильно снижает абразивную стойкость деталей из-за повышенной хрупкости металлической основы чугуна. К тому же этот сплав содержит в своем составе дефицитный никель и ниобий.,5 О 1723180 А 1 стойким чугунам для отливок деталей, подвергающихся абразивному износу в агрессивных кислотных средах, Цель изобретения - повышение износостойкости в агрессивной среде при температуре 293 - 773 К; Чугун, содержащий углерод, кремний, хром, марганец, ванадий, молибден, бор, теллур и железо, дополнительно содержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,5-3,5; кремний 0,5-1,5; хром 15,0 - 25,0; марганец 2,5 - 4; молибден 1,0 - 3,0; ванадий 1,0 - 3,0: бор 0,05 - 0,30; алюминий 0,06 - 0,15; теллур 0,06 - 0,13; висмут 0,04-0,12; железо остальное, причем суммарное содержание теллура и висмута составляет 0,10 - 0,25. 2 табл. Высокохромистый чугун, содержащий мас,0: С 1,0 - 2,5; Сг 10 - 25; Мо 0,5 - 1,0; Мп 0,5 - 2,0; А 0,1 - 0,2; В 0,05-0,3; Ч 0,5 - 2,5; Яп 0,1 - 0,3; остальное Ре, также не обеспечивает высокой абразивной стойкости деталей из-за низкого содержания в этомсплаве углерода, а пониженное содержание молибдена (не более 1,0 мас.0) не обеспечивает прокаливаемости отливок с толщиной стенки более 70 - 100 мм пОи термообработке. Следовательно, в этом чугуне не происходит полного образования наиболее абразивостойкой мартенситной структуры, Этот сплав не обладает высокой устойчивОстью к высокотемпературному абразивному истиранию и коррозионной стойкостью в агрессивных средах.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту является высокохромистый чугун дляизносостойких деталей, содержащий в своем составе химические элементы, мас,о: С 2,6-3,5; Сг 12 - 30; Я 0,3 - 1,0; Мп 0,4 - 5,5; В 0,001 - 0.15; Мо 0,6-3,5; Т 3 0,1 - 0,8; Ч 0,5 - 5,5; Те 0,001 - 0,06; РЗМ 0,001 - 0,25; Ве 0,001 - 0,30; остальное Ге,Углерод - обязательный компонент, способствующий образованию износостойкой карбидной структуры чугуна;кремний - сопутствующий элемент износостойких чугунов, при увеличении содержания кремния более 1,5-2 мас,ф снижается твердость, а во многих случаях и износостойкость высокохромистого чугуна;хром - основной легирующий элемент износокоррозионностойких сплавов, способствующий получению износостойкой структуры в чугунах за счет образования собственных карбидов и легирования металлической матрицы, а также повышающий.прочность, твердость и коррозионную стойкость сплавов;марганец - стабилизирующий элемент, эффективно воздействующий на свойства и структуру чугуна за счет легирования металлической основы и замещения железа в карбидах хрома, а также улучшающий прокаливаемость чугунных отливок;молибден - необходимый элемент в высокохромистых износостойких чугунах, способствующий повышению прокаливаемости чугунных отливок и образованию мартенситной структуры, наиболее стойкой к абразивному изнашиванию;ванадий - карбидообразующий элемент, способствующий повышению твердости и абразивной износостойкости чугуна;редкоземельные металлы - рафинирующие элементы;бор - элемент, повышающий твердость сплавов;теллур - поверхностно-активный элемент, препятствующий образованию в чугуне крупных карбидов и тем самым способствующий повышению износостойкости чугуна;бериллий - элемент, способствующий образованию мелкозернистой равномерно распределенной структуры чугуна;титан - Элемент, способствующий образованию мелкозернистой структуры чугуна.Известный чугун имеет следующие недостатки,Сплав в своем составе содержит остро- дефицитный и дорогостоящий бериллий, а также имеет высокое содержание хрома и марганца (соответственно 30 и 5,5 мас, о по верхнему пределу), что вызывает существенное снижение эксплуатационных свойств сплава, Так, при содержании хрома 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 более 25 О износостойкость высокохромистого чугуна резко падает из-за образования в его структуре грубых включений заэвтектических карбидов хрома, а при содержании марганца более 4 О образуется мягкая аустенитная основа чугуна, имеющая низкую стойкость к абразивному истиранию.Цель изобретения - повышение абразивной износостойкости чугуна в агрессивной среде при температурах 293 - 773 К.Исследования по изучению влияния элементов на износостойкость в широком интервале температур, коррозионную стойкость в агрессивных средах, а также механические свойства позволяют определить оптимальные пределы легирования чугуна,Поставленная цель достигается тем, что чугун содержащий углерод, кремний, хром, марганец, молибден, ванадий, бор, железо и теллур, дополнительно содержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.о; углерод 2,5 - 3,5; кремний 0,5 - 1,5; хром 15,0 - 25,0; марганец.2,5 - 4,0;молибден 1,0-3,0; ванадий 1,0-3,0; бор 0,05 - 0,30; алюминий 0,06 - 0,15; теллур 0,06 - 0,13; висмут 0,04 - 0,12; железо остальное, причем суммарное содержание теллура и висмута составляет 0,10 - 0,25,В предлагаемом составе алюминий, являясь активным раскислителем и дегазатором, полностью исключает применение в составе чугуна дефицитных и дорогостоящих РЗМ, при этом алюминий измельчает зерно металлической матрицы, повышает плотность и механические свойства чугуна.Теллур и висмут являются сильными поверхностно-активными элементами, Эти элементы, вводимь 1 е в чугун в виде химического соединения В 2 Тез теллурида висмута), взаимоусиливают свои поверхностно-активные свойства и тем самым наиболее эффективно измельчают зерно металлической матрицы, способствуют образованию в структуре цугуна большого количества равномерно распределенных карбидов, препятствуют росту крупных карбидов и тем самым способствуют существенному повышению износостойкости чугуна в отливках,Теоретическое обоснование влияния теллура и висмута на достижение цели изобретения заключается в следующем.Теллур и висМут, являясь сильнодействующими поверхностно-активными элементами, оказывают существенное влияние на процесс кристаллизации жидких металлов и сплавов.Влияние поверхностно-активных элементов на кристаллизацию имеет следующий характер. Атомы (ионы) элементов,поверхностно-активных по отношению к зарождающимся из расплава твердым фазам, адсорбируются (хемосорбируются) по механизму внутренней адсорбции на центрах кристаллизации, скапливаясь. при этом на их поверхности. Такое скопление поверхностно-активных элементов на границах раздела жидкой и твердой фаз выполняет роль своеобразных барьеров-регуляторов для атомов кристаллизующейся из расплава твердой фазы.В результате такой регуляции существенно затрудняется рост центров кристаллизации при охлаждении жидкого сплава и твердая фаза выпадает в виде многочисленных равномерно распределенных включений. Следовательно, поверхностно- активные элементы могут как препятствовать росту отдельных фаз, так и способствовать образованию в сплавах мелкозернистой структуры. Так, например, теллур и висмут используются в производстве ковкого чугуна, Малые добавки этих элементов в жидкий чугун препятствуют образованию графитных включений и обеспечивают получение сквозного отбела в отливках, измельчают структуру чугуна,Решающее влияние на износостойкость хромистых чугунов оказывают карбиды хрома, их размеры, форма и распределение.При трении крупные карбиды хрома легко ,выкрашиваются из металлической матрицы, поэтому грубые включения карбидов хрома, например заэвтектического типа, резко снижают износостойкость хромистого чугуна. Небольшие присадки теллура и висмута (до 0,15 - 0,25 ) препятствуют. образованию в этих чугунах грубых карбидов, измельчают карбидные включения, обеспечивают их равномерное распределение в металлической матрице и тем самым способствуют существенному повышению износостойкости предлагаемого сплава. Причем при совместном введении в жидкий чугун теллура и висмута наблюдается взаимное усиливание их поверхностно-активных свойств и тем самым взаимно усиливается благоприятное воздействие этих элементов на структуру и свойства износостойкого чугуна,Висмут - металл Ч подгруппы периодической системы Менделеева с т.пл, 271 С, т, кип. 1560 С, выпускается промышленностью в виде слитков. В связи с достаточно высокой температурой кипения применяется в литейном производстве для присадки в жидкий чугун в чистом виде.Теллур - металлоид Ю подгруппы периодической системы с т.пл. 450 С и т.кип. 990 С. Теллур действует на сплавы железа, как и висмут. В литейном производстве при 5 10 меняется как порошкообразный, так и металлический теллур. В связи с более низкой температурой кипения (следовательно, и упругостью паров) по сравнению с висмутом процент усвоения теллура зависит от способа ввода в жидкий металл.Так на Московском автомобильном заводе им. Лихачева (ЗИЛ) при производстве ковкого чугуна вместо висмута используется теллур в виде отпрессованных прутков диаметром 30 мм, состоящих из 50% порошкообразного теллура и 50% медного порошка. При этом процент усвоения теллура жидким чугуном составляет 50 - 60%. Процент усвоедо 70-80%, если используют теллур в виде теллуроидов, имеющих более высокую температуру плавления, чем чистый теллур, Поэтому используют лигатуру, содержащую 48% В, 52% Те и состоящую в основном из химического соединения В 2 Тез. При разработке нового состава износостойкого чугуна производят ковшевую присадку в жидкий металл тугоплавкого теллуроида висмута, имеющего т.пл. 858 К, при этом усвоение теллура и висмута жидким чугуном, составляет 70-80%.Содержание хрома в количестве 15,0- 25,0% обеспечивает сочетание высокой абразивной износостойкости в широком интервале температур и коррозионной стойкости чугуна в агрессивных средах.Оптимальное содержание марганца в количестве 2,5 - 4,0% против 0,4 - 5,5% обеспечивает получение в высокохромистом чугуне высокой твердости, прочности, износостойкости и коррозионной стойкости за счет образования легированной марганцем мартенситной структуры, Так как при содержании в высокохромистом чугуне до 1,0 - 1,5 марганца не обеспечивается требуемая прочность сплава и коррозионная стойкость, а при содержании более 4,0% марганца образуется аустенитная основа чугуна, имеющая низкую стойкость к абразивному износу.Содержание углерода в количестве 2,5- 3,5% обеспечивает получение высокой твердости и износостойкости чугуна за счет образования в его структуре большого количества карбидов и пересыщенной по углероду металлической матрицы,Бор в количестве 0,05 - 0,30% способствует повышению износостойкости и твердости чугуна.Содержание молибдена в количестве 1,0 - 3,0% обеспечивает. хорошую прокаливаемость чугуна в массивных отливках и образование мартенситной металлической основы, повышает абразивную износостой 20 25 30 35 40 45 50 55 15 ния теллура сплавами железа повышается5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 кость, коррозионную стойкость и механические свойства.Ванадий в оптимальном количестве 1,0 - 3.0% совместно с приведенным содерханием молибдена способствует повышению коррозионной стойкости, износостойкости и механических свойств чугуна, обеспечивает равномерное распределение карбидов по сечению отливки,Приведенное содержание марганца, молибдена и ванадия в сочетании с алюминием, теллуром и висмутом также полностью исключает применение в составе чугуна титана, остродефицитного и дорогостоящего бериллия, при этом обеспечивается более высокая абразивная и коррозионная стойкость предлагаемого сплава при 293 - 773 К.П р и м е р; Для повышения усвоения чугунным расплавом теллура и висмута до 70 - 80% против 30 - 60% усвоения при раздельном использовании этих. элементов в жидкий чугун теллур и висмут вводят в виде тугоплавкого химического соединения В 12 Тез, содержащего; мас,% В 1 40 - 48 и.Те 60 - 52. Для этого специально в печи сопротивления выплавляют теллурид висмута В 12 Тез, При этом берут измельченные исходные шихтовые компоненты, мас.%: висмут (марки Ви 1 ГОСТ 10928-75) 48 и теллур(марки Т 1 ГОСТ 17614-72) 52, которые затем смешиваются и загружаются в алундовый тигель, Для получения соединения В 12 Тез алундовый тигель с шихтой помещают в печь сопротивления и медленно нагревают до 623 К, после чего проводят выдержку плавящейся шихты при этой температуре в течение 1 ч, Затем идет дальнейший нагрев до 870 К и выдержка расплава при этой температуре в течение 1,5 ч.Расплав образовавшегося. химического соединения В 12 Тез разливают в металлические формочки для кристаллизации. После этого полученный теллурид висмута используют в качестве модифицирующей присадки при выплавке износостойкого высокохромистого чугуна, Выплавку теллурида висмута В 12 Тез ведут под слоем защитного флюса ИаС 1 + КС 1 (1:1), по ходу плавки проводят периодическое перемешивание расплава палочкой из кварцевого стекла. Температуру расплава контролируют платино-платинородиевой термопарой погружения,Выплавку износостойкого чугуна осуществляют в тигельной индукционной печи ИСТс основной футеровкой, Исходная шихта - передельный чугун марок П 1 и П 2 (ГОСТ 805 - 80); феррохром ФХ 010 А (ГОСТ 4757-79); ферромарганец ФМн 75 (ГОСТ 4755-80), фврромолибден ФМо (ГОСТ 4759- 79); феррованадий ФВд 35 А (ТУ 14-5-98-78); алюминий АВ 97 (ГОСТ 295-73); ферробор ФБо (ГОСТ 14848-69); теллурид висмута В 12 Тез, а также ферротитан Ти 1 (ГОСТ 4761- 67); лигатура ФЦЦ(содержащая, мас,%: Се 40-50; 1 а 18 - 25; МЬ 10-12; Рг 5-7; Мо 5 - 7; Ее не более 10; бериллий техническим; теллур технический Т 1 (ГОСТ 17614-72); стальной лом; возврат собственного производства и электродный бой.Феррованадий и ферротитан вводят в печь за 5 - 10 мин до выпуска металла иэ печи. Алюминий вводят в жидкий чугун перед выпуском, а теллур и висмут подают 9 разливочный ковш в виде тугоплавкого химического соединения В 12 Тез (теллурида висмута). Температура перегрева чугуна в печи составляет 1723-1773 К. Температуре заливки расплава в песчано-глинистые формы 1573 - 1603 К,Отливают образцы размером 16 х 16 х 50 мм для испытания на коррозионную стойкость и износ при 293-773 К, цилиндрические пробы диаметром 30 мм и длиной 340 мм для определения предела прочности на изгиб и твердости по шкале НЙС, а также массивные отливки перемешивающего устройства сульфат-соляной печи химического завода для работы в условиях высокотемпературного абразивного износа в агрессивной среде хлористого водорода.Для экспериментальной проверки испытаны пять составов износостойкого чугуна и состав известного чугуна,В табл. 1 приведено содержание химических элементов в чугунах различного состава.В табл. 2 приведены результаты испытаний чугунов различных составов,В табл, 1 и 2 обозначено: 1 - состав, имеющий значения содержания компонентов ниже нижнего предела; 2 - состав, имеющий значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы, по нижнему пределу; 3 - состав, имеющий оптимальные значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы; 4 - состав, имеющий значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы, по верхнему пределу; 5 - состав, имеющий значения содержания компонентов, указанных в отличительной части формулы, выше верхнегопредела; 6 - состав известного чугуна. Произведена сравнительная оценка комплекса свойств известного и предлагаемого составов чугуна; предел прочности на изгиб, твердость по шкале НВС в сыром состоянии, износостойкости при температу10 1723180 Таблица 1 рах 293 - 773 К, коррозионной стпйкости в концентрированной соляной и серной кислотах. оИзносостойкость литых образцов из предлагаемого износостойкого чугуна и известного в широком интервале температур и повышенных давлениях определяют на установке, в основу которой заложен принцип торцового трения. Данная установка позволяет выявить сплавы с прочной металлической основой при различных температурах по устойчивости геометрических размеров(гравюры) образцов, а также определить их износостойкость при трении о контроле при постоянном удельном давлении. Сильная деформация образца в зоне трения при выбранной температуре испытания свидетельствует о наличии мягкой ферритно-перлитной или аустенитной основы (матрицы) в сплаве, которая имеет низкую стойкость при абразивном изнашивании,Прочная металлическая основа высокохромистого чугуна в сочетании с равномерно распределенными мелкими и средними включениями карбидной фазы обеспечивает высокую абразивную износостойкость легированного чугуна,Испытания образцов на износ проводят при 293 и 773 К при удельном давлении на образец 100 МПа.Цикличность испытания образцов следующая: нагрузка на вращающийся образец при контакте с контртелом в нагретой зоне трения при заданном удельном давлении; выдержка образца под нагрузкой в течение 60 с, разгрузка и вывод образца из зоны трения и охлаждение образца на воздухе в течение 30 с, а затем следующее повторение цикла, Количество испытаний для каждого образца равно пяти испытаниям,Коррозионную стойкость определяют по потере массы ускоренным методом с выдержкой образцов одинакового размера в концентрированных соляной и серной кислотах в течение 24 ч. Взвешивание образцов до и после испытаний на износ и коррозию проводят нааналитических весах ВЛА-М.Анализ полученных результатов иссле 5 дования известного и предлагаемого составов износостойкого чугуна показываетследующее, Сплавы 1,3 и 4 имеют высокуюкоррозионную стойкость в среде и наибольшую износостойкость при 293 и 773 К, а10 также хорошо держат "гравюру" при этихтемпературах, Сплав 1 имеет удовлетворительную износостойкость при высоких температурах, но сильно корродирует вконцентрированной соляной кислоте.15 Сплав 5 имеет низкую износостойкость иплохо держит "гравюру" при 293 и 773 К.Все это позволяет считать концентрационный интервал легирующих элементов впредлагаемом износостойком чугуне опти 20 мальным (сплавы 2, 3 и 4).Показатели свойств известного чугунапо сравнению с предлагаемым износостойким чугуном с оптимальным содержаниемлегирующих элементов.25 Формула изобретенияЧугун, содержащий углерод, кремний,хром, марганец, молибден, ванадий, бор,теллур и железо, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения абразивной изно 30 состойкости в агрессивной среде при температурах 293 - 773 К, он дополнительносодержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.о,:Углерод 2,5 - 3,5Кремний 0,5-1,5Хром 15,0 - 25,0Марганец 2,5-4,0Молибден 1,0 - 3,0Ванадий 1,0 - 3,040 Бор 0,05 - 0,30Алюминий 0,06 - 0,15,Теллур 0,06 - 0,13Висмут 0,04 - 0,12Железо Остальное45 причем суммарное содержание теллура ивисмута. составляет 0,10 - 0,25,1723180 12 Продолжение табл 1. Таблица 2. Примечание. В числителе - потеря массы испытуемого образца на 5 цикловпри 293 К, в знаменателе - при 773 К. Составитель С,ДеркачеваТехред М.Моргентал Корректор О,Ципле Редактор М,Петрова Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Заказ 1045 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5