RU2102517C1

RU2102517C1 - Wear-resistant cast iron

Info

Publication number: RU2102517C1
Authority: RU
Inventors: Александр Петрович Чейлях; Инна Михайловна Олейник; Евгений Федорович Минка; Владимир Васильевич Перепелицын
Original assignee: Мариупольский металлургический институт
Priority date: 1992-03-10
Filing date: 1992-03-10
Publication date: 1998-01-20

Abstract

FIELD: metallurgy. SUBSTANCE: wear- resistant cast iron exploited under intensive shock and abrasive wear conditions contains carbon, chromium, manganese, silicon, copper, iron, and additionally calcium and cerium as alloying agents. Cast iron structure consists of special chromium carbides Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃C₆ and metastable austenite basis which, in the course of shock and abrasive wear in surface layer, converts into martensite to release special chromium carbides Cr₇C₃ and Cr₂₃C₆ which contribute to increased wear resistance. EFFECT: increased service life of parts. 1 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к износостойким сплавам, работающим в условиях интенсивного ударно-абразивного износа, используемым, например, для изготовления рабочих органов дробеметных аппаратов. The invention relates to the field of metallurgy, in particular to wear-resistant alloys operating in conditions of intensive impact-abrasive wear, used, for example, for the manufacture of working bodies of shot blasting machines.

Известен чугун [1] содержащий в мас. Known cast iron [1] containing in wt.

Углерод 2,7 3,5
Кремний 0,4 1,4
Марганец 0,4 1,4
Хром 18,5 23
Медь 0,2 2
Цирконий 0,01 0,1
Железо Остальное
Недостатком известного сплава является относительно невысокая ударно-абразивная износотойкость в среде дроби, используемой в дробеметных аппаратах. Кроме того, в его составе содержится дорогостоящий цирконий, что удорожает чугун.Carbon 2.7 3.5
Silicon 0.4 1.4
Manganese 0.4 1.4
Chrome 18.5 23
Copper 0.2 2
Zirconium 0.01 0.1
Iron Else
A disadvantage of the known alloy is the relatively low impact-abrasive wear resistance in the medium of the shot used in shot blasting machines. In addition, it contains expensive zirconium, which increases the cost of cast iron.

Известен также стойкий к абразивному износу закаливаемый сплав [2] содержащий в мас,
Углерод 2,6 3,6
Хром 12 22
Марганец 0,5-1,1
Молибден 1,0 3,0
Медь 0,5 1,5
Никель 1,4 2,5
Кремний 1,4 2,5
Железо Остальное
Сплав обладает довольно высокой стойкостью к абразивному износу. Однако он имеет недостаточно высокую ударно-абразивную износостойкость в среде - дроби, что очень важно для деталей дробеметов. Кроме того, в своем составе он содержит дефицитные и дорогие элементы молибден и никель, увеличивающие затраты на отливку.Known also resistant to abrasion wear hardened alloy [2] containing in wt.
Carbon 2.6 3.6
Chrome 12 22
Manganese 0.5-1.1
Molybdenum 1.0 3.0
Copper 0.5 1.5
Nickel 1.4 2.5
Silicon 1.4 2.5
Iron Else
The alloy has a fairly high abrasion resistance. However, it has insufficiently high impact-abrasive wear resistance in the medium - shot, which is very important for parts of shot blasting machines. In addition, in its composition it contains scarce and expensive elements of molybdenum and nickel, which increase the cost of casting.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является износостойкий чугун [3] содержащий в мас. The closest in technical essence to the claimed technical solution is wear-resistant cast iron [3] containing in wt.

Углерод 2,6 3,2
Кремний 0,6 0,8
Марганец 3,0 6,0
Хром 15,0 18,0
Ванадий 0,15 0,25
Иттрий 0,25 0,30
Медь 1,0 2,0
Железо Остальное
Сплав обладает высокой абразивной износостойкостью при трении о закрепленные частицы (абразивный круг КАЗ 92А25ПСМ2БК).Carbon 2.6 3.2
Silicon 0.6 0.8
Manganese 3.0 6.0
Chrome 15.0 18.0
Vanadium 0.15 0.25
Yttrium 0.25 0.30
Copper 1.0 2.0
Iron Else
The alloy has a high abrasive wear resistance during friction against fixed particles (abrasive wheel KAZ 92A25PSM2BK).

Недостатком известного чугуна является недостаточная износостойкость в условиях ударно-абразивного воздействия дроби, используемой в дробометных аппаратах. A disadvantage of the known cast iron is the lack of wear resistance in the conditions of impact-abrasive impact of the fraction used in shot blasting machines.

Технической проблемой, решаемой изобретением, является повышение ударно-абразивной износостойкости. Техническим результатом при использовании изобретения является получение в металлической основе аустенита оптимальной стабильности. The technical problem solved by the invention is to increase the impact-abrasive wear resistance. The technical result when using the invention is to obtain in a metal base austenite optimal stability.

Этот результат достигается тем, что износостойкий чугун, содержащий углерод, хром, марганец, кремний, медь и железо, дополнительно содержит кальций и церий при следующем соотношении компонентов, в мас. This result is achieved in that the wear-resistant cast iron containing carbon, chromium, manganese, silicon, copper and iron, additionally contains calcium and cerium in the following ratio of components, in wt.

Углерод 2,8-3,2
Хром 18,2 22,0
Марганец 3,0 5,0
Кремний 0,9 1,2
Медь 1,6 2,5
Кальций 0,005 0,01
Церий 0,008 0,012
Железо Остальное
Высокая ударно-абразивная износостойкость предлагаемого чугуна достигается формированием преимущественно специальных карбидов хрома Cr₃C₂, Cr₇C₃, Cr₂₃С₆, обладающих высокой твердостью HV 15-16,5 ГПа и получением метастабильной аустенитной металлической основы. Последняя, в поверхностном слое в процессе ударно-абразивного воздействия дроби претерпевает превращение в мартенсит и выделение специальных карбидов хрома Cr₇C₃ и Cr₂₃C₆ повышенной дисперсности и твердости. Это является дополнительным источником повышения сопротивления ударно-абразивному износу.Carbon 2.8-3.2
Chrome 18.2 22.0
Manganese 3.0 5.0
Silicon 0.9 1.2
Copper 1.6 2.5
Calcium 0.005 0.01
Cerium 0.008 0.012
Iron Else
High impact and abrasion resistance of the proposed cast iron is achieved by the formation of predominantly special chromium carbides Cr ₃ C ₂ , Cr ₇ C ₃ , Cr ₂₃ C ₆ having high hardness HV 15-16.5 GPa and obtaining metastable austenitic metal base. The latter, in the surface layer during the impact-abrasive impact of the fraction, undergoes transformation into martensite and the precipitation of special chromium carbides Cr ₇ C ₃ and Cr ₂₃ C _{6 of} increased dispersion and hardness. This is an additional source of increased resistance to impact and abrasion.

Анализ известных составов чугунов показал, что содержание некоторых введенных в состав заявляемого чугуна элементов известно, например: углерода, хрома, марганца, меди, кремния 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 новые качества, а именно повышение ударно-абразивной износостойкости чугуна в среде дроби. 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, copper, silicon, 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 new qualities, namely an increase in the impact-abrasive wear resistance of cast iron in a shot medium.

При содержании углерода в чугуне ниже 2,8% значительно снижается ударно-абразивная износостойкость, вследствие уменьшения количества карбидов. При увеличении содержания углерода выше 3,2% износостойкость и вязкость также снижаются в результате образования грубых заэвтектических карбидов, которые повышают хрупкость чугуна и вероятность выкрашивания. When the carbon content in cast iron is below 2.8%, the impact-abrasive wear resistance is significantly reduced due to a decrease in the amount of carbides. With an increase in carbon content above 3.2%, wear resistance and viscosity also decrease as a result of the formation of coarse hypereutectic carbides, which increase the brittleness of cast iron and the likelihood of spalling.

Предложенная концентрация при выбранном содержании углерода обеспечивает формирование специальных карбидов Cr₇C₃ Cr₂₃C₆, обладающих высокой твердостью (15,5-16,5 ГПа), что обуславливает высокую износостойкость чугуна. При содержании хрома ниже 18,2% износостойкость сплавов снижается вследствие формирования карбидов преимущественно типа Cr₃C₂ и Cr₇C₃ и уменьшения количества карбидов Cr₂₃C₆. Содержание хрома более 22% при выбранных концентрациях других компонентов практически не увеличивает износостойкость, а только удорожает чугун.The proposed concentration at the selected carbon content provides the formation of special carbides Cr ₇ C ₃ Cr ₂₃ C ₆ with high hardness (15.5-16.5 GPa), which leads to high wear resistance of cast iron. When the chromium content is below 18.2%, the wear resistance of the alloys decreases due to the formation of carbides mainly of the type Cr ₃ C ₂ and Cr ₇ C ₃ and a decrease in the number of carbides Cr ₂₃ C ₆ . Chromium content of more than 22% at selected concentrations of other components practically does not increase wear resistance, but only increases the cost of cast iron.

Марганец обеспечивает стабилизацию аустенита и получение преимущественно аустенитной металлической основы. При концентрациях марганца менее 3% в структуре увеличивается доля мартенсита и уменьшается количество аустенита. Это уменьшает степень фазовых превращений с образованием твердых фаз (мартенсита деформации и специальных карбидов) в процессе изнашивания, что снижает ударно-абразивную износостойкость. Повышение содержания марганца более 5% наоборот, чрезмерно стабилизирует аустенит, уменьшает степень самоупрочнения при изнашивании и снижает износостойкость. Manganese provides stabilization of austenite and obtaining a predominantly austenitic metal base. At manganese concentrations of less than 3%, the proportion of martensite in the structure increases and the amount of austenite decreases. This reduces the degree of phase transformations with the formation of solid phases (martensite deformation and special carbides) in the process of wear, which reduces the shock-abrasive wear resistance. An increase in manganese content of more than 5%, on the contrary, excessively stabilizes austenite, reduces the degree of self-hardening during wear and reduces wear resistance.

При содержании кремний ниже 0,9% снижается жидкотекучесть чугуна, а увеличение его содержания более 1,2% увеличивает склонность к хрупкому разрушению. When the silicon content is below 0.9%, the fluidity of cast iron decreases, and an increase in its content of more than 1.2% increases the tendency to brittle fracture.

Медь повышает прочность и вязкость чугуна, а также способствует стабилизации аустенита. Ее содержание менее 1,6% малоэффективно. Увеличение содержания меди более 2,5% при выбранной концентрации марганца чрезмерно стабилизирует аустенит, что также снижает ударно-абразивную износостойкость. Copper increases the strength and viscosity of cast iron, and also helps to stabilize austenite. Its content is less than 1.6% ineffective. An increase in copper content of more than 2.5% at a selected concentration of manganese overstabilizes austenite, which also reduces the impact and abrasion resistance.

Кальций и церий вводятся для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен и улучшения литейных и механических свойств чугуна. Введение кальция в количествах меньших 0,005% практически не улучшает качества чугуна, а при его добавке более 0,01% удорожает чугун. Содержание церия менее 0,08% мало эффективно, а введение более 0,012% экономически не оправдано, т. к. это также 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 of cast iron. The introduction of calcium in amounts less than 0.005% practically does not improve the quality of cast iron, and when it is added more than 0.01%, the cost of cast iron increases. A cerium content of less than 0.08% is not very effective, and the introduction of more than 0.012% is not economically justified, since it also increases the cost of cast iron.

Таким образом, заявляемая совокупность и предложенные концентрации легирующих элементов обеспечивают повышение ударно-абразивной износостойкости. Thus, the claimed combination and the proposed concentration of alloying elements provide an increase in impact-abrasive wear resistance.

Экспериментальные составы чугунов были выплавлены в условиях Мариупольского металлургического института в индукционной печи средней частоты ДСП 006 с кислой кварцитовой футеровкой тигля. Металл перегревали до температур 1450-1500^oC, а разливка производилась при температурах 1400-1450^oC в просушенные и прогретые до 150-200^oC песчано-глинистые формы. Отлитые образцы подвергали нормализации при температурах 1100-1150^oC и отпуску при 200^oC, 2 ч.The experimental compositions of cast irons were smelted under the conditions of the Mariupol Metallurgical Institute in a medium-frequency induction furnace DSP 006 with acid quartz lining of the crucible. The metal was overheated to temperatures of 1450-1500 ^o C, and casting was carried out at temperatures of 1400-1450 ^o C in sand-clay forms dried and warmed up to 150-200 ^o C. Cast samples were subjected to normalization at temperatures of 1100-1150 ^o C and tempering at 200 ^o C, 2 hours

Испытания чугунов предложенных составов проводились на специальной 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. Скорость вращения образцов составляла 2850 об/мин, время износа 100 мин. За эталон был принят серый чугун СЧ-18 твердостью HRC 15. Относительная износостойкость оценивалась по общепринятой методике. Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице. Tests of cast irons of the proposed compositions were carried out on a special 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 the abrasive medium of a shot (steel or cast iron) used in shot blasting machines. The rotation speed of the samples was 2850 rpm, the wear time was 100 minutes. The standard grade was gray cast iron SCh-18 with a hardness of HRC 15. Relative wear resistance was evaluated according to the generally accepted methodology. The chemical composition and properties of cast irons are given in the table.

Из таблицы следует, что заявляемый чугун оптимального состава имеет более высокую ударно-абразивную износостойкость в дроби, чем прототип. The table shows that the inventive cast iron of optimal composition has a higher impact-abrasive wear resistance in the shot than the prototype.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в повышении долговечности лопаток дробеметов и других быстроизнашивающихся деталей, изготовляемых из чугуна предложенного состава, а также в экономии дорогих и дефицитных легирующих элементов (V,It,Ni,Mo). The effectiveness of the proposed technical solution lies in increasing the durability of blades of shot blades and other wearing parts made of cast iron of the proposed composition, as well as in saving expensive and scarce alloying elements (V, It, Ni, Mo).

Claims

Wear-resistant cast iron containing carbon, chromium, manganese, silicon, copper and iron, characterized in that it additionally contains calcium and cerium in the following ratio, wt.

Carbon 2.8 3.2
Chrome 18.2 22.0
Manganese 3.0 5.0
Silicon 0.9 1.2
Copper 1.6 2.5
Calcium 0.005 0.01
Cerium 0.008 0.012
Iron Rest