RU2040576C1

RU2040576C1 - Wear-resistant cast iron

Info

Publication number: RU2040576C1
Authority: RU
Inventors: А.П. Чейлях; И.М. Олейник
Original assignee: Мариупольский металлургический институт
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 1995-07-25

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: wear- resistant cast iron contains carbon, chromium, manganese, silicium, copper and iron and is further alloyed with cerium and calcium. In cast state wear-resistant iron has martensite-austenite base and carbides Fe₃C₂, Cr₇C₃, (Fe, Cr)₃C,. When subject to impact-abrasive action, surface layer of metastable austenite undergoes phase transformation to provide for further self-strengthening of working surface and increases impact- abrasive wear-resistance. EFFECT: increased service life of parts manufactured from such cast iron and adapted for working under increased impact-abrasive wear conditions. 1 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, используемым для работы в условиях ударно-абразивного изнашивания. The invention relates to metallurgy, in particular to wear-resistant cast irons used for work in conditions of impact-abrasive wear.

Известен чугун [1] содержащий, мас. Углерод 2,8-2,84 Хром 10,35-11,0 Марганец 0,7-0,76 Кремний 0,81-0,82 Никель 0,1-0,16 Молибден 0,39 Медь 1,6 Ванадий Не более 0,3 Теллур Не более 0,005 Железо Остальное
Недостатком известного чугуна является невысокая ударно-абразивная износостойкость в среде дроби, а также легирование дефицитными элементами (Mo, V, Ni, Te), что ограничивает возможность использования для изготовления деталей дробеметных аппаратов.Known cast iron [1] containing, by weight. Carbon 2.8-2.84 Chromium 10.35-11.0 Manganese 0.7-0.76 Silicon 0.81-0.82 Nickel 0.1-0.16 Molybdenum 0.39 Copper 1.6 Vanadium Ne more than 0.3 Tellurium Not more than 0.005 Iron Else
A disadvantage of the known cast iron is its low impact and abrasion resistance in the shot medium, as well as alloying with scarce elements (Mo, V, Ni, Te), which limits the possibility of using shot blasting machines for manufacturing parts.

Известен износостойкий чугун [2] содержащий, мас. Углерод 1,3-2,3 Хром 8,0-14,0 Марганец 4,0-7,0 Кремний Не более 0,8 Железо Остальное
Этот чугун обладает высокой абразивной износостойкостью. Однако в условиях ударно-абразивного износа в среде дроби его износостойкость невысока.Known wear-resistant cast iron [2] containing, by weight. Carbon 1.3-2.3 Chromium 8.0-14.0 Manganese 4.0-7.0 Silicon Not more than 0.8 Iron Else
This cast iron has high abrasion resistance. However, under the conditions of impact-abrasive wear in a shot medium, its wear resistance is low.

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
Недостатками известного чугуна являются относительно невысокая ударно-абразивная износостойкость в дроби и содержание дефицитных и других легирующих элементов никеля и ниобия, что значительно удорожает чугун.The closest in composition and technical nature to the proposed is wear-resistant cast iron [3] containing, by weight. 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 disadvantages of cast iron are the relatively low impact-abrasion resistance in the shot and the content of scarce and other alloying elements of nickel and niobium, which significantly increases the cost of cast iron.

Целью изобретения является повышение ударно-абразивной износостойкости деталей. The aim of the invention is to increase the impact-abrasive wear resistance of parts.

Техническим результатом при использовании изобретения является образование в структуре чугуна карбидов (Fe, Cr)₃C, Cr₃C₂, Cr₇C₃, мартенсита и метастабильного аустенита, который в процессе изнашивания в поверхностном слое претерпевает γ ->> α^I -превращение.The technical result when using the invention is the formation in the structure of cast iron carbides (Fe, Cr) ₃ C, Cr ₃ C ₂ , Cr ₇ C ₃ , martensite and metastable austenite, which undergoes γ - >> α ^I transformation during wear in the surface layer .

Цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, хром, марганец, кремний, медь и железо, дополнительно содержит церий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. Углерод 3,1-3,8 Хром 10,3-14,0 Марганец 4,1-5,0 Кремний 0,5-1,0 Медь 1,7-2,5 Церий 0,05-0,1 Кальций 0,01-0,05 Железо Остальное
Предлагаемый чугун имеет аустенитно-мартенситную металлическую основу и карбиды (Fe, Cr)₃C, Cr₃C₂, Cr₇C₃. Аустенитная фаза метастабильна и в процессе ударно-абразивного изнашивания в поверхностном слое претерпевает фазовые превращения, связанные с образованием мартенсита деформации и выделением дисперсных карбидов Сr₂₃C₆ и Сr₇C₃, что обеспечивает дополнительное повышение износостойкости деталей.The goal is achieved in that the cast iron containing carbon, chromium, manganese, silicon, copper and iron, additionally contains cerium and calcium in the following ratio, wt. Carbon 3.1-3.8 Chromium 10.3-14.0 Manganese 4.1-5.0 Silicon 0.5-1.0 Copper 1.7-2.5 Cerium 0.05-0.1 Calcium 0 , 01-0.05 Iron Else
The proposed cast iron has an austenitic-martensitic metal base and carbides (Fe, Cr) ₃ C, Cr ₃ C ₂ , Cr ₇ C ₃ . The austenitic phase is metastable and undergoes abrasive wear in the surface layer undergoing phase transformations associated with the formation of deformation martensite and the precipitation of dispersed carbides Cr ₂₃ C ₆ and Cr ₇ C ₃ , which provides an additional increase in the wear resistance of parts.

Анализ известных составов чугунов показал, что содержание некоторых введенных в состав заявляемого чугуна элементов известно, например, хрома, марганца и др. Однако применение этих концентраций указанных компонентов в известных чугунах не обеспечивает последним такие свойства, которые они проявляют в совокупности с новыми компонентами (церием и кальцием) в заявляемом техническом решении, а именно: повышение ударно-абразивной износостойкости чугуна в дроби, что очень важно для деталей дробеметов. 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, 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 combination with new components (cerium and calcium) in the claimed technical solution, namely: increasing the impact-abrasive wear resistance of cast iron in the shot, which is very important for parts of shot blasting machines.

При содержании углерода ниже 3,1 мас. заметно снижается ударно-абразивная износостойкость вследствие уменьшения количества карбидной фазы. При увеличении его содержания более 3,8 мас. износостойкость также уменьшается в результате появления в структуре крупных заэвтектических карбидов, которые охрупчивают чугун и способствуют выкрашиванию. When the carbon content is below 3.1 wt. Impact-abrasive wear resistance is noticeably reduced due to a decrease in the amount of carbide phase. With an increase in its content of more than 3.8 wt. wear resistance also decreases as a result of the appearance of large hypereutectic carbides in the structure, which embrittle cast iron and contribute to chipping.

При снижении содержания хрома ниже 10,3 мас. износостойкость чугуна уменьшается вследствие образования карбидов преимущественно цементитного типа (Fe, Cr)₃C. Увеличение концентрации хрома более 14 мас. (при выбранном содержании углерода) делает чугун заэвтектическим, содержащим в структуре избыточные крупные карбиды, что вызывает охрупчивание и снижение износостойкости.With a decrease in chromium content below 10.3 wt. the wear resistance of cast iron decreases due to the formation of carbides of mainly cementite type (Fe, Cr) ₃ C. An increase in chromium concentration of more than 14 wt. (at the selected carbon content) makes the cast iron hypereutectic, containing excessive large carbides in the structure, which causes embrittlement and a decrease in wear resistance.

Марганец вводится для стабилизации аустенита и получения преимущественно аустенитной металлической основы. При содержании марганца менее 4,1 мас. в структуре увеличивается количество мартенсита и уменьшается доля остаточного метастабильного аустенита, что снижает износостойкость чугуна. Повышение концентрации марганца более 5,0 мас. вызывает чрезмерную стабилизацию аустенита, что снижает эффект поверхностного самоупрочнения в процессе изнашивания и уменьшает износостойкость сплава. Manganese is introduced to stabilize austenite and obtain a predominantly austenitic metal base. When the manganese content is less than 4.1 wt. in the structure, the amount of martensite increases and the fraction of residual metastable austenite decreases, which reduces the wear resistance of cast iron. Increasing the concentration of manganese more than 5.0 wt. causes excessive stabilization of austenite, which reduces the effect of surface self-hardening during the wear process and reduces the wear resistance of the alloy.

При содержании кремния ниже 0,5 мас. уменьшается жидкотекучесть чугуна, а увеличение его содержания более 1,0 мас. увеличивает его склонность к хрупкому разрушению. When the silicon content is below 0.5 wt. the fluidity of cast iron decreases, and the increase in its content is more than 1.0 wt. increases its tendency to brittle fracture.

Медь способствует стабилизации аустенита и повышает вязкость и прочность чугуна. Ее содержание менее 1,7 мас. малоэффективно, а увеличение концентрации более 2,5 мас. способствует графитизации и охрупчиванию сплава, что снижает его износостойкость. Copper helps stabilize austenite and increases the viscosity and strength of cast iron. Its content is less than 1.7 wt. ineffective, and an increase in concentration of more than 2.5 wt. promotes graphitization and embrittlement of the alloy, which reduces its wear resistance.

Церий и кальций вводятся для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен и улучшения литейных и механических свойств. Добавки церия менее 0,05 мас. малоэффективны, а более 0,1 мас. уже мало влияет на свойства и износостойкость, удорожает чугун. Cerium and calcium are introduced to reduce the concentration of harmful impurities along the grain boundaries and improve the casting and mechanical properties. Cerium additives less than 0.05 wt. ineffective, and more than 0.1 wt. already little effect on the properties and wear resistance, increases the cost of cast iron.

Введение кальция в малых количествах, менее 0,01 мас. недостаточно для улучшения качества чугуна, а содержание его более 0,05 мас. нецелесообразно, так как это не вызывает заметного роста механических свойств и износостойкости, к тому же это приводит к удорожанию его производства. The introduction of calcium in small quantities, less than 0.01 wt. not enough to improve the quality of cast iron, and its content is more than 0.05 wt. impractical, since this does not cause a noticeable increase in mechanical properties and wear resistance, moreover, this leads to a rise in the cost of its production.

Таким образом заявляемая совокупность и содержание легирующих элементов позволяют повысить ударно-абразивную износостойкость чугуна. Thus, the claimed combination and content of alloying elements can increase the impact-abrasive wear resistance of cast iron.

Экспериментальные составы чугунов были выплавлены в лабораторных условиях Мариупольского металлургического института в индукционной печи ДСП 006 с кислой кварцитовой футеровкой тигля. Металл перегревали до 1450-1500^оС, а разливка осуществлялась при 1400-1450^оС в просушенные и прогретые формы до 150-200^оС песчано-глинистые формы. Отлитые образцы подвергались нормализации от 950-1050^оС и отпуску при 200^оС, 2 ч.The experimental compositions of cast irons were melted in laboratory conditions at the Mariupol Metallurgical Institute in an induction furnace DSP 006 with an acidic quartzite lining of a crucible. The metal was overheated to 1450-1500 ^о С, and casting was carried out at 1400-1450 ^о С into dried and heated forms up to 150-200 ^о С sand-clay forms. Molded samples were normalization from 950-1050 ^{° C} and tempering at ²⁰⁰ ° C for 2 hours.

Испытания чугунов предложенных составов проводились на специально сконструированной установке, имитирующей условия работы лопаток дробеметов. Принцип действия установки основан на ударно-абразивном изнашивании испытуемых образцов, вращаемых в горизонтальной плоскости в абразивной среде дроби (стальной или чугунной), используемой в дробеметах. Образцы закреплялись на рабочем валу, расположенном вертикально и навинченном на вал электродвигателя. Вал с образцами располагался в специальном стакане с дробью. Скорость вращения образцов составляла 2850 мин^-1. В процессе работы дробь оказывала ударно-абразивное воздействие на испытуемые образцы. За эталон был принят серый чугун СЧ 18 твердостью НRC 15.Tests of cast irons of the proposed compositions were carried out on a specially designed installation that simulates the operating conditions of shot blades. The principle of operation of the installation is based on impact-abrasive wear of test specimens rotated in a horizontal plane in the abrasive medium of a shot (steel or cast iron) used in shot blasting machines. The samples were fixed on a working shaft located vertically and screwed onto the motor shaft. The shaft with the samples was located in a special glass with a shot. The rotation speed of the samples was 2850 min ^-1 . In the process, the fraction had a shock-abrasive effect on the test samples. MF 18 gray cast iron with a hardness of HRC 15 was adopted as the standard.

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

Сравнение свойств чугунов различных составов показывает, что предлагаемый чугун оптимального состава (III) обладает наибольшей износостойкостью в условиях ударно-абразивного изнашивания в дроби по сравнению с прототипом, что позволяет повысить срок службы изготовляемых из него деталей. A comparison of the properties of cast irons of various compositions shows that the proposed cast iron of optimal composition (III) has the greatest wear resistance in the conditions of impact-abrasive wear in shots compared to the prototype, which allows to increase the service life of parts made from it.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в повышении качества чугуна, экономии металла за счет увеличения эксплуатационной долговечности, а также отсутствии в его составе дефицитных легирующих элементов (Ni, Nb, Mo, V и др.). The effectiveness of the proposed technical solution lies in improving the quality of cast iron, saving metal by increasing operational durability, as well as the absence of deficient alloying elements (Ni, Nb, Mo, V, etc.) in its composition.

Claims

WEAR-RESISTANT CAST IRON containing carbon, silicon, manganese, chromium, copper and iron, characterized in that it additionally contains cerium and calcium in the following ratio of components, wt.

Carbon 3.1 3.8
Silicon 0.5 1.0
Manganese 4.1 5.0
Chrome 10.3 14.0
Copper 1.7 2.5
Cerium 0.05 0.1
Calcium 0.01 0.005
Iron Else