RU2146300C1

RU2146300C1 - Cast-iron

Info

Publication number: RU2146300C1
Application number: RU99112044A
Authority: RU
Inventors: Э.В. Степанцов; В.И. Крестьянов; С.С. Бакума; Е.А. Вестфальский; А.А. Каменских; А.А. Карпов; А.Е. Демидов
Original assignee: Ассоциация металлургов и инвесторов
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 1999-06-09
Publication date: 2000-03-10

Abstract

FIELD: metallurgy; development of compositions of cast- iron for grinding bodies, rolls and other wear parts. SUBSTANCE: proposed cast-iron contains components in the following composition, mass-%: carbon, 4.21 to 4.90; silicon, 0.1 to 0.6; manganese, 0.1 to 0.6; chromium, 1.51 to 2.7; vanadium, 0.05 to 0.55; titanium, 0.06 to 0.25; copper, 0.6 to 1/5; magnesium, 0.03 to 0.06; iron, remainder. EFFECT: increased hardness; enhanced wear resistance; enhanced resistance to cracking and impacts. 2 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов чугуна для изготовления мелющих тел и быстро изнашивающихся деталей: бил, броневых плит, шаровых мельниц, щек щековых дробилок и т. п. The invention relates to metallurgy, in particular to the development of cast iron compositions for the manufacture of grinding media and rapidly wearing parts: beats, armor plates, ball mills, cheek jaw crushers, etc.

Известен чугун следующего химического состава, мас.%: C - 2,6-3,5; Si - 1,2-1,8; Mn - 0,3-0,8; Cr - 0,2-0,5; Ti - 0,1-0,4; Al - 0,1-0,2; Cu - 0,1-1,1; Ca - 0,02-0,08; Sb, Te - 0,01-0,07; B - 0,001-0,02; Mo - 0,1-0,9; V - 0,1-0,25; P3M 0,002-0,03; Fe - ocт. (a.c. N 1068530, C 22 C 37/06, 21.03.84 г). Known cast iron of the following chemical composition, wt.%: C - 2.6-3.5; Si 1.2-1.8; Mn 0.3-0.8; Cr 0.2-0.5; Ti - 0.1-0.4; Al - 0.1-0.2; Cu - 0.1-1.1; Ca - 0.02-0.08; Sb, Te - 0.01-0.07; B - 0.001-0.02; Mo - 0.1-0.9; V - 0.1-0.25; P3M 0.002-0.03; Fe - oct. (a.c. N 1068530, C 22 C 37/06, 03.21.84 g).

Низкое содержание углерода и хрома приводит к недостаточному количеству карбидов, что в свою очередь снижает твердость и износостойкость чугуна. В то же время высокое содержание кремния, кальция, алюминия приводит к образованию в металлической матрице (микроструктуре) низко износостойкой фазы-перлита, что также снижает твердость и износостойкость чугуна. A low carbon and chromium content leads to an insufficient amount of carbides, which in turn reduces the hardness and wear resistance of cast iron. At the same time, a high content of silicon, calcium, and aluminum leads to the formation of a low wear-resistant perlite phase in the metal matrix (microstructure), which also reduces the hardness and wear resistance of cast iron.

Известен также чугун следующего химического состава, мас.%: C - 2,8-3,5; Si - 0,5-1,8; Mn - 0,15-0,60; Cr - 0,5-1,5; Cu - 0,5-2,5; Mo - 0,1-1,0; N - 2,0-4,5; РЗМ 0,05- 0,20; Fe - ост. (а.с. N 1701753, C 22 C 37/06, 30.12.89 г.). Cast iron of the following chemical composition is also known, wt.%: C - 2.8-3.5; Si - 0.5-1.8; Mn 0.15-0.60; Cr - 0.5-1.5; Cu - 0.5-2.5; Mo - 0.1-1.0; N, 2.0-4.5; REM 0.05-0.20; Fe - ost. (A.S. N 1701753, C 22 C 37/06, 12/30/89).

Низкое содержание углерода приводит к недостаточному образованию карбидов и, следовательно, к снижению твердости и износостойкости. Высокое содержание кремния также снижает карбидообразование и способствует получению малоизносостойких структур (перлита) в металлической матрице чугуна. Кроме того, высокое содержание в чугуне никеля и молибдена (2,1-5,5%) приводит к образованию в металлической матрице остаточного аустенита, который резко снижает твердость и износостойкость чугуна. A low carbon content leads to insufficient carbide formation and, consequently, to a decrease in hardness and wear resistance. The high silicon content also reduces carbide formation and contributes to the production of low wear resistant structures (perlite) in the metal matrix of cast iron. In addition, the high content of nickel and molybdenum in cast iron (2.1-5.5%) leads to the formation of residual austenite in the metal matrix, which sharply reduces the hardness and wear resistance of cast iron.

Известен чугун следующего химического состава, мас.%:
C - 2,8-3,8; Si - 0,2-1,2; Mn - 0,1-0,8; Cr - 0,1-0,6; Ti - 0,01-0,05; Cu - 0,02-0,30; V - 0,15-0,80; N - 0,07-0,30; Mg - 0,003-0,08; Fe - ост. (а. с. N 1548246, C 22 C 37/10, 07.03.90 г.).Known cast iron of the following chemical composition, wt.%:
C - 2.8-3.8; Si 0.2-1.2; Mn 0.1-0.8; Cr 0.1-0.6; Ti - 0.01-0.05; Cu - 0.02-0.30; V - 0.15-0.80; N 0.07-0.30; Mg - 0.003-0.08; Fe - ost. (A.S. N 1548246, C 22 C 37/10, March 7, 90).

Низкое содержание углерода в сочетании с низким содержанием хрома (0,1%) и титана (0,01%) не обеспечивает получение требуемого количества и твердости карбидов, что приводит к снижению износостойкости чугуна. Низкое содержание меди (0,3%) в химическом составе чугуна является неэффективным в формировании твердых и износостойких фаз металлической матрицы чугуна. Низкое содержание магния (0,003%) не может выступать в роли высокоэффективного элемента, способствующего образованию достаточного количества мелкодисперсных карбидов. A low carbon content in combination with a low content of chromium (0.1%) and titanium (0.01%) does not provide the required amount and hardness of carbides, which leads to a decrease in the wear resistance of cast iron. The low copper content (0.3%) in the chemical composition of cast iron is ineffective in the formation of solid and wear-resistant phases of the cast iron metal matrix. A low magnesium content (0.003%) cannot act as a highly effective element that contributes to the formation of a sufficient amount of fine carbides.

Наиболее близким по технической сущности является чугун следующего химического состава, мас.%: углерод 3,5-4,2; кремний 0,1-0,6; марганец 0,1-0,6; хром 0,4-1,0; ванадий 0,05-0,55; титан 0,06-0,25; медь 0,6-1,5; магний 0,03-0,06; железо - остальное. В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера и фосфор (а.с. N 2128238, C 22 C 37/10, 03. 1999 г.). The closest in technical essence is cast iron of the following chemical composition, wt.%: Carbon 3,5-4,2; silicon 0.1-0.6; manganese 0.1-0.6; chrome 0.4-1.0; vanadium 0.05-0.55; titanium 0.06-0.25; copper 0.6-1.5; magnesium 0.03-0.06; iron is the rest. Sulfur and phosphorus may be present as impurities in cast iron (as.with. N 2128238, C 22 C 37/10, 03. 1999).

Относительно низкое содержание углерода (3,5-4,2%) и хрома (0,4-1,0%) как двух главных элементов, способствующих формированию наибольшего количества твердых карбидов, которые определяют основные служебные характеристики чугуна, такие как износостойкость, трещиностойкость, твердость и ударостойкость, не позволяет обеспечить стабильность и максимальный уровень этих характеристик в изделиях. The relatively low content of carbon (3.5-4.2%) and chromium (0.4-1.0%) as the two main elements contributing to the formation of the largest amount of solid carbides, which determine the main service characteristics of cast iron, such as wear resistance, crack resistance , hardness and impact resistance, it is not possible to ensure stability and the maximum level of these characteristics in products.

Задачей изобретения является повышение твердости, износостойкости, трещиностойкости и ударостойкости мелющих тел: шаров и цильпебсов, бил, броневых плит, шаровых мельниц, щек щековых дробилок, прокатных валков. Решение поставленной задачи достигается выбором граничных пределов содержания компонентов в чугуне, мас.%: углерод 4,21-4,90; кремний 0,1-0,6; марганец 0,1-0,6; хром 1,51-2,7; ванадий 0,05-0,55; титан 0,06-0,25; медь 0,6-1,5; магний 0,03-0,06; железо остальное. В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера и фосфор. Такой выбор компонентов обеспечивает получение чугуна с субмикрокристаллической структурой основной металлической матрицы и тонких разветвленных карбидов. Содержание углерода более 4,2% могло привести к интенсивному выделению графита в структуре, однако, увеличение содержания хрома до 2,7% позволяет связать увеличенный в процентном отношении углерод в прочные карбиды, придавая таким образом металлической матрице повышенную твердость, износостойкость, трещиностойкость и ударостойкость. The objective of the invention is to increase the hardness, wear resistance, crack resistance and impact resistance of grinding media: balls and tsilpebs, beats, armor plates, ball mills, cheek jaw crushers, rolling rolls. The solution to this problem is achieved by choosing the boundary limits for the content of components in cast iron, wt.%: Carbon 4.21-4.90; silicon 0.1-0.6; manganese 0.1-0.6; chrome 1.51-2.7; vanadium 0.05-0.55; titanium 0.06-0.25; copper 0.6-1.5; magnesium 0.03-0.06; iron the rest. Sulfur and phosphorus may be present as impurities in cast iron. Such a choice of components provides the production of cast iron with a submicrocrystalline structure of the main metal matrix and thin branched carbides. A carbon content of more than 4.2% could lead to an intensive release of graphite in the structure, however, an increase in chromium content to 2.7% allows you to bind the percentage-increased carbon to strong carbides, thus giving the metal matrix increased hardness, wear resistance, crack resistance and impact resistance .

Таким образом, предложенное содержание углерода в пределах 4,21-4,9% по массе обеспечивает получение максимального количества карбидов и в то же время тормозит усадку в процессе перехода металла из жидкого в твердое состояние, т. е. позволяет получить плотную литую структуру без пор и раковин, повышает твердость, трещиностойкость, ударостойкость, износостойкость чугуна. Содержание углерода ниже 4,21% приведет к уменьшению твердости, износостойкости и увеличению усадочных дефектов и снижению трещиностойкости. Высокое содержание углерода более 4,9% приведет к интенсивному выделению графита в свободном виде, что резко снизит твердость, износостойкость, ударостойкость. Thus, the proposed carbon content in the range of 4.21-4.9% by mass provides the maximum amount of carbides and, at the same time, inhibits shrinkage during the transition of the metal from a liquid to a solid state, i.e., it allows to obtain a dense cast structure without pores and sinks, increases hardness, crack resistance, impact resistance, wear resistance of cast iron. A carbon content below 4.21% will lead to a decrease in hardness, wear resistance and an increase in shrinkage defects and a decrease in crack resistance. A high carbon content of more than 4.9% will lead to intensive release of graphite in its free form, which will sharply reduce hardness, wear resistance, and impact resistance.

Содержание кремния в пределах 0,1-0,6% по массе выбрано из условий его минимального влияния на процесс карбидообразования в ходе первичной кристаллизации, и практически при заданном содержании остальных элементов он не оказывает никакого влияния на процесс графитизации при эвтектической и эфтектоидной кристаллизации. Низкое содержание кремния не оказывает влияние на формирование износостойких фаз в чугуне и приводит только к удорожанию материала. Содержание кремния выше 0,6% приводит к увеличению степени графитизации, что, как следствие, понижает износостойкость отливок. The silicon content in the range of 0.1-0.6% by mass is selected from the conditions of its minimal effect on the carbide formation during primary crystallization, and practically at a given content of the remaining elements it does not have any effect on the graphitization process during eutectic and ectectoid crystallization. The low silicon content does not affect the formation of wear-resistant phases in cast iron and only leads to an increase in the cost of the material. The silicon content above 0.6% leads to an increase in the degree of graphitization, which, as a result, reduces the wear resistance of castings.

Марганец способствует получению в структуре чугуна остаточного аустенита и, кроме того, сосредотачиваясь на границе зерен, он охрупчивает материал и тем самым снижает его ударостойкость. Исходя из этого его пределы выбраны на минимально-допустимом уровне, равным 0,1-0,6% по массе. Содержание марганца ниже 0,1% экономически нецелесообразно. Содержание марганца выше 0,6% приводит к резкому охрупчиванию чугуна и тем самым снижает ударостойкость. Manganese contributes to the production of residual austenite in the structure of cast iron and, in addition, focusing on the grain boundary, it embrittle the material and thereby reduces its impact resistance. Based on this, its limits are selected at the minimum acceptable level, equal to 0.1-0.6% by weight. A manganese content below 0.1% is not economically feasible. A manganese content above 0.6% leads to a sharp embrittlement of cast iron and thereby reduces the impact resistance.

Хром позволяет получать карбиды сложного состава, повышает твердость и тем самым износостойкость чугуна. Кроме того он повышает прокаливаемость чугуна, что позволяет получать равномерную твердость по всему сечению отливки и одинаковую износостойкость как поверхностных, так и внутренних слоев материала. Содержание хрома ниже выбранного предела 1,51% при содержании углерода в пределах (4,21-4,9%) будет недостаточно для образования необходимого количества высокоизносостойких карбидов, что приводит к уменьшению износостойкости и твердости. Высокое содержание хрома (выше 2,7%) приводит к ухудшению технологичности сплава, увеличению усадочных процессов и к снижению трещиностойкости. Chromium allows to obtain carbides of complex composition, increases the hardness and thereby the wear resistance of cast iron. In addition, it increases the hardenability of cast iron, which allows to obtain uniform hardness over the entire cross section of the casting and the same wear resistance of both the surface and inner layers of the material. The chromium content below the selected limit of 1.51% when the carbon content is in the range (4.21-4.9%) will not be enough to form the required amount of highly wear-resistant carbides, which leads to a decrease in wear resistance and hardness. A high chromium content (above 2.7%) leads to a decrease in the manufacturability of the alloy, an increase in shrinkage processes and a decrease in crack resistance.

Ванадий способствует измельчению структурных составляющих, повышает вязкость материала и, выделясь в виде мелких дисперсных карбидов с высокой твердостью, способствует упрочнению и повышению твердости металлической матрицы. Содержание ванадия ниже 0,05% приводит к уменьшению износостойкости и ударостойкости. Содержание ванадия выше 0,55% не дает увеличения твердости, износостойкости и ударостойкости. Vanadium contributes to the refinement of structural components, increases the viscosity of the material and, standing out in the form of fine dispersed carbides with high hardness, helps to harden and increase the hardness of the metal matrix. The vanadium content below 0.05% leads to a decrease in wear resistance and impact resistance. A vanadium content above 0.55% does not increase hardness, wear resistance and impact resistance.

Титан способствует получению карбидов с высокой твердостью и тем самым повышает износостойкость чугуна. Содержание титана в чугуне ниже указанного предела (0,06%) приводит к снижению твердости и понижению износостойкости. Содержание титана выше 0,25% приводит к снижению ударостойкости за счет охрупчивания границ зерен. Titanium contributes to the production of carbides with high hardness and thereby increases the wear resistance of cast iron. The titanium content in cast iron below the specified limit (0.06%) leads to a decrease in hardness and lower wear resistance. The titanium content above 0.25% leads to a decrease in impact resistance due to embrittlement of grain boundaries.

Медь выбранных пределов (0,6-1,5%) по массе способствует получению субмикрокристаллической структуры матрицы чугуна, что значительно повышает его износостойкость и ударостойкость. Содержание меди ниже 0,6% не оказывает влияния на формирование субмикрокристаллической структуры и приводит к снижению износостойкости и ударостойкости. Содержание меди выше верхнего предела (1,5%) приводит к выделению мягкой медистой фазы, что снижает твердость и износостойкость чугуна. Copper of the selected limits (0.6-1.5%) by weight contributes to the production of a submicrocrystalline structure of the cast iron matrix, which significantly increases its wear resistance and impact resistance. A copper content below 0.6% does not affect the formation of a submicrocrystalline structure and leads to a decrease in wear resistance and impact resistance. The copper content above the upper limit (1.5%) leads to the release of a soft copper phase, which reduces the hardness and wear resistance of cast iron.

Магний оказывает рафинирующее и модифицирующее действие, способствует получению в структуре чугуна значительного количества мелкодисперсного шаровидного графита, который снижает уровень остаточных напряжений. При этом свободный графит, выделяясь в процессе первичной кристаллизации, тормозит усадку. Модифицирующее действие магния способствует измельчению карбидов и их равномерному распределению в матрице. Благодаря такому действию магний способствует повышению износостойкости и ударостойкости чугуна. При снижении магния в чугуне менее 0,03% его модифицирующее действие пропадает и значительно снижает ударостойкость. Содержание магния выше 0,06% приведет к резкому охрупчиванию чугуна и, как следствие, к снижению ударостойкости. Magnesium has a refining and modifying effect, contributes to the production of a significant amount of finely divided spherical graphite in the structure of cast iron, which reduces the level of residual stresses. In this case, free graphite, released during the primary crystallization, inhibits shrinkage. The modifying effect of magnesium contributes to the grinding of carbides and their uniform distribution in the matrix. Thanks to this action, magnesium helps to increase the wear resistance and impact resistance of cast iron. With a decrease in magnesium in cast iron less than 0.03%, its modifying effect disappears and significantly reduces the impact resistance. A magnesium content above 0.06% will lead to a sharp embrittlement of cast iron and, as a result, to a decrease in impact resistance.

В предлагаемом чугуне повышение пределов содержания углерода и хрома по сравнению с известным чугуном позволяет повысить твердость, износостойкость, трещиностойкость и ударостойкость чугуна за счет получения субмикрокристаллической структуры основной металлической матрицы с равномерно распределенными тонкими разветвленными карбидами. In the proposed cast iron, an increase in the carbon and chromium limits in comparison with the known cast iron makes it possible to increase the hardness, wear resistance, crack resistance and impact resistance of cast iron by obtaining a submicrocrystalline structure of the main metal matrix with uniformly distributed thin branched carbides.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет содержания всех компонентов, входящих в чугун, в указанных диапазонах. The achievement of the specified technical result is ensured by the content of all components included in the cast iron in the indicated ranges.

Чугун выплавляют в дуговой печи постоянного тока с кислой футеровкой, либо в индукционной печи. В качестве шихтовых материалов используют чугунный скрап, образующийся в процессе выпуска доменного чугуна, обрезь прокатного производства, электродный бой, медь и модификатор ФСМг7К03. В другую печь постоянного тока загружают 50% чугунного скрапа, 50% стальной обрези и 6% электродного боя сверх 100% от металлозавалки. По расплавлении в печь вводят медь в количестве 1% и феррохром в количестве 3,5%. Магний в виде лигатуры ФСМг7К03 вводится методом внутриформенного или ковшового модифицирования. Количество модификатора - 0,6% от металлоемкости формы, коэффициент усвоения магния - 70-80%. указанный порядок ввода шихты обеспечивает получение чугуна заданного химического состава. Заливка металла производится в металлические формы при температуре 1300-1380^oС. Отливают по 56 мелющих тел каждого варианта. От каждого варианта отбирают по 10 мелющих тел для испытания на ударостойкость, твердость и по пять тел для испытания на износостойкость. Испытания на ударостойкость проводят на копре и определяют ее как количество ударов до разрушения мелющего тела при падении на него с высоты 1 метра груза весом 75 кг. Для определения износостойкости из мелющих тел вытачивают образцы диаметром 10 мм и длиной 25 мм. Испытание проводят на машине МИ-1М сухим трением скольжения образца по абразивному кругу при давлении 20 дин/см и скорости вращения 1,5 м/с. Химические составы известного и предлагаемого чугуна и уровень их свойств приведены в таблицах 1 и 2 соответственно.Cast iron is smelted in a direct current arc furnace with an acid lining, or in an induction furnace. As charge materials, cast iron scrap is used, which is formed during the production of blast furnace iron, rolled metal trimmings, electrode battle, copper and the FSMg7K03 modifier. In another DC furnace, 50% of cast iron scrap, 50% of steel trimmings and 6% of electrode battle are loaded in excess of 100% of the metal filling. Upon melting, copper is introduced into the furnace in an amount of 1% and ferrochrome in an amount of 3.5%. Magnesium in the form of FSMg7K03 ligature is introduced by the method of in-mold or bucket modification. The amount of modifier is 0.6% of the metal content of the form, the absorption coefficient of magnesium is 70-80%. the specified order of input of the charge provides the production of cast iron of a given chemical composition. The metal is poured into metal molds at a temperature of 1300-1380 ^o C. 56 grinding media of each option are cast. From each option, 10 grinding bodies are selected for testing for impact resistance, hardness and five bodies for testing for wear resistance. Impact tests are carried out on the copra and determine it as the number of strokes before the grinding body is destroyed when a load of 75 kg falls on it from a height of 1 meter. To determine the wear resistance, samples with a diameter of 10 mm and a length of 25 mm are machined from grinding media. The test is carried out on a MI-1M machine by dry sliding friction of a sample along an abrasive wheel at a pressure of 20 dyne / cm and a rotation speed of 1.5 m / s. The chemical compositions of the known and proposed cast iron and the level of their properties are shown in tables 1 and 2, respectively.

Как следует из табл. 1 и 2, предлагаемый химический состав позволяет повысить по сравнению с известным чугуном износостойкость в 1,15-1,3 раза, ударостойкость в 1,17-1,35 раза, трещиностойкость в 1,2-1,5 раза, твердость в 1,1-1,2 раза. As follows from the table. 1 and 2, the proposed chemical composition allows to increase wear resistance 1.15-1.3 times, impact resistance 1.17-1.35 times, crack resistance 1.2-1.5 times, hardness 1 , 1-1.2 times.

Claims

Cast iron containing carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, titanium, copper, magnesium and iron, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
Carbon - 4.21 - 4.90
Silicon - 0.1 - 0.6
Manganese - 0.1 - 0.6
Chrome - 1.51 - 2.7
Vanadium - 0.05 - 0.55
Titanium - 0.06 - 0.25
Copper - 0.6 - 1.5
Magnesium - 0.03 - 0.06
Iron - Else