UA143220U - Зносостійкий чавун - Google Patents

Abstract

Зносостійкий чавун містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, залізо, ванадій та мідь.

Description

Корисна модель належить до металургійної та машинобудівної промисловості, зокрема до зносостійких чавунів, що призначені для виготовлення деталей, що працюють в умовах інтенсивного абразивного, ударно-абразивного зносу та зносу тертям при навантаженні та розігріві, наприклад лопаток дробеметних апаратів, для виготовлення куль, що мелють для рудомольних млинів, для виготовлення лопаток дробометних імпелерів і апаратів, а також дробеметного обладнання, прокатних валків, прокатного інструменту та траків гусеничних машин.

Відомо зносостійкий чавун ИЧХ12Г5 (Леви Л.И., Гарбер М.Е., Цьіпин И.И. Износостойкий хромомарганцовистьй чугун // Литейное производство. - 1967. - Мо 9. - С. 8-10), який містить (у ваг. Ув): вуглець 2,6-3,0 хром 12-18 марганець 4,5-5,2 кремній -0,8 залізо . решта. та домішки

Недоліком цього чавуну є недостатньо ударно-абразивна зносостійкість в умовах розігріву, що обмежує можливість його використання для деталей металургійного та машинобудівного обладнання, які експлуатуються в умовах розігріву поряд зі зношенням.

Відомо зносостійкий чавун ИЧХ22 (ГОСТ 7769-82 Чугун легированньй для отливок со специальньми свойствами), який містить (у ваг. У): вуглець 2,4-3,6 хром 19-25 марганець 1,5-2,5 кремній 0,2-1,0 ванадій 0,15-0,35 титан 0,15-0,35 залізо та - решта. домішки

Цей чавун має дещо більшу зносостійкість при кімнатній температурі, однак недостатню зносостійкість в умовах розігріву при зношуванні, та ударну в'язкість. Причиною недостатньої зносостійкості цього чавуну в умовах розігріву є відсутність метастабільного аустеніту в структурі, який перетворюється в мартенсит з визначенням дисперсних карбідів при навантаженні та розігріві.

Найближчим аналогом є зносостійкий чавун наступного хімічного складу, мас. бо: вуглець 2,75-3,1 кремній 0,8-1,1 марганець 0,7-1,3 хром 13,5-17,5 нікель 0,3-1,0 молібден 1,3-2,6 цирконій 0,09-0,6 кобальт 0,08-0,28 кальцій 0,02-0,05 телур 0,002-0,03 залізо решта (5) Ме1627580, 1991).

Недоліком відомого зносостійкого чавуну є низька тріщиностійкість і експлуатаційна довговічність. У виливках великих зносостійких виробів (пуансонів і гальмівних дисків) він має крупнозернисту структуру з високою концентрацією великих карбідів і цементиту, що знижує ударну в'язкість (до 3-7 Дж/см"), тріщиностійкість і експлуатаційну довговічність. Ці недоліки обумовлені високим вмістом в чавуні хрому та інших карбідоутворюючих елементів: молібдену.

В основу корисної моделі поставлена задача - підвищення експлуатаційної довговічності, підвищення зносостійкості при абразивному, ударно-абразивному зносі та зносі тертям.

Зо Поставлена задача вирішується тим, що зносостійкий чавун, який містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, залізо, згідно з корисною моделлю, додатково містить ванадій та мідь, при наступному співвідношенні компонентів, мас. о вуглець 3,0-3,2 хром 12,5-13,5 марганець 15,0-16,0 кремній 0,8-1,0 нікель 0,9-1,0 ванадій 0,1-0,3 мідь 0,1-02 залізо решта.

У запропонованому складі вміст елементів забезпечує отримання в структурі метастабільного аустеніту (у литому стані та після термообробки). Це в свою чергу забезпечує підвищення зносостійкості та ударної в'язкості (КС).

Необхідність вмісту в чавуні компонентів у вище вказаних співвідношеннях обумовлена наступними особливостями.

Хром є головним легуючим елементом групи зносостійких чавунів, найважливішим за значенням і об'ємом застосування. Вмістом хрому в основі визначається прожарюваність і корозійна стійкість чавуну.

Хром може частково заміщати атоми заліза в орторомбічному карбіді заліза (Бе, Сг)зС або утворювати карбіди хрому, у яких частина атомів хрому заміщена залізом: тригональний (Сг,

Ее);Сз і кубічний (Сг, Ре)гз3Св. В с - залізі хром має необмежену розчинність, в у -залізі розчиняється до 12 95 Сг. Карбіди хрому мають значно більш високу твердість, ніж легований хромом цементит, і це позначається на зносостійкості й міцності чавунів. При відносно малому вмісті хрому нижче 12 95 зносостійкість чавуну зменшується внаслідок утворення карбідів переважно цементитного типу (Ре, Сг)зО.

При вмісті вуглецю нижче 2,495 помітно знижується абразивна та ударно-абразивна зносостійкість внаслідок зменшення кількості карбідної фази. При збільшенні його вмісту більш ніж на 3,295 зносостійкість також знижується в результаті появи в структурі великих заевтектичних карбідів, які окричують чавун, та сприяють викришуванню.

Кремній у білому чавуні можна розглядати як легуючий елемент, що розподіляється при кристалізації між аустенітом та евтектичним розплавом. Кремній підвищує температуру евтектичної кристалізації, розширює інтервал евтектичного перетворення, перешкоджаючи переохолодженню, та зменшує вплив швидкості охолодження. При вмісті від 0,5 до 1,5 95 кремній збільшує верхню критичну швидкість відбілювання чавуна, тобто зменшує його вибілювання. Кремній дуже сильно впливає на процес формування структури виливків як у ході затвердіння, так і при структурних змінах у твердому стані. Дослідженнями розподілу кремнію між фазами в білому чавуні встановлено, що при швидких швидкостях охолодження заготівель він практично цілком концентрується в матриці (фериті).

Легування марганцем зносостійкого чавуну стабілізує аустеніт у перлітній і проміжній

Зо областях, зрушуючи убік тривалих витримок лінії початку й кінця перетворення. Температура мартенситного перетворення при легуванні марганцем швидко знижується. Марганець може утворювати карбіди МпгзСе і Мп7?Сз, однак завдяки взаємозамінності атомів заліза й марганцю навіть у високолегованих чавунах спостерігається утворення лише легованого цементиту (Ее,

Мп)зС. Концентрація марганцю в цементиті приблизно в 1,5 рази вище, ніж в аустеніті. При збільшенні вмісту марганцю до 4-5,5 95 прожарюваність зносостійкого чавуну росте, перлітне перетворення подавляється, твердість збільшується. Однак одночасно із подавленням перлітного перетворення в результаті легування марганцем у цих кількостях температура мартенситного перетворення знижується нижче кімнатної, збільшуються кількість залишкового аустеніту і його стабільність. При збільшенні вмісту марганцю до 14,5 95 структура продуктів евтектоїдного перетворення стає усе більш тонкою. У результаті гальмування дифузії одного розпаду аустеніту й зниження температури мартенситного перетворення поряд з тонким перлітом з'являються мартенсит і залишковий аустеніт. При більш високому вмісті марганцю чавун має карбідо-аустенітну структуру. Повне гальмування перлітного перетворення спостерігалося при 4,8 95 Мп (аустеніто-мартенситна основа). При вмісті марганцю 2,29 95 весь аустеніт перетворювався в тонкий перліт, при 2,78 95 Мп структура металевої основи була в основному мартенсито-аустенітної (з невеликими ділянками тонкого перліту), при 7,13 95 Ми і більше - цілком аустенітної. Збільшення вмісту марганцю понад деяку межу приводить до швидкого зниження твердості чавуну незалежно від товщини виливків, що гартуються.

Причиною цього зниження є збільшення кількості залишкового аустеніту в основі, хоча перлітне перетворення гальмується повністю.

Спільне легування залізовуглецевих сплавів хромом і марганцем дозволяє одержувати аустенітні структури з різним ступенем стабільності, що багато в чому визначається вмістом вуглецю.

Ванадій - аналогічно хрому стабілізує цементит; причому тим сильніше, чим більше його концентрація в чавуні. Він збільшує розчинність вуглецю в аустеніті трохи слабкіше ніж титан, і зміщує евтектичну точку в сторону меншої концентрації вуглецю. Найбільший інтерес складає підвищення твердості евтектоїду під дією ванадію. Це дає можливість застосувати його при комплексному легуванні.

Наявність в складі чавуну одночасно марганцю і ванадію в заявлених концентраціях дає переважне утворення твердих і міцних карбідів марганцю типу Мп7Сз і дуже твердих карбідів ванадію типу МС, що підвищують твердість і ударно-абразивну стійкість чавуну в литому стані.

При цьому в значній мірі пригнічується утворення менш твердих і тендітних карбідів типу Мпзс і

М2б.

Вміст нікелю в чавуні знаходиться в межах 0,9-1,2 95. Легування чавуну нікелем сприяє стабілізації аустеніту та розширює область у - Ее. Вплив нікелю на твердість та зносостійкість чавуну подібно впливу марганцю. Особливо сильна дія нікелю робить при вмісті його до З 95.

При малих кількостях нікелю (до 1,3 95) спостерігається дендритна будова чавуна, дуже великі поля троститоутворюючого евтектоїду з включеннями вторинного цементиту та евтектика тонкої будови. Зі збільшенням вмісту нікелю до 3,43 95 відзначена поява аустенітної структури з великоголчастим мартенситом. При вмісті ніселю нижче 0,8 о чавун схильний до утворення тріщин, помітного збільшення корозійної стійкості матриці. Збільшення вмісту нікелю більше 1,0 95 недоцільно, оскільки призводить до збільшення стабільності аустеніту й, як наслідок, до зниження твердості і зносостійкості чавуну.

Отже, по впливу на структуру вплив нікелю має деяку аналогію з марганцем: збільшення його вмісту призводить до гальмування дифузійного розпаду аустеніту, появи аустеніто- мартенситної структури, спостерігається схильність до утворення суцільних цементитних полів.

Додаткове введення міді ефективно впливає на подрібнення структури і підвищення ударної в'язкості, тріщиностійкості і експлуатаційних властивостей чавуну. При підвищенні вмісту міді понад 0,35 95 відмічається зниження твердості, зносостійкості і контактно-втомної довговічності.

При концентрації міді в зазначених межах проявляється мікролегуюча дія на подрібнення структури і підвищення ударно-пластичних властивостей, тріщиностійкості чавуну.

Присадка міді в чавун сприяє збільшенню його опору ударним навантаженням.

Максимальна розчинність міді у залізі при температурі 1100 "С складає 10 95. Концентрація міді у твердому розчині зі зниженням температури зменшується і при температурі 700 "С дорівнює

Зо 0,35 95. Легуванням міддю можна підвищити твердість та зносостійкість чавуну. Великий ефект можна чекати при введенні міді в сполученні з іншими легуючими елементами (нікелем, хромом, ванадієм).

Приклад. Чавун зазначеного складу було виплавлено в промислових умовах у відкритій індукційній печі, ємністю 80 кг із основою футеровки тигля. Метал перегрівали до 1450-1500 ес, а розливання здійснювали при 1400-1450 "С у просушені при температурі 150-200 "С піщано- глинисті форми. Для виплавки використовували наступні шихтові матеріали: передільний чавун, сталевий лом, ферохром (ФКОО1) - 13 95, фФеромарганець (ФМ-60) - 15,5 до, феросиліцій (ФОС-70) - 0,9 95, нікель - 0,95 965.

Випробування зносостійкості здійснювали після термічної обробки зразків. Ударну в'язкість зносостійких чавунів визначали на зразках без надрізу за ГОСТ 9454-78 на машині ПСВО - 5 з максимальною енергією удару 294 Дж при нормальній (420 "С) температурі випробувань. Для випробувань на ударно-абразивний знос застосовували механічно оброблені зразки у формі паралелепіпеда, розмірами 10 х 10 х 27 мм. Випробування чавунів запропонованих складів проводили на спеціально сконструйованій установці, принцип дії якої заснований на ударно- абразивному зношуванні випробуваних зразків, що обертаються у горизонтальній площині в абразивному середовищі дробу (сталевий або чавунний). Зразки закріплювали на робочому валу, розташованому вертикально й нагвинченому на вал електродвигуна. Вал зі зразками розташовувався в спеціальній склянці із дробом. Швидкість обертання зразків становила 2850 хв-!. У процесі роботи дріб чинив ударно-абразивний вплив на випробувані зразки. За еталон була прийнята сталь 45 твердістю 190 НС. Відносну, ударно-абразивну зносостійкість визначали відповідно до ГОСТ 27674-88. Приготування чавуну-прототипу робили в аналогічних умовах за тими ж технологіям. Порівняння властивостей зносостійких чавунів різних складів показує, що зносостійкість в умовах ударно-абразивного зношування в дробі пропонованого чавуну оптимального складу перевершує зносостійкість відомого в 5 разів.

Використання запропонованого корисної моделі дозволить підвищити якість зносостійкого чавуну, економити метал за рахунок збільшення експлуатаційної довговічності, а також підвищити термін служби виготовлених з нього деталей.

Claims (1)

1. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Зносостійкий чавун, що містить вуглець, кремній, марганець, хром, нікель, залізо, який відрізняється тим, що додатково містить ванадій та мідь, при наступному співвідношенні компонентів, мас. 90: вуглець 3,0-3,2 хром 12,5-13,5 марганець 15,0-6,0 кремній 0,8-1,0 нікель 0,9-1,0 ванадій 0,1-0,3 мідь 01-02 залізо решта.