RU2030478C1

RU2030478C1 - Wear-resistant cast iron

Info

Publication number: RU2030478C1
Authority: RU
Inventors: А.П. Чейлях; И.М. Олейник; Е.Ф. Минка; В.В. Перепелицын
Original assignee: Мариупольский металлургический институт
Priority date: 1991-07-16
Filing date: 1991-07-16
Publication date: 1995-03-10

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: in the as-cast state the cast iron contains carbon, chromium, manganese, copper, silicon and iron, is additionally alloyed with cerium and calcium and has a martensitic-austenitic base and carbides Cr₃C₂, (Cr,Fe)₇C₃, (Cr,Fe)₃C. The metastable austenite subjected to impact-abrasive action of shot in operation is transformed in the surface layer into martensite and releases carbides which ensures additional self-hardening of working surface and improves impact-abrasive wear resistance of parts. EFFECT: higher impact-abrasive wear resistance, longer service life of parts made from this cast iron and subjected to impact-abrasive wear. 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, используемым для изготовления деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа. The invention relates to metallurgy, in particular to wear-resistant cast irons used for the manufacture of parts operating in conditions of impact-abrasive wear.

Известен чугун, [1] содержащий, мас.%: Углерод 1,3-3,39 Хром 8-14 Марганец 4,01-7,0 Кремний Не более 0,8 Железо Остальное
Недостатком известного чугуна является низкий уровень ударно-абразивной износостойкости в среде - дроби.Known cast iron, [1] containing, wt.%: Carbon 1.3-3.39 Chromium 8-14 Manganese 4.01-7.0 Silicon Not more than 0.8 Iron Else
A disadvantage of the known cast iron is the low level of impact-abrasive wear resistance in the medium - fractions.

Известен износостойкий чугун [2], содержащий, мас.%: Углерод 2,8-3,4 Хром 5,2-8,1 Марганец 2,4-3,5 Кремний 2,2-3,1 Титан 0,2-0,3 Кальций 0,001-0,002 Железо Остальное
Этот чугун обладает высокой износостойкостью в условиях абразивного износа. Недостатком известного чугуна является относительно невысокая ударно-абразивная износостойкость в среде - дроби. Кроме того, он содержит дефицитный титан, ухудшающий жидкотекучесть и усложняющий технологию его отливки.Known wear-resistant cast iron [2], containing, wt.%: Carbon 2.8-3.4 Chromium 5.2-8.1 Manganese 2.4-3.5 Silicon 2.2-3.1 Titanium 0.2- 0.3 Calcium 0.001-0.002 Iron Else
This cast iron has high wear resistance under abrasive conditions. A disadvantage of the known cast iron is the relatively low impact-abrasion resistance in the medium - fractions. In addition, it contains deficient titanium, impairing fluidity and complicating the technology of casting.

Наиболее близким по составу и технической сущности к предлагаемому является износостойкий чугун [3], содержащий, мас.%: Углерод 1,5-3,0 Хром 5,0-10,0 Марганец 1,5-4,0 Кремний 0,6-2,0 Никель 0,5-1,5 Медь 0,5-4,0 Ниобий 0,1-1,0 Железо Остальное
Недостатком известного чугуна является относительно невысокая ударно-абразивная износостойкость в дроби и содержание дефицитных и дорогих элементов - никеля и ниобия, что удорожает чугун.The closest in composition and technical nature to the proposed one is wear-resistant cast iron [3], containing, wt.%: Carbon 1.5-3.0 Chromium 5.0-10.0 Manganese 1.5-4.0 Silicon 0.6 -2.0 Nickel 0.5-1.5 Copper 0.5-4.0 Niobium 0.1-1.0 Iron Else
The disadvantage of cast iron is the relatively low impact-abrasion resistance in the shot and the content of scarce and expensive elements - nickel and niobium, which makes cast iron more expensive.

Целью изобретения является повышение ударно-абразивной износостойкости в дроби. The aim of the invention is to increase the impact-abrasive wear resistance in the shot.

Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, хром, марганец, медь, кремний и железо, дополнительно содержит церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. %: Углерод 3,1-3,8 Хром 5,0-10,0 Марганец 4,2-5,8 Кремний 0,5-1,2 Кальций 0,01-0,1 Церий 0,03-0,05 Железо Остальное
Предлагаемый чугун в литом состоянии имеет мартенситно-аустенитную металлическую основу и карбиды Сr₂С₂, (Сr,Fe)₇C₃, (Cr, Fe)₃C. Метастабильный аустенит при ударно-абразивном воздействии дроби при эксплуатации деталей претерпевает в поверхностном слое превращение в мартенсит, происходит также выделение карбидов, что обеспечивает дополнительное самоупрочнение рабочей поверхности и повышение ударно-абразивной износостойкости деталей.This is achieved by the fact that cast iron containing carbon, chromium, manganese, copper, silicon and iron, additionally contains cerium and calcium in the following ratio, wt. %: Carbon 3.1-3.8 Chromium 5.0-10.0 Manganese 4.2-5.8 Silicon 0.5-1.2 Calcium 0.01-0.1 Cerium 0.03-0.05 Iron Else
The proposed cast iron has a martensitic-austenitic metal base and carbides Cr ₂ C ₂ , (Cr, Fe) ₇ C ₃ , (Cr, Fe) ₃ C. Metastable austenite during impact-abrasive action of the shot during operation of the parts undergoes in the surface layer transformation into martensite, carbide precipitation also occurs, which provides additional self-hardening of the working surface and increase of impact-abrasive wear resistance of parts.

Сопоставительный анализ с прототипом позволяет сделать вывод, что заявляемый состав чугуна отличается от известных введением новых компонентов - кальция и церия и содержанием углерода и марганца и отсутствием дефицитных элементов (Ni,Nb). Это позволяет повысить ударно-абразивную износостойкость чугуна. Таким образом, предложенное техническое решение соответствует критерию "новизна". Comparative analysis with the prototype allows us to conclude that the inventive composition of cast iron differs from the known introduction of new components - calcium and cerium and the content of carbon and manganese and the absence of scarce elements (Ni, Nb). This allows you to increase the impact-abrasive wear resistance of cast iron. Thus, the proposed technical solution meets the criterion of "novelty."

Анализ известных составов чугунов показал, что содержание некоторых введенных в состав заявляемого чугуна элементов известно, например углерода, хрома, марганца и т.д. Однако применение этих концентраций указанных компонентов в известных чугунах не обеспечивает последним такие свойства, которые они проявляют в совокупности с новыми компонентами в заявляемом техническом решении, а именно повышение ударно-абразивной износостойкости в дроби. Таким образом, предложенная совокупность ингредиентов придает изобретению новое качество, а именно повышение ударно-абразивной износостойкости чугуна, что позволяет сделать вывод о соответствии предложенного технического решения критерию "существенные отличия". Analysis of the known compositions of cast irons showed that the content of some elements introduced into the inventive cast iron is known, for example, carbon, chromium, manganese, etc. However, the use of these concentrations of these components in known cast irons does not provide the latter with the properties that they exhibit in conjunction with the new components in the claimed technical solution, namely, an increase in impact-abrasive wear resistance in the shot. Thus, the proposed combination of ingredients gives the invention a new quality, namely increasing the impact-abrasive wear resistance of cast iron, which allows us to conclude that the proposed technical solution meets the criterion of "significant differences".

При содержании углерода ниже 3,1% заметно понижается ударно-абразивная износостойкость вследствие уменьшения количества карбидной фазы. При увеличении содержания углерода (свыше 3,8 %) износостойкость также уменьшается в результате того, что в структуре чугуна появляются крупные заэвтектические карбиды, которые увеличивают хрупкость чугуна и вероятность выкрашивания. When the carbon content is below 3.1%, the impact-abrasion wear resistance is markedly reduced due to a decrease in the amount of carbide phase. With an increase in carbon content (over 3.8%), wear resistance also decreases due to the fact that large hypereutectic carbides appear in the structure of cast iron, which increase the brittleness of cast iron and the likelihood of chipping.

Предложенная концентрация хрома обеспечивает формирование в структуре предлагаемого чугуна специальных карбидов Сr₃С₂, (Сr,Fe)₇С₃, что обуславливает высокую его износостойкость. При содержании хрома ниже 5% износостойкость сплавов снижается вследствие формирования карбидов преимущественно цементитного типа (Сr, Fe)₃C. Содержание хрома выше 10% при концентрациях предложенных элементов практически не улучшает свойства, а только удорожает его.The proposed chromium concentration ensures the formation of special carbides Cr ₃ C ₂ , (Cr, Fe) ₇ C ₃ in the structure of the proposed cast iron, which leads to its high wear resistance. When the chromium content is below 5%, the wear resistance of the alloys decreases due to the formation of carbides of mainly cementite type (Cr, Fe) ₃ C. The chromium content above 10% at concentrations of the proposed elements practically does not improve the properties, but only increases its cost.

Марганец обеспечивает стабилизацию аустенита и получение преимущественно аустенитной металлической основы. При концентрациях марганца менее 4,2% в структуре чугуна увеличивается количество мартенсита и уменьшается количество аустенита, что не обеспечивает высокой износостойкости. Повышение содержания марганца более 5,8%, напротив, чрезмерно уменьшает степень самоупрочнения в процессе изнашивания и снижает износостойкость. Manganese provides stabilization of austenite and obtaining a predominantly austenitic metal base. At manganese concentrations of less than 4.2%, the amount of martensite in the structure of cast iron increases and the amount of austenite decreases, which does not provide high wear resistance. An increase in the manganese content of more than 5.8%, on the contrary, unduly reduces the degree of self-hardening in the process of wear and reduces wear resistance.

При содержании кремния ниже 0,5% понижается жидкотекучесть сплава, а увеличение его содержания (выше 1,2%) увеличивает склонность чугуна к хрупкому разрушению. When the silicon content is below 0.5%, the fluidity of the alloy decreases, and an increase in its content (above 1.2%) increases the tendency of cast iron to brittle fracture.

Медь повышает прочностные свойства и вязкость чугуна. Ее содержание менее 1,5% малоэффективно. Увеличение содержания меди (более 2,5%) способствует графитизации чугуна и охрупчиванию сплава, что отрицательно влияет на износостойкость. Copper increases the strength properties and viscosity of cast iron. Its content is less than 1.5% ineffective. An increase in copper content (more than 2.5%) contributes to graphitization of cast iron and embrittlement of the alloy, which negatively affects wear resistance.

Кальций и церий вводятся для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен и улучшения литейных и механических свойств. Введение кальция в количестве, меньшем 0,01%, практически не улучшает качество чугуна, а при его добавке более 0,1% удорожает чугун, что экономически не оправдано. Присутствие 0,03-0,05% церия благоприятно влияет на износостойкость чугуна за счет уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен. Более высокое его содержание нецелесообразно, так как это существенно удорожает чугун. Calcium and cerium are introduced to reduce the concentration of harmful impurities along the grain boundaries and improve the casting and mechanical properties. The introduction of calcium in an amount less than 0.01% practically does not improve the quality of cast iron, and with its addition of more than 0.1%, the cost of cast iron increases, which is not economically justified. The presence of 0.03-0.05% cerium favorably affects the wear resistance of cast iron by reducing the concentration of harmful impurities along the grain boundaries. Its higher content is impractical, since it significantly increases the cost of cast iron.

Таким образом, заявляемая совокупность легирующих элементов позволяет повысить ударно-абразивную износостойкость, что позволяет реализовать цель изобретения. Thus, the claimed combination of alloying elements allows to increase the impact-abrasive wear resistance, which allows to realize the purpose of the invention.

Экспериментальные составы чугунов были выплавлены в условиях лаборатории Мариупольского металлургического института в индукционной печи средней частоты ДСП 006 с кислой кварцитовой футеровкой тигля. Металл перегревали до 1450-1500^оС. Разливка чугуна производилась при 1400-1450^оС в просушенные и прогретые до 150-200^оС песчано-глинистые формы. Отлитые образцы подвергались нормализации от температуры 950-1000^оС и отпуску при 200^оС в течение 2 ч.The experimental compositions of cast irons were smelted in the laboratory of the Mariupol Metallurgical Institute in a medium-frequency induction furnace DSP 006 with an acidic quartz lining of the crucible. The metal was overheated to 1450-1500 ^о С. Casting of cast iron was carried out at 1400-1450 ^о С into the sandy-clay forms dried and warmed up to 150-200 ^о С. Molded samples were normalizing the temperature 950-1000 ^{° C} and tempering at ²⁰⁰ ° C for 2 hours.

Испытания чугунов предложенных составов проводились на специально сконструированной установке, имитирующей работу лопаток дробеметов. Принцип действия установки основан на ударно-абразивном изнашивании испытуемых образцов, вращаемых в вертикальной плоскости в абразивной среде - дроби (стальной или чугунной), используемой в дробеметах. Образцы закреплялись на рабочем валу расположенного вертикально и навинченного на вал электродвигателя (скорость вращения 2850 об/мин), мощность 1,5 кВт/ч). Вал с образцами помещали в стакан с дробью через отверстие в крышке. В процессе работы установки дробь оттесняется к периферии, стремясь образовать подобие воронки. Скатывающиеся со стенок стакана дробинки оказывают ударное воздействие на вращающиеся образцы и таким образом вовлекаются в процесс изнашивания. Tests of cast iron of the proposed compositions were carried out on a specially designed installation that simulates the operation of blades of shot blades. The principle of operation of the installation is based on shock-abrasive wear of test specimens rotated in a vertical plane in an abrasive medium - shot (steel or cast iron) used in shot blasting machines. The samples were fixed on the working shaft located vertically and screwed onto the motor shaft (rotation speed 2850 rpm), power 1.5 kW / h). A shaft with samples was placed in a glass with a shot through a hole in the lid. During the installation, the fraction is pushed to the periphery, trying to form a semblance of a funnel. The pellets rolling down from the walls of the glass have an impact on rotating samples and are thus involved in the wear process.

За эталон был принят серый чугун (СЧ 18-32) твердостью НRC 15. Gray cast iron (SCh 18-32) with hardness HRC 15 was adopted as the standard.

Химический состав и свойства предлагаемого и известного чугунов приведены в таблице. The chemical composition and properties of the proposed and known cast irons are given in the table.

Сравнение свойств чугунов показывает, что предлагаемый чугун обеспечивает большую износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания в дроби, что позволяет повысить срок службы изготовленных из него деталей. A comparison of the properties of cast irons shows that the proposed cast iron provides greater wear resistance in conditions of impact-abrasive wear in shots, which allows to increase the service life of parts made from it.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в повышении качества чугуна и экономии металла за счет увеличения срока службы деталей, кроме того, в его составе отсутствуют дефицитные и дорогие легирующие элементы (Ni, Nb). The effectiveness of the proposed technical solution is to improve the quality of cast iron and save metal by increasing the service life of parts, in addition, it does not contain scarce and expensive alloying elements (Ni, Nb).

Claims

WEAR-RESISTANT CAST IRON containing carbon, chromium, manganese, silicon, copper, iron, characterized in that it additionally contains calcium and cerium in the following ratio of components, wt.%:
Carbon - 3.1 - 3.8
Chrome - 5.0 - 10.0
Manganese - 4.2 - 5.8
Silicon - 0.5 - 1.2
Copper - 1.5 - 2.5
Calcium - 0.01 - 0.1
Cerium - 0.03 - 0.05
Iron - Else