RU2384641C1 - Wear resistant cast iron - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to foundry particularly to wear resistant cast irons compositions. It can be used for manufacturing of blades if shotcasting impellers and apparatus and also for impact bar of shotcasting equipment. Wear resistant cast iron with globular graphite contains, wt %: carbon 2.2-3.2; silicon 0.5-3.0; manganese 0.2-3.0; chromium 3.0-6.4; nickel 2.0-4.0; boron 0.2-0.4, vanadium - 0.2-0.8, copper 0.2-0.8; aluminium 0.1-0.4; cerium 0.03-0.20; magnesium 0.02-0.1; calcium 0.05-0.2; iron - the rest.

EFFECT: cast iron allows high impact elasticity, durability and shock-proof at operation in conditions of intensive impact-abrasive damage under action of loads.

2 tbl

Description

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию износостойкого чугуна с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в условиях интенсивного ударно-абразивного износа под воздействием нагрузок, в частности для изготовления лопаток дробеметных импеллеров и аппаратов и бил дробильного оборудования.The invention relates to foundry, and in particular to the search for wear-resistant nodular cast iron for the production of parts designed to work in conditions of intensive impact-abrasive wear under the influence of loads, in particular for the manufacture of blades of shot blasting impellers and apparatuses and beat crushing equipment.

Известен износостойкий чугун, содержащий, мас.%: углерод 2,8-3,5; кремний 0,6-2,0; марганец 0,05-0,5; хром 2,5-4,5; никель 3,5-5,0; молибден 0,2-0,7; фосфор 0,5-1,45; сера 0,5-0,25; висмут до 0,01; железо - остальное (Великобритания VK Patent NO, GB 2072702 A).Known wear-resistant cast iron, containing, wt.%: Carbon 2.8-3.5; silicon 0.6-2.0; manganese 0.05-0.5; chrome 2.5-4.5; nickel 3.5-5.0; molybdenum 0.2-0.7; phosphorus 0.5-1.45; sulfur 0.5-0.25; bismuth up to 0.01; iron - the rest (UK VK Patent NO, GB 2072702 A).

Недостатком этого чугуна являются низкие значения прочности, вязкости и твердости в литом состоянии. В связи с этим известный чугун не имеет необходимую стойкость в условиях ударно-абразивного износа. Требуемые свойства его обеспечиваются только после сложной термической термообработки (изотермическая закалка).The disadvantage of this cast iron is the low strength, toughness and hardness in the cast state. In this regard, the known cast iron does not have the necessary resistance under conditions of impact-abrasive wear. Its required properties are ensured only after complex heat treatment (isothermal hardening).

Известен износостойкий чугун с шаровидным графитом (см., например, описание к патенту РФ №2234553, С1, 7 С22С 3710, 2004 г.), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: углерод 3,2-4,0; кремний 1,4-2,5; марганец 0,4-1,2; хром 7,0-10,0; никель 2,5-5,5; бор 0,2-0,4; ванадий 0,6-1,0; алюминий 0,05-0,15; церий 0,05-0,20; магний 0,03-0,12; кальций 0,05-0,20; железо - остальное.Known wear-resistant cast iron with spherical graphite (see, for example, the description of the patent of the Russian Federation No. 2234553, C1, 7 C22C 3710, 2004), selected as a prototype for the content of incoming components and having the following composition, wt.%: Carbon 3, 2-4.0; silicon 1.4-2.5; manganese 0.4-1.2; chrome 7.0-10.0; nickel 2.5-5.5; boron 0.2-0.4; vanadium 0.6-1.0; aluminum 0.05-0.15; cerium 0.05-0.20; magnesium 0.03-0.12; calcium 0.05-0.20; iron is the rest.

Указанный износостойкий чугун с шаровидным графитом, металлическая основа которого содержит большое количество твердой карбидной фазы (25-32%), обладает повышенной твердостью (до 65 HRC) и соответственно износостойкостью в условиях ударно-абразивного износа. Однако из-за низкой вязкости и повышенной хрупкости указанного чугуна износостойкие детали из него чувствительны к разрушению в условиях воздействия высоких нагрузок.The specified wear-resistant nodular cast iron, the metal base of which contains a large amount of solid carbide phase (25-32%), has increased hardness (up to 65 HRC) and, accordingly, wear resistance under conditions of impact-abrasive wear. However, due to the low viscosity and increased brittleness of said cast iron, wear-resistant parts of it are susceptible to destruction under conditions of high loads.

Задачей предложенного изобретения является создание износостойкого чугуна с шаровидным графитом с высокой вязкостью для работы в условиях интенсивного ударно-абразивного износа под воздействием нагрузок.The objective of the invention is the creation of wear-resistant nodular cast iron with high viscosity for working in conditions of intense impact-abrasive wear under the influence of loads.

Технический результат, достигаемый при реализации предложенного технического решения, состоит в повышении ударно-абразивной стойкости чугуна при снижении его себестоимости, предназначенного для изготовления износостойких отливок с повышенной вязкостью, например бил дробильного оборудования для размельчения угля и твердых горных пород.The technical result achieved by the implementation of the proposed technical solution consists in increasing the impact and abrasion resistance of cast iron while reducing its cost, intended for the manufacture of wear-resistant castings with high viscosity, for example, crushing equipment for grinding coal and hard rocks.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенном износостойком чугуне с шаровидным графитом, содержащим углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, алюминий, церий, магний, кальций, железо, дополнительно введена медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 2,2-3,2; кремний 0,5-3,0; марганец 0,2-3,0; хром 3,0-6,4; никель 2,0-4,0; бор 0,2-0,4; ванадий 0,2-0,8; медь 0,2-0,8; алюминий 0,1-0,4; церий 0,03-0,20; магний 0,02-0,1; кальций 0,05-0,2; железо - остальное.The specified technical result is ensured by the fact that in the proposed wear-resistant cast iron with spherical graphite containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, boron, vanadium, aluminum, cerium, magnesium, calcium, iron, copper is additionally introduced in the following ratio of components, wt. %: carbon 2.2-3.2; silicon 0.5-3.0; manganese 0.2-3.0; chrome 3.0-6.4; nickel 2.0-4.0; boron 0.2-0.4; vanadium 0.2-0.8; copper 0.2-0.8; aluminum 0.1-0.4; cerium 0.03-0.20; magnesium 0.02-0.1; calcium 0.05-0.2; iron is the rest.

Введение в состав предложенного чугуна меди позволяет повысить его вязкость и прочность за счет растворения меди в металлической основе.Introduction to the composition of the proposed cast iron allows you to increase its viscosity and strength due to the dissolution of copper in a metal base.

Введение меди в состав предложенного чугуна в количестве менее 0,2% не обеспечивает достаточной концентрации меди в металлической основе для существенного повышения значений вязкости и прочности износостойкого чугуна. Увеличение содержания меди свыше 0,8% способствует выделению по границам зерен структуры чугуна металлической меди, в результате чего понижаются его вязкость и прочность.The introduction of copper in the composition of the proposed cast iron in an amount of less than 0.2% does not provide a sufficient concentration of copper in the metal base to significantly increase the viscosity and strength of wear-resistant cast iron. An increase in copper content above 0.8% promotes the release of metallic copper at the grain boundaries of the cast iron structure, as a result of which its viscosity and strength are reduced.

Снижение содержания углерода в чугуне позволяет уменьшить количество твердой карбидной фазы типа (Cr, Fe)₇С₃.The decrease in carbon content in cast iron can reduce the amount of solid carbide phase type (Cr, Fe) ₇ C ₃ .

Введение углерода в количестве менее 2,2% не обеспечивает получение в структуре чугуна структурно-свободного углерода в виде графита шаровидной формы, что резко снижает прочностные характеристики чугуна. Увеличение содержания углерода свыше 3,2% способствует выделению повышенного количества твердой карбидной фазы, что также значительно понизит прочностные характеристики чугуна.The introduction of carbon in an amount of less than 2.2% does not provide structurally free carbon in the form of spherical graphite in the structure of cast iron, which sharply reduces the strength characteristics of cast iron. An increase in carbon content in excess of 3.2% contributes to the release of an increased amount of solid carbide phase, which will also significantly reduce the strength characteristics of cast iron.

Увеличение содержания марганца в чугуне позволяет повысить его концентрацию в аустените.An increase in the content of manganese in cast iron makes it possible to increase its concentration in austenite.

Введение марганца в количестве менее 0,2% не обеспечит повышения достаточной концентрации марганца в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, обладающему низкими значениями вязкости и прочности. Увеличение содержания марганца свыше 3,0% вызывает выделение карбидов марганца типа Мn₃С, что повышает хрупкость чугуна и ухудшает обработку отливок резанием.The introduction of manganese in an amount of less than 0.2% will not increase the sufficient concentration of manganese in austenite, which contributes to the partial decomposition of austenite upon cooling into troostite, which has low values of viscosity and strength. An increase in manganese content in excess of 3.0% causes the release of manganese carbides of the type Mn ₃ C, which increases the brittleness of cast iron and affects the processing of castings by cutting.

Уменьшение содержания хрома в чугуне позволяет уменьшить количество твердой карбидной фазы.Reducing the chromium content in cast iron can reduce the amount of solid carbide phase.

Введение содержания хрома менее 3,0% не обеспечивает образования достаточного количества твердых карбидов типа (Cr, Fe)₇С₃, в результате чего понижается твердость и соответственно износостойкость чугуна. Увеличение содержания хрома свыше 6,4% способствует образованию повышенного количества твердых карбидов типа The introduction of a chromium content of less than 3.0% does not provide the formation of a sufficient amount of solid carbides of the type (Cr, Fe) ₇ C ₃ , as a result of which the hardness and, accordingly, the wear resistance of cast iron are reduced. An increase in chromium content above 6.4% contributes to the formation of an increased amount of solid carbides of the type

(Cr, Fe)₇С₃, благодаря которым твердость и износостойкость чугуна повышаются, а вязкость и прочность снижаются.(Cr, Fe) ₇ C ₃ , due to which the hardness and wear resistance of cast iron are increased, and the viscosity and strength are reduced.

Уменьшение содержания никеля в чугуне позволяет понизить себестоимость изготовления отливок.Reducing the nickel content in cast iron reduces the cost of manufacturing castings.

Введение никеля в количестве менее 2,0% не обеспечивает достижения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, в результате чего снижается вязкость, прочность, твердость и износостойкость чугуна. Увеличение содержания никеля свыше 4,0% способствует повышению доли остаточного аустенита в металлической основе чугуна, что приводит к снижению его твердости и износостойкости.The introduction of nickel in an amount of less than 2.0% does not ensure that a sufficient concentration of nickel in austenite is achieved, which contributes to the partial decomposition of austenite upon cooling into troostite, which reduces the viscosity, strength, hardness and wear resistance of cast iron. An increase in nickel content in excess of 4.0% contributes to an increase in the fraction of residual austenite in the metal base of cast iron, which leads to a decrease in its hardness and wear resistance.

Плавку чугуна проводят в индукционных или дуговых электропечах с использованием стандартных шихтовых материалов. Легирующие элементы - никель, медь, хром и ванадий вводят в металлозаволку. После расплавления шихты и перегрева чугуна до 1450-1500°С на зеркало расплава вводят кремний и марганец в виде 75%-ного ферросилиция и 60%-ного ферромарганца. Затем присаживают алюминий и кальций (в виде 20%-ного силикальция). Магний в составе сфероизирующей присадки, а также церий и бор в виде ферроцерия и ферробора вводят на дно разливочного ковша перед выпуском жидкого металла из печи.Iron is smelted in induction or electric arc furnaces using standard charge materials. Alloying elements - nickel, copper, chromium and vanadium are introduced into the metal grinder. After the charge is melted and the cast iron is overheated to 1450-1500 ° С, silicon and manganese are introduced into the melt mirror in the form of 75% ferrosilicon and 60% ferromanganese. Then, aluminum and calcium are added (in the form of 20% silica). Magnesium in the composition of the spheroizing additive, as well as cerium and boron in the form of ferrocerium and ferroboron, are introduced to the bottom of the casting ladle before the liquid metal is released from the furnace.

В таблице 1 приведен химический состав известного и предложенного чугунов. В таблице 2 приведены значения механических свойств, износостойкости в условиях ударно-абразивного износа и удароустойчивость (число ударов N до разрушения) под воздействием нагрузок.Table 1 shows the chemical composition of the known and proposed cast irons. Table 2 shows the values of mechanical properties, wear resistance in conditions of impact-abrasive wear and impact resistance (the number of strokes N to failure) under the influence of loads.

Техническими результатами являются, как видно из данных таблицы 2, более высокая ударная вязкость (580-630 кДж/м²), прочность (1010-1060 МПа), стрела прогиба (3,8-4,2 мм) и соответственно более высокая удароустойчивость предлагаемого чугуна в сравнении с прототипом.The technical results are, as can be seen from the data of table 2, higher impact strength (580-630 kJ / m ² ), strength (1010-1060 MPa), deflection arrow (3.8-4.2 mm) and, accordingly, higher impact resistance the proposed cast iron in comparison with the prototype.

Ударную вязкость определяли в соответствии с ГОСТ 9454-78 на цилиндрических образцах (⌀ 30×160 мм). Испытания проводили на маятниковом копре (ГОСТ 10708-82).Impact strength was determined in accordance with GOST 9454-78 on cylindrical samples (⌀ 30 × 160 mm). The tests were carried out on a pendulum pile driver (GOST 10708-82).

Временное сопротивление чугуна при изгибе и стрелу прогиба определяли в соответствии с ГОСТ 27208-87 на цилиндрических образцах (⌀ 25×200 мм).The temporary resistance of cast iron during bending and the arrow of deflection were determined in accordance with GOST 27208-87 on cylindrical samples (⌀ 25 × 200 mm).

Твердость по Роквеллу определяли в соответствии с ГОСТ 9013-59.Rockwell hardness was determined in accordance with GOST 9013-59.

Износостойкость в условиях ударно-абразивного изнашивания определяли по потере массы образцов (⌀ 18×18 мм), после проведения 12 циклов испытания длительностью 25 минут каждый. Испытания на ударно-абразивный износ проводили на лабораторной мельнице конструкции ЦНИИТМАШ. В качестве абразива использовали кварцевый песок определенной зернистости. За эталон принимали износ образцов, изготовленных из стали 20.Wear resistance under conditions of impact-abrasive wear was determined by the weight loss of the samples (⌀ 18 × 18 mm), after 12 test cycles lasting 25 minutes each. Impact-abrasion wear tests were carried out at the laboratory mill of the TsNIITMASH design. As an abrasive, quartz sand of a certain grain size was used. The standard was taken to wear samples made of steel 20.

Удароустойчивость (N) проверяли на цилиндрических образцах (⌀ 15×24 мм) на копре при энергии удара 19,6 Дж. Удар производили в центр торцевой части шариком диаметром 19 мм из закаленной стали ШХ15.Impact resistance (N) was tested on cylindrical specimens (⌀ 15 × 24 mm) on a pile head with an impact energy of 19.6 J. The impact was produced in the center of the end part by a ball with a diameter of 19 mm from HX15 hardened steel.

Объемное количество карбидной фазы в структуре чугуна подсчитывали планиметрическим методом в трех полях и методом случайных секущих при 500-кратном увеличении на микроскопе МИМ-8.The volumetric amount of the carbide phase in the cast iron structure was calculated by the planimetric method in three fields and the random secant method at a 500-fold magnification using a MIM-8 microscope.

Применение предлагаемого износостойкого чугуна с шаровидным графитом для удароустойчивых отливок, например лопаток дробеметного и бил дробильного оборудования, позволяет существенно (на 40-50%) увеличить срок службы деталей в эксплуатации при снижении себестоимости их изготовления на 15-20%.The use of the proposed wear-resistant nodular cast iron for impact-resistant castings, for example blades of shot blasting and crushing equipment, can significantly (40-50%) increase the service life of parts in operation while reducing the cost of their manufacture by 15-20%.

Таблица 1Table 1 ЧугунCast iron № плавкиNo. of swimming trunks Содержание химических элементов, мас.%The content of chemical elements, wt.% СFROM SiSi MnMn CrCr NiNi VV CuCu ВAT СеXie MgMg CaCa AlAl ПредлагаемыйProposed 11eleven 2,22.2 0,50.5 0,20.2 3,03.0 2,02.0 0,20.2 0,20.2 0,20.2 0,030,03 0,020.02 0,050.05 0,10.1 1212 2,72.7 1,81.8 1,61,6 4,74.7 3,03.0 0,50.5 0,50.5 0,30.3 0,120.12 0,060.06 0,130.13 0,250.25 1313 3,23.2 3,03.0 3,03.0 6,46.4 4,04.0 0,80.8 0,80.8 0,40.4 0,20.2 0,10.1 0,20.2 0,40.4 ПрототипPrototype 1one 3,63.6 1,91.9 0,80.8 8,58.5 4,04.0 0,80.8 -- 0,30.3 0,120.12 0,80.8 0,120.12 0,10.1   Таблица 2table 2 № плавкиNo. of swimming trunks Количество карбидной фазы, %The amount of carbide phase,% Ударная вязкость, кДж/м² Impact strength, kJ / m ² Прочность, МПаStrength, MPa Стрела прогиба, ммDeflection arrow, mm Твердость, HRCHardness HRC Коэффициент относительной износостойкости в условиях ударно-абразивного износаThe coefficient of relative wear resistance in conditions of impact-abrasive wear Удароустойчивость, NShock resistance, N 11eleven 18eighteen 630630 10601060 4,24.2 5555 1,71.7 12501250 1212 20twenty 600600 10301030 4,04.0 5656 2,02.0 12051205 1313 2424 580580 10101010 3,83.8 5858 2,22.2 11601160 1one 30thirty 450450 10001000 3,53,5 6363 2,52.5 625625

Claims (1)

Износостойкий чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, алюминий, церий, магний, кальций, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 2,2-3,2 кремний 0,5-3,0 марганец 0,2-3,0 хром 3,0-6,4 никель 2,0-4,0 бор 0,2-0,4 ванадий 0,2-0,8 медь 0,2-0,8 алюминий 0,1-0,4 церий 0,03-0,20 магний 0,02-0,1 кальций 0,05-0,2 железо остальное Wear-resistant nodular cast iron, containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, boron, vanadium, aluminum, cerium, magnesium, calcium, iron, characterized in that it additionally contains copper in the following ratio, wt.%:
carbon 2.2-3.2 silicon 0.5-3.0 manganese 0.2-3.0 chromium 3.0-6.4 nickel 2.0-4.0 boron 0.2-0.4 vanadium 0.2-0.8 copper 0.2-0.8 aluminum 0.1-0.4 cerium 0.03-0.20 magnesium 0.02-0.1 calcium 0.05-0.2 iron rest