Патент на изобретение №2272086

(54) ЧУГУН

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии, в частности к легированным чугунам. Может использоваться для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания при высоких температурах до 900°С, например валков горячей прокатки, бандажей и роликов проволочных и ленточных станов и др. Чугун содержит, мас.%: углерод 2,8-3,2; кремний 0,2-0,6; марганец 0,2-0,6; хром 20,0-26,0; молибден 0,8-1,2; титан 0,2-0,4; ванадий 3,5-4,2; медь 0,5-0,8; бор 0,01-0,03; вольфрам 1,8-2,2; железо – остальное. Техническим результатом является повышение износостойкости, жаростойкости и теплостойкости. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, а именно к легированным чугунам, используемым для изготовления деталей, работающих в условиях интенсивного изнашивания при высоких температурах до 900°С, и может быть использовано для изготовления бандажей и роликов проволочных и ленточных станов, валков горячей прокатки и т.п.

Известен чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, молибден, алюминий, кальций, церий, иттрий и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

(см. авт.св. СССР №1280039; С 22 С 37/10).

Недостатком известного чугуна являются низкие тепло-, жаро-, износостойкие свойства, так как он содержит редкоземельные металлы, которые образуют неметаллические включения (оксиды, сульфиды, оксисульфиды и др.) с высокой плотностью, трудноудалимые из расплава. Кроме того, при охлаждении уже твердого чугуна кристаллические оксисульфиды РЗМ (например, церия) вследствие уменьшения растворимости расстекловываются, приобретают остроугольную форму, что также приводит к снижению свойств деталей.

Наиболее близким аналогом к заявляемому чугуну является износостойкий чугун, используемый для изготовления деталей, работающих в условиях абразивного износа, содержащий следующие компоненты, мас.%:

(см., авт.св. СССР №1425245, С 22 С 37/10).

Чугун не обладает достаточной износостойкостью из-за высокого содержания марганца, который приводит к снижению точки начала мартенситного превращения. При этом стабильность и количество остаточного аустенита возрастают, а износостойкость и твердость снижаются. Кроме того, пониженное содержание молибдена и хрома и высокое содержание кремния, углерода, ванадия уменьшает прокаливаемость чугуна, приводит к образованию крупных заэвтектических карбидов и обеднению металлической основы легирующими элементами, что снижает устойчивость чугуна к высокотемпературному абразивному изнашиванию, тепло- и жаростойкость.

В основу изобретения поставлена задача – разработать состав чугуна, обладающего одновременно комплексом высоких технических свойств: износостойкостью, жаростойкостью, теплостойкостью.

Поставленная задача решается тем, что известный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, титан, ванадий, медь, бор и железо, согласно изобретению дополнительно содержит вольфрам при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Известно применение вольфрама в чугунах в качестве легирующего элемента (См. Ри Хосен, Ри Э.Х. Комплексно-легированные чугуны специального назначения. – Владивосток: Дальнаука, 2000 г., 287 с.).

В заявляемом чугуне вольфрам, также как и в известном чугуне, предназначен для легирования. Однако наравне с известным техническим свойством вольфрам проявляет новое техническое свойство, заключающееся в обеспечении чугуну требуемой тепло-, жаро-, износостойкости за счет комплексного воздействия на его структуру: инвертирующее, твердорастворное, композиционное и дисперсионное упрочнение.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что для специалиста заявляемый чугун не следует явным образом из известного уровня техники, а следовательно, соответствует условию патентоспособности “изобретательский уровень”.

Введение вольфрама (W) в заявляемый чугун в количестве 1,8-2,2 мас.% придает чугуну комплекс высоких технических свойств: тепло- и жаростойкость при одновременном повышении износостойкости. Это обеспечивается за счет того, что в чугуне вольфрам легирует металлическую матрицу и образует сложные, устойчивые карбиды типа М₆С, содержащие, кроме вольфрама, молибден, хром, ванадий. Вольфрам, молибден, ванадий при совместном присутствии в чугуне в заявляемых количествах затрудняют распад мартенсита, обеспечивая высокие тепло- и жаростойкость. Одновременно с этим нерастворенная часть карбида М₆С приводит к повышению износостойкости чугуна. Наличие в чугуне вольфрама в количестве более 2,2 мас.% приводит к ухудшению его теплопроводности, а следовательно, к увеличению склонности отливок к образованию горячих и холодных трещин, а также карбидной неоднородности. При содержании вольфрама менее 1,8 мас.% снижаются тепло- и жаростойкость чугуна.

Введение в чугун углерода (С) в заявляемом количестве обеспечивает образование карбидов типа М₇С₃, которые способствуют повышению износостойкости чугуна. Введение в чугун углерода в количестве менее 2,8 мас.% приводит к увеличению доли первичного аустенита, а в количестве более 3,2 мас.% приводит к уменьшению содержания легирующих компонентов в твердом растворе, нарушению однородности литой структуры за счет выделения крупных разветвленных карбидов. И то, и другое отрицательно сказывается на свойствах чугуна.

Кремний (Si) в заявляемом количестве, являясь технологической добавкой, распределяется при кристаллизации между аустенитом и эвтектическим расплавом, улучшает жидкотекучесть чугуна. Содержание кремния в количестве менее 0,2 мас.% не обеспечивает достаточной жидкотекучести чугуна, а более 0,6 мас.% снижает прокаливаемость, увеличивает верхнюю критическую скорость отбеливания чугуна, уменьшая его отбеливаемость, а также приводит к увеличению хрупкости отливок.

Марганец (Mn) в заявляемом количестве повышает прокаливаемость и жаростойкость чугуна. Увеличение содержания марганца более 0,6 мас.% приводит к понижению точки начала мартенситного превращения и возрастанию стабильности остаточного аустенита, обеднению металлической основы чугунов углеродом и хромом, что снижает тепло-, жаро- и абразивостой кость. При содержании марганца менее 0,2 мас.% снижаются прокаливаемость и жаростойкость чугуна.

Хром (Cr) в заявляемом количестве необходим для образования комплексных карбидов типа (Fe,Cr)₇С₃, придающих чугуну максимальную износостойкость. При содержании хрома менее 20 мас.% в структуре чугуна образуются наряду с карбидами (Fe,Cr)₇С₃ карбиды (Fe,Cr)₃С, что снижает тепло-, жаро-, износостойкость чугуна. При содержании хрома более 26 мас.% в структуре чугуна появляются крупные и хрупкие карбиды типа (Fe,Cr)₂₃С₆, что приводит к снижению тепло-, жаро-, износостойких свойств. Кроме этого, увеличивается общая доля крупных первичных карбидов, что также приводит к снижению указанных свойств.

Титан (Ti) в заявляемом количестве способствует измельчению зерна, устраняет столбчатое строение отливок, модифицирует чугун, что позволяет получать однородные механические свойства по толщине отливок. Кроме того, титан способствует образованию эвтектоида с достаточно высокой твердостью и исключению цементитной эвтектики. Совокупность этих факторов приводит к увеличению вязкости чугуна и уменьшению выкрашивания эвтектики в процессе изнашивания. Влияние титана на свойства чугуна более эффективно при введении его совместно с ванадием, молибденом, бором.

При содержании титана менее 0,2 мас.% износостойкость чугуна будет незначительной, так как невелико количество карбидов TiC. При содержании титана свыше 0,4 мас.% в чугуне образуются карбонитриды титана и пленочные включения оксидов больших размеров, которые располагаются по границам аустенитных зерен, что снижает износостойкость и жидкотекучесть чугуна.

Легирование чугуна медью снижает необходимое (критическое) содержание ванадия в чугуне, обеспечивающее инверсию микроструктуры, что способствует полному устранению ледебурита. Медь также активно влияет на структурообразование отливок после затвердевания. Изменением условий охлаждения и содержания меди можно регулировать структуру основы чугуна от перлитной до мартенситно-аустинитной с различным количественным соотношением фаз и морфологию карбидной фазы. Увеличение скорости охлаждения при затвердевании (заливка в кокиль, изменение толщины стенки отливки и т.п.) данного чугуна с медью изменяет размеры и форму карбидов. Карбиды становятся менее разветвленными, увеличивается их дисперсность, а также измельчается эвтектика.

Введение меди в количестве 0,5-0,8 мас.% в заявляемый чугун устраняет продукты перлитного распада в литой структуре, повышает износо-, тепло- и химическую стойкость, прокаливаемость, теплопроводность. При введении в чугун меди в количестве менее 0,5 мас.% повышение указанных свойств не наблюдается, а увеличение количества меди свыше 0,8 мас.% приводит к появлению в структуре полей, обогащенных медью, что снижает износостойкость и жаростойкость чугуна.

Бор (В) в количестве (0,01-0,03%), являясь поверхностно-активным элементом, упрочняет и стабилизирует границы зерен, замедляет рост кристаллов, способствуя измельчению структуры, что повышает износостойкость чугуна в условиях абразивного износа и высоких температур.

Присадка бора меньше 0,01 мас.% малоэффективна, а больше 0,03 мас.% приводит к охрупчиванию вследствие выделения гексаборидов, образованию термических трещин, огрублению структуры и, следовательно, снижению свойств чугуна.

Молибден (Мо) в заявляемом количестве оказывает легирующее и модифицируемое воздействие на структуру чугуна, увеличивает его прокаливаемость и закаливаемость. Легирует твердый раствор, что повышает стабильность структуры в условиях эксплуатации и его износо-, тепло-, жаростойкость. Молибден повышает жаростойкость чугуна за счет увеличения содержания хрома в твердом растворе. Вводить молибден в чугун в количествах, выходящих за заявляемые пределы, нецелесообразно. Введение в чугун молибдена в количестве менее 0,2 мас.% неэффективно. При содержании молибдена более 1,2 мас.% возрастает склонность к раздельной кристаллизации эвтектических фаз и образованию конгломератных структур.

Ванадий (V) в заявляемом количестве образует с углеродом специальные карбиды типа VC с высокой микротвердостью (HV 3000). Кроме того, в структуре чугуна заявляемого химического состава образуются два вида ванадиевых эвтектик: двойная аустенитно-ванадиево-карбидная и тройная аустенитно-хромо-ванадиево-карбидная, которые, являясь композиционными упрочнителями, значительно повышают тепло- и жаростойкие свойства чугуна и износостойкость.

При содержании ванадия менее 3,5 мас.% доля эвтектик в структуре чугуна уменьшается, что снижает указанные выше свойства, а при содержании ванадия более 4,2 мас.% наблюдается его переизбыток, который препятствует приросту свойств чугуна, а также способствует выделению крупных конгломератов карбидов.

Пример. В индукционной тигельной печи емкостью 60 кг с основной футеровкой выплавляли опытные составы заявляемого чугуна (составы №1-5, табл.1) и чугуна, взятого за прототип (составы №6, 7, табл.№1), по общепринятой технологии. Титан, бор, ванадий, хром, вольфрам, медь, молибден вводили в чугун в виде ферротитана ФТи 35, ферробора ФБи 20, феррованадия ФВд 38, феррохрома ФХ 72, ферровольфрама ФВ 65, меди М1, ферромолибдена ФМ 65.

Износостойкость определяли согласно ГОСТ 23.208-79. Износостойкость исследуемых образцов оценивали путем сравнения их износа с износом эталонного образца. В качестве эталона использовали сталь 45.

Для определения теплостойкости чугуна проводили 4-х часовой нагрев образцов при температуре 650, 680, 710°С в соляной ванне, после чего измеряли твердость по Роквеллу (HRC.)

Жаростойкость оценивали по ГОСТ 6130-71 после выдержки в печи в течение заданного времени (100 ч) при постоянной температуре (900°С) весовым методом по увеличению массы образца.

Результаты испытаний образцов, изготовленных из заявляемого чугуна (составы №1-5) и чугуна, взятого за прототип (составы №6 и 7), приведены в таблице №2.

Полученные результаты позволяют сделать вывод о том, что заявляемый чугун по сравнению с прототипом имеет в среднем:

– на 36,8% выше износостойкость;

– на 21,8% выше жаростойкость;

– на 17,8% выше теплостойкость при 650°С, на 28,4% – при 680°С, на 19,0% – при 710°С.

Использовать составы чугунов с содержанием компонентов, выходящих за заявляемые пределы (состав №1 и 5), нецелесообразно, так как в этих случаях у чугунов наблюдается снижение вышеуказанных свойств.

Таблица 2
Образцы, изготовленные		Теплостойкость HRCэ при температуре, °С			Жаростойкость	Относительная износостойкость
из чугуна		650	680	710
Заявляемого состава	1	42	35	30	30,2	9,7
		45	41	35	26,4	10,5
	2	48	45	36	24,1	11,8
		50	47	38	23,6	12,6
	3
	4	44	38	33	30,7	10,1
	5
Состава прототипа	6	39	32	30	32,3	8,1
		42	37	31	30,9	8,9
	7

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, ванадий, титан, медь, бор и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит вольфрам при следующем соотношении компонентов, мас.%: