UA120544C2 - Чавун зносостійкий - Google Patents

Abstract

Винахід належить до чорної металургії, зокрема до складу чавуну для виготовлення литих деталей, що мають підвищену зносостійкість та міцність. Чавун мастить, мас. %: вуглець - 3,5-4,2; кремній - 1,2-1,8; марганець - 2,5-4,0; нікель - 1,5-2,5; ніобій - 0,05-0,10; титан - 0,20-0,25; церій - 0,04-0,06; ітрій - 0,04-0,06; лантан - 0,06-0,08; неодим - 0,06-0,08; гадоліній - 0,04-0,08, залізо - решта. Міцність запропонованого чавуну вище, ніж відомого, на 6,9-9,1 % при високому рівні зносостійкості.

Description

Винахід належить до чорної металургії, зокрема стосується розробки складу чавуну для виготовлення литих деталей, що мають підвищену зносостійкість та міцність (подрібнювальні тіла, прокатні валки та ін.).

Відомий чавун (А.С. Мо 1227706 СРСР МКВ С22С 37/00 опубл. Б.І. Мо 16, 1986 р.), який містить по мас. Фо: вуглець 3,5-42 кремній 1,2-1,8 марганець 2,5-4,0 нікель 1,5-2,5 ніобій 0,15-0,30 церій 0,06-0,10 ітрій 0,06-0,10 лантан 0,04-0,08 неодим 0,04-0,08 залізо решта.

Недоліком цього чавуну є недостатня міцність 3-за наявності у структурі значної кількості ледебуритної евтектики.

Найбільш близьким по технічній суті до складу, що заявляється, є чавун (Пат. Мо 88745

Україна МКВ С22С 37/00 опубл. Б.І. Мо 21, 2009 р.), що взятий за найближчий аналог, який містить вуглець, кремній, марганець, нікель, ніобій, титан, церій, ітрій, лантан, неодим, залізо, при наступному співвідношенні компонентів, мас. 9о: вуглець 3,5-42 кремній 1,2-1,8 марганець 2,5-4,0 нікель 1,5-2,5 ніобій 0,05-0,10 титан 0,20-0,25 церій 0,06-0,10 ітрій 0,06-0,10 лантан 0,04-0,08 неодим 0,04-0,08 залізо решта.

Чавун має недостатньо високі зносостійкість та міцність.

В основу винаходу поставлена задача одержання чавуну з підвищеними характеристиками міцності та зносостійкості, яких потребує сучасне виробництво.

Технічний результат досягається тим, що у чавуні, додатково легованому гадолінієм, досягається підвищений ступінь дисперсності продуктів евтектоїдного перетворення аустеніту, що дозволяє підвищити його міцність Крім того, модифікування церієм, ітрієм, лантаном, неодимом і гадолінієм у вказаних границях сприяє кристалізації чавуну за метастабільною системою, що дозволяє підвищити зносостійкість та міцність чавуну.

Зазначена задача вирішується тим, що в чавуні зносостійкому, що містить вуглець, кремній, марганець, нікель, ніобій, титан, церій, ітрій, лантан, неодим, залізо, додатково міститься гадоліній, при наступному співвідношенні компонентів, мас. 9о: вуглець 3,5-42 кремній 1,2-1,8 марганець 2,5-4,0 нікель 1,5-2,5 ніобій 0,05-0,1 титан 0,20-0,25 церій 0,04-0,06 ітрій 0,04-0,06 лантан 0,06-0,08 неодим 0,06-0,08 гадоліній 0,04-0,08 залізо решта.

Вплив окремих елементів на структуру і властивості чавуну дуже різноманітний, і так само є багато додаткових факторів, які можуть змінювати вплив того або іншого елемента. Змінний якісний і кількісний вплив різних елементів на структуроутворення сплавів ускладнює можливість їхньої класифікації за ознакою інтенсивності цього впливу, тим більше, що в багатьох випадках, наявність у сплаві двох карбідоутворюючих елементів не обов'язково посилює їх окремий вплив, а іноді нівелює його. Тому задача з підбирання легуючого комплексу зводилася до того, щоб нейтралізувати небажаний вплив окремих елементів і посилити їх спільний вплив.

Вміст хімічних елементів у чавуні обгрунтовується наступним:

Вуглець. Є основним зміцнювачем залізовуглецевих сплавів і відповідно при концентраціях у межах 3,5-4,2 95 забезпечує мартенситну структуру і підвищену зносостійкість чавуну. Верхня практична границя вмісту вуглецю у більшості випадків обумовлюється евтектичним складом, тому що при більш високому вмісті вуглецю з'являється надлишкова карбідна фаза (первинний цементит), що відповідно призводить до окрихчування чавуну і збільшення зносу. При вмісті вуглецю менше нижньої границі, що рекомендується, значно зменшується кількість карбідної фази, що призводить до зниження твердості і, як наслідок, зносостійкості.

Кремній у вибраних границях нейтралізує карбідизуючу дію марганцю, тобто забезпечує одержання необхідного ступеня графітизації чавуну (Кг). При зменшенні вмісту кремнію нижче 1,2 965 параметр графітизації чавуну Кг низький, а тому такий чавун має недостатню міцність.

Збільшення вмісту кремнію вище верхньої границі, що рекомендується, не дозволяє одержати білий без графітний чавун.

Марганець. Найбільші міцність та зносостійкість білих чавунів з пластинчастою евтектикою й високотвердими спеціальними карбідами ніобію можуть бути досягнуті тільки на разі, якщо вони знаходяться у твердій і міцній матриці. В чавуні, що пропонується, для одержання мартенситної матриці передбачається легування марганцем у границях 2,5-4,0 95 в комбінації з 1,5-2,5 нікелю.

Зменшення концентрації марганцю нижче 2,5 956 не дозволить одержати мартенситну матрицю, у структурі буде присутнім тростит, що зменшить зносостійкість. Підвищення вмісту марганцю більше за 4,0 95 не призводить до подальшого поліпшення властивостей.

Нікель. Як вже вказувалося вище, границі вмісту нікелю вибрано, виходячи з необхідності одержання мартенситної матриці. Нижня границя вмісту нікелю, що забезпечує в комбінації з 2,5-4,0 96 марганцю одержання мартенситної матриці, складає 1,5 95. Оптимальну міцність та зносостійкість забезпечує легування 1,5-2,5 95 нікелю. Підвищення концентрації нікелю більше за 2,595 до значного збільшення властивостей не призводить, а собівартість такого чавуну значно зростає.

Зо Ніобій. У запропонованому чавуні однією з причин підвищення зносостійкості є утворення високотвердих спеціальних карбідів найсприятливішої форми. Досягається це сумісним введенням ніобію та титану. За нашими даними оптимальним вмістом ніобію є 0,05-0,10 95. При вмісті ніобію менше за 0,05 95 в комплексі з 0,20-0,25 95 титану кількість карбідів ніобію мала й зносостійкість таких чавунів менше оптимальної. Підвищення ж вмісту ніобію вище за 0,10 95 (при 0,20-0,25 95 титану) не приводить до подальшого збільшення зносостійкості.

Титан. Роль титану у запропонованому чавуні подвійна: утворення дисперсних високо твердих карбідів титану та зміна на більш сприятливу форми карбідів ніобію. Найбільш високі значення зносостійкості досягаються при концентраціях титану 0,20-0,25 9о та наявності 0,05- 0,10 95 ніобію. При вмісті титану менше за 0,20 95 зносостійкість чавуну значно зменшується, а збільшення його концентрацій понад 0,25 95 не приводить до подальшого росту зносостійкості.

Рідкісноземельні метали. При виборі модифікаторів для заглушування виділення ледебуриту у білому чавуні та підвищення властивостей було прийнято до уваги, що відомі модифікатори (церій, ітрій, лантан, неодим) значною мірою відрізняються один від одного за хімічною активністю, модифікуючим впливом, мають різні температури плавлення, кипіння, теплоти утворення сполук та енергії Гібса. Однозначно встановлено, що, наприклад, максимальну мікротвердість цементиту та перліту дозволяє одержати модифікування ітрієм та лантаном, а фериту - модифікування церієм та неодимом. Механізм такого впливу в теперішній час вивчено недостатньо. Комплексне модифікування вказаними модифікаторами призводить до переважного утворення Сеоб», енергія Гібса якого значно нижча, ніж у І агОз та У2Оз. Таким чином, ураховуючи вищевикладене, встановили нижні границі вмісту вказаних елементів, що забезпечує приглушування виділення ледебуритної евтектики. За нашими даними нижні границі концентрацій модифікаторів повинні бути такими, мас. 9с: церій - 0,04, ітрій - 0,04, лантан - 0,06, неодим - 0,06. Зменшення концентрацій модифікаторів (будь-якого з вказаних) нижче за границі, що рекомендуються, не дозволяє досягти необхідного ефекту та призводить до зменшення зносостійкості. Верхні границі концентрацій модифікаторів визначали зі ступенем зростання мікротвердості матриці, за максимальної мікротвердості вони повинні бути такими, мас. 95: церій - 0,06, ітрій - 0,06, лантан - 0,08, неодим - 0,08. Подальше збільшення вмісту цих елементів призводило до утворення великої кількості неметалевих включень, які зменшували зносостійкість та міцність чавуну. Слід відмітити, що ступінь модифікуючого впливу бо індивідуальних елементів-модифікаторів, значною мірою зростає при комплексному використанні та у більшості випадків модифікування індивідуальним елементом-модифікатором не дозволяє досягти результатів, що були одержані при комплексному модифікуванні. Механізм такого взаємного впливу у технічній літературі практично не описаний.

Гадоліній є найсильнішим елементом-модифікатором. Модифікування гадолінієм приводить до повного заглушування кристалізації ледебуриту, підвищення дисперсності продуктів розпаду аустеніту, збільшення мікротвердості матриці та карбідної фази. Збільшення вмісту гадолінію вище верхньої границі призводить до утворення великої кількості неметалевих включень, які зменшують фізико-механічні та службові властивості. При вмістах гадолінію нижче нижньої границі кристалізація ледебуриту повністю не заглушується та фізико-механічні й службові властивості такого чавуну зменшуються.

Для оцінки властивостей запропонованого чавуну і його структурного стану, у порівнянні із найближчим аналогом, отримали експериментальний чавун.

Були застосовані наступні шихтові матеріали: чавун переробний високоякісний чушковий марки ПВК! ДСТУ 3133-95; чавун ливарний чушковий марок ЛІ, Л2 ДСТУ 3132-95; брухт сталевий Мо 1 виду 1 ДСТУ 4121-2002; феросиліцій марки ФС75 ДСТУ 4127:2002; феромарганець високовуглецевий марок ФМн78, ФМн70 ДСТУ 3547-97; феротитан марки ФТи30 ДСТУ 4761-91; фероніобій марки ФНЄбО ДСТУ ГОСТ 16773:2004; нікель марки Н-2 ГОСТ 849-2008.

Експериментальні плавки проводили в індукційній печі з кислою футерівкою, вага шихти 40 кг. Після розплавлення шихти потужність печі знижували до 30-40 95 від максимальної, зчищували шлак періоду плавлення, заміряли температуру та при доводці сплаву при температурі металу 1520-1530 "С вводили феросплави ніобію та титану. Модифікувальні елементи (церій, ітрій, лантан, неодим та гадоліній) вводили у ківш перед випуском

Таблиця

Хімічний склад і властивості чавуну, що заявляється, та найближчого аналога

Ме 1135112Щ|2,5 1 1,5Щ|0,05|102010,0410,0410,0610,0610,04| 0,017 / 700

Чавун, що 313,911,4Щ|3,3 20|0,08102310,0510,0510,0710,07|0,06| 0,013 720

Чавунза 4 |3,5|12/|2,511,5Щ|005|020|0,0610,060,0410,04| - | 0,018 / 655 найближчим, 5 14,2|11,8|14,0 25|00|025|010|10100,0810,08| - | 0016 | 668 аналогом |61|3,9|14|33)1|2,0|0,08|0,23|0,08|0,08|0,06|0,06| - | 0,015 | 660 ітрій, лантан, неодим) - у вигляді ітрій-церієвої та лантан-неодимової лігатур такого складу,

Зо мас. 9о: 1) ітрій 15...20 церій 15....20 вуглець 0,3....0,5 кальцій 0,4....0,5 кремній 30....35 залізо решта; 2) лантан 15...20 неодим 15...20 вуглець 0,3...0,5 кальцій 0,4...0,5 кремній 30...35 залізо решта.

При температурі 1500-5 "С чавун випускали у ківш з необхідною наважкою модифікаторів та при досягненні температури 1330...1340 "С заливали у кокільні форми. Виливки мали розміри:

діаметр 50, висота 200 мм. З цих виливків вирізали зразки для хімічного аналізу, металографічних досліджень, випробування границі міцності при розтягу та зносостійкості.

Випробування границі міцності при розтягу проводили за стандартним методом. Зносостійкість сплаву визначали на установці СМЦ-2 при терті ковзання з зусиллям 700 МПа. Хімічний аналіз та властивості запропонованого чавуну та прототипу наведені у таблиці.

Як видно з таблиці, поставлена задача вирішена. Міцність запропонованого чавуну вище, ніж відомого на 6,1-7,8 95 при високому рівні зносостійкості.

Винахід, що заявляється, засновано на теоретичних розробках, підтверджених експериментальними даними та може бути багаторазово відтворений у виробництві.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ

   Чавун зносостійкий, що містить вуглець, кремній, марганець, нікель, ніобій, титан, церій, ітрій,

   лантан, неодим та залізо, який відрізняється тим, що додатково містить гадоліній, при наступному співвідношенні компонентів, мас. 9о:

   вуглець 3,5-42 кремній 1,2-1,8 марганець 2,5-4,0 нікель 1,5-2,5 ніобій 0,05-0,10 титан 0,20-0,25 церій 0,04-0,06 ітрій 0,04-0,06 лантан 0,06-0,08 неодим 0,06-0,08 гадоліній 0,04-0,08 залізо решта.