SU1723180A1 - Чугун - Google Patents

Description

Изобретение относитс  к металлургии, в частности к разработке составов высокохромистых чугунов дл  отливок, подвергающихс  абразивному износу в агрессивных кислотных средах.,

Известен высокохромистый чугун, предназначенный дл  деталей, подвергающихс  коррозионному и механическому износу, со держащий в своем составе, мас.%: С 1,8- 2,2; SI 2.8-4,6; Мп 0,2-0,8; Сг 16-21; Мо 0,5-1.5; V 1,1-2.3; В или Ti 0,02-0.2; Mg 0,01-0,1; Те 0.01-0,05; карбонитриды Nb 0,1-0,3; Fe остальное.

Недостатком данного сплава  вл етс  высокое содержание кремни  в сплаве (2,8- 4,6 мас.%), которое сильно снижает абразивную стойкость деталей из-за повышенной хрупкости металлической основы чугуна. К тому же этот сплав содержит в своем составе дефицитный никель и ниобий.

Высокохромистый чугун, содержащий мас.%: С 1,0-2,5; Сг 10-25; Мо 0,5-1.0; Мп 0,5-2,0; А1 0,1-0.2; В 0.05-0,3: V 0,5-2.5: Sn 0,1-0,3; остальное Fe, также не обеспечивает высокой абразивной стойкости деталей из-за низкого содержани  в этом сплаве углерода , а пониженное содержание молибдена (не более 1,0 мас.%) не обеспечивает прокаливаемости отливок с толщиной стенки более 70-100 мм п0и термообработке. Следовательно, в этом чугуне не происходит полного образовани  наиболее абразиво- стойкой мартенситной структуры. Этот сплав не обладает высокой устойчивостью к высокотемпературному абразивному истиранию и коррозионной стойкостью в агрессивных средах.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому эффекту  вл етс  высокохромистый чугун дл 

X

ГО

ы

«™А

00

износостойких деталей, содержащий в своем составе химические элементы, мас.%: С 2,6-3,5; Сг 12-30; Si 0,3-1,0; Мп 0,4-5,5; В 0,001-0.15; Мо 0,6-3,5; Ti 0,1-0,8; V 0,5-5,5; Те 0,001-0,06; РЗМ 0,001-0,25; Be 0,001- 0,30; остальное Fe.

Углерод - об зательный компонент, способствующий образованию износостойкой карбидной структуры чугуна;

кремний - сопутствующий элемент износостойких чугунов, при увеличении содержани  кремни  более 1,5-2 мас.% снижаетс  твердость, а во многих случа х и износостойкость высокохромистого чугуна;

хром - основной легирующий элемент износокоррозионностойких сплавов, способствующий получению износостойкой структуры в чугунах за счет образовани  собственных карбидов и легировани  металлической матрицы, а также повышающий прочность, твердость и коррозионную стойкость сплавов;

марганец - стабилизирующий элемент, эффективно воздействующий на свойства и структуру чугуна за счет легировани  металлической основы и замещени  железа в карбидах хрома, а также улучшающий прокаливаемость чугунных отливок;

молибден - необходимый элемент в высокохромистых износостойких чугунах. способствующий повышению прокаливаемости чугунных отливок и образованию мартенсит- ной структуры, наиболее стойкой к абразивному изнашиванию;

ванадий - карбидообразующий элемент , способствующий повышению твердости и абразивной износостойкости чугуна;

редкоземельные металлы - рафинирующие элементы;

бор - элемент, повышающий твердость сплавов;

теллур - поверхностно-активный элемент , преп тствующий образованию в чугуне крупных карбидов и тем самым способствующий повышению износостойкости чугуна;

бериллий - элемент, способствующий образованию мелкозернистой равномерно распределенной структуры чугуна;

титан - элемент, способствующий образованию мелкозернистой структуры чугуна.

Известный чугун имеет следующие недостатки .

Сплав в своем составе содержит остродефицитный и дорогосто щий бериллий, а также имеет высокое содержание хрома и марганца (соответственно 30 и 5,5 мас.% по верхнему пределу), что вызывает существенное снижение эксплуатационных свойств сплава. Так, при содержании хрома

более 25% износостойкость высокохромистого чугуна резко падает из-за образовани  в его структуре грубых включений заэвтектических карбидов хрома, а при содержании марганца более 4% образуетс  м гка  аустенитна  основа чугуна, имеюща  низкую стойкость к абразивному истиранию .

Цель изобретени  - повышение збра0 зивной износостойкости чугуна в агрессивной среде при температурах 293-773 К.

Исследовани  по изучению вли ни  элементов на износостойкость в широком интервале температур, коррозионную стой5 кость в агрессивных средах, а также механические свойства позвол ют определить оптимальные пределы легировани  чугуна. Поставленна  цель достигаетс  тем, что чугун содержащий углерод, кремний, хром,

0 марганец, молибден, ванадий, бор, железо и теллур, дополнительно содержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%; углерод 2,5-3,5; кремний 0,5-1,5; хром 15,0-25,0; марганец. 2,55 4,0; молибден 1,0-3,0; ванадий 1,0-3,0; бор 0,05-0,30; алюминий 0,06-0,15; теллур 0,06- 0,13; висмут 0,04-0,12; железо остальное, причем суммарное содержание теллура и висмута составл ет 0,10-0,25.

0 В предлагаемом составе алюминий,  вл  сь активным раскислителем и дегазатором , полностью исключает применение в составе чугуна дефицитных и дорогосто щих РЗМ, при этом алюминий измельчает

5 зерно металлической матрицы, повышает плотность и механические свойства чугуна. Теллур и висмут  вл ютс  сильными поверхностно-активными элементами. Эти элементы , вводимые в чугун в виде химического

0 соединени  BlaTea теллурида висмута), взаи- моусиливают свои поверхностно-активные свойства и тем самым наиболее эффективно измельчают зерно металлической матрицы, способствуют образованию в структуре чугу5 на большого количества равномерно распределенных карбидов, преп тствуют росту крупных карбидов и тем самым способствуют существенному повышению износостойкости чугуна в отливках.

0 Теоретическое обоснование вли ни  теллура и висмута на достижение цели изобретени  заключаетс  в следующем.

Теллур и висмут,  вл  сь сильнодействующими поверхностно-активными элемен5 тами, оказывают существенное вли ние на процесс кристаллизации жидких металлов и сплавов.

Вли ние поверхностно-активных элементов на кристаллизацию имеет следующий характер. Атомы (ионы) элементов.

поверхностно-активных по отношению к зарождающимс  из расплава твердым фазам, адсорбируютс  (хемосорбируютс ) по механизму внутренней адсорбции на центрах кристаллизации, скаплива сь при этом на их поверхности. Такое скопление поверхностно-активных элементов на границах раздела жидкой и твердой фаз выполн ет роль своеобразных барьеров-регул торов дл  атомов кристаллизующейс  из расплава твердой фазы.

В результате такой регул ции существенно затрудн етс  роет центров кристаллизации при охлаждении жидкого сплава и тверда  фаза выпадает в виде многочисленных равномерно распределенных включений. Следовательно, поверхностно активные элементы могут как преп тствовать росту отдельных фаз, так и способствовать образованию в сплавах мелкозернистой структуры. Так, например, теллур и висмут используютс  в производстве ковкого чугуна . Малые добавки этих элементов в жидкий чугун преп тствуют образованию графитных включений и обеспечивают получение сквозного отбела в отливках, измельчают структуру чугуна.

Решающее вли ние на износостойкость хромистых чугунов оказывают карбиды хрома , их размеры, форма и распределение. При трении крупные карбиды хрома легко, .выкрашиваютс  из металлической матрицы, поэтому грубые включени  карбидов хрома, например заэвтектического типа, резко снижают износостойкость хромистого чугуна , Небольшие присадки теллура и висмута (до 0,15-0,25%) преп тствуют.образованию в этих чугунах грубых карбидов, измельчают карбидные включени , обеспечивают их равномерное распределение в металлической матрице и тем самым способствуют существенному повышению износостойкости предлагаемого сплава. Причем при совместном введении в жидкий чугун теллура и висмута наблюдаетс  взаимное усиливание их поверхностно-активных свойств и тем самым взаимно усиливаетс  благопри тное воздействие этих элементов на структуру и свойства износостойкого чугуна.

Висмут-металл V подгруппы периодической системы Менделеева с т.пл. 271°С, т. кип. 1560°С, выпускаетс  промышленностью в виде слитков. В св зи с достаточно высокой температурой кипени  примен етс  в литейном производстве дл  присадки в жидкий чугун в чистом виде.

Теллур-металлоид VI подгруппы периодической системы с т.пл. 450°С и т.кип. 990°С. Теллур действует на сплавы железа, как и висмут. В литейном производстве примен етс  как порошкообразный, так и металлический теллур. В св зи с более низкой температурой кипени  (следовательно, и упругостью паров) по сравнению с висмутом 5 процент усвоени  теллура зависит от способа ввода в жидкий металл.

Так на Московском автомобильном заводе им. Лихачева (ЗИЛ) при производстве ковкого чугуна вместо висмута используетс 

0 теллур в виде отпрессованных прутков диаметром 30 мм, состо щих из 50% порошкообразного теллура и 50% медного порошка. При этом процент усвоени  теллура жидким чугуном составл ет 50-60%. Процент усвое5 .ни  теллура сплавами железа повышаетс  до 70-80%, если используют теллур в виде теллуроидов, имеющих более высокую температуру плавлени , чем чистый теллур. Поэтому используют лигатуру, содержащую

0 48% Bi, 52 % Те и состо щую в основном из химического соединени  BiaTea. При разработке нового состава износостойкого чугуна производ т ковшевую присадку в жидкий металл тугоплавкого теллуроида висмута,

5 имеющего т.пл. 858 К, при этом усвоение теллура и висмута жидким чугуном, составл ет 70-80%.

Содержание хрома в количестве 15,0- 25,0% обеспечивает сочетание высокой аб0 разивной износостойкости в широком интервале температур и коррозионной стойкости чугуна в агрессивных средах.

Оптимальное содержание марганца в количестве 2,5-4,0% против 0,4-5,5% обес5 печивает получение в высокохромистом чугуне высокой твердости, прочности, износостойкости и коррозионной стойкости за счет образовани  легированной марганцем мартенситной структуры. Так как при

0 содержании в высокохромистом чугуне до 1,0-1,5% марганца не обеспечиваетс  требуема  прочность сплава и коррозионна  стойкость, а при содержании более 4,0% марганца образуетс  аустенитна  основа

5 чугуна, имеюща  низкую стойкость к абразивному износу.

Содержание углерода в количестве 2,5- 3,5% обеспечивает получение высокой твердости и износостойкости чугуна за счет

0 образовани  в его структуре большого количества карбидов и пересыщенной по углероду металлической матрицы.

Бор в количестве 0,05-0,30% способствует повышению износостойкости и твердо5 сти чугуна.

Содержание молибдена в количестве 1,0-3,0% обеспечивает.хорошую прокали- ваемость чугуна в массивных отливках и образование мартенситной металлической основы, повышает абразивную износостойкость , коррозионную стойкость и механические свойства.

Ванадий в оптимальном количестве 1,0-3.0% совместно с приведенным содержанием молибдена способствует повышению коррозионной стойкости, износостойкости и механических свойств чугуна, обеспечивает равномерное распределение карбидов по сечению отливки.

Приведенное содержание марганца, молибдена и ванади  в сочетании с алюминием, теллуром и висмутом также полностью исключает применение в составе чугуна титана, остродефицитного и дорогосто щего берилли , при этом обеспечиваетс  более высока  абразивна  и коррозионна  стойкость предлагаемого сплава при 293-773 К.

Пример. Дл  повышени  усвоени  чугунным расплавом теллура и висмута до 70-80% против 30-60% усвоени  при раздельном использовании этих элементов в жидкий чугун теллур и висмут ввод т в виде тугоплавкого химического соединени  , содержащего, мас.% Вi 40-48 и Те 60-52. Дл  этого специально в печи сопротивлени  выплавл ют теллурид висмута . При этом берут измельченные исходные шихтовые компоненты, мас.%: висмут (марки Ви 1 ГОСТ 10928-75) 48 и теллур (марки Т 1 ГОСТ 17614-72) 52, которые затем смешиваютс  и загружаютс  в алундовый тигель . Дл  получени  соединени  ВЬТез алундовый тигель с шихтой помещают в печь сопротивлени  и медленно нагревают до 623 К, после чего провод т выдержку плав щейс  шихты при этой температуре в течение 1 ч. Затем идет дальнейший нагрев до 870 К и выдержка расплава при этой температуре в течение 1,5ч.

Расплав образовавшегос , химического соединени  BiaTea разливают в металлические формочки дл  кристаллизации. После этого полученный теллурид висмута используют в качестве модифицирующей присадки при выплавке износостойкого высокохромистого чугуна. Выплавку теллурида висмута ведут под слоем защитного флюса NaCt t KCI (1:1), по ходу плавки провод т периодическое перемешивание расплава палочкой из кварцевого стекла. Температуру расплава контролируют платино-плати- нородиевой термопарой погружени .

Выплавку износостойкого чугуна осуществл ют в тигельной индукционной печи ИСТ-016 с основной футеровкой. Исходна  шихта - передельный чугун марок П 1 и П 2 (ГОСТ 805-80); феррохром ФХ010А (ГОСТ 4757-79); ферромарганец ФМн 75 (ГОСТ 4755-80), ферромолибден ФМо(ГОСТ 4759- 79); феррованадий ФВдЗБ А (ТУ 14-5-98-78);

алюминий АВ 97 (ГОСТ 295-73); ферробор ФБо (ГОСТ 14848-69); теллурид висмута , а также ферротитан Ти 1 (ГОСТ 4761- 67); лигатура ФЦЦ-6 (содержаща , мас.%:

Се 40-50; La 18-25; Mb 10-12; Pr 5-7; Mg 5-7; Fe не более 10; бериллий технический; теллур технический Т 1 (ГОСТ 17614-72); стальной лом; возврат собственного производства и электродный бой.

0 Феррованадий и ферротитан ввод т в печь за 5-10 мин до выпуска металла из печи. Алюминий ввод т в жидкий чугун перед выпуском, а теллур и висмут подают а разливочный ковш в виде тугоплавкого хи5 мическогр соединени  BiaTea (теллурида висмута). Температура перегрева чугуна в печи составл ет 1723-1773 К. Температура заливки расплава в песчано-глинистые формы 1573-1603 К.

0

Отливают образцы размером 16 х 16 х 50 мм дл  испытани  на коррозионную стойкость и износ при 293-773 К, цилиндрические пробы диаметром 30. мм и длиной 340

5 мм дл  определени  предела прочности на изгиб и твердости по шкале HRC, а также массивные отливки перемешивающего устройства сульфат-сол ной печи химического завода дл  работы в услови х высокотемпе0 ратурного абразивного износа в агрессивной среде хлористого водорода.

Дл  экспериментальной проверки испытаны п ть составов износостойкого чугуна и состав известного чугуна.

5 В табл. 1 приведено содержание химических элементов в чугунах различного состава .

В табл. 2 приведены результаты испытаний чугунов различных составов.

0 В табл. 1 и 2 обозначено: 1 - состав, имеющий значени  содержани  компонентов ниже нижнего предела; 2-состав, имеющий значени  содержани  компонентов, указанных в отличительной части формулы,

5 по нижнему пределу; 3 - состав, имеющий оптимальные значени  содержани  компонентов , указанных в отличительной части формулы; 4 - состав, имеющий значени  содержани  компонентов, указанных в от0 личительной части формулы, по верхнему пределу; 5 - состав, имеющий значени  содержани  компонентов, указанных в отличительной части формулы, выше верхнего предела; б - состав известного чугуна.

5

Произведена сравнительна  оценка комплекса свойств известного и предлагаемого составов чугуна: предел прочности на изгиб, твердость по шкале HRC в сыром состо нии, износостойкости при температуpax 293-773 К, коррозионной стлйкости в концентрированной сол ной и серной кислотах ,о

Износостойкость литых образцов из предлагаемого износостойкого чугуна и из- вестного в широком интервале температур и повышенных давлени х определ ют на установке, в основу которой заложен принцип торцового трени . Данна  установка позвол ет вы вить сплавы с прочной метал- лической основой при различных температурах по устойчивости геометрических размеров (гравюры) образцов, а также определить их износостойкость при трении о контроле при посто нном удельном давле- нии. Сильна  деформаци  образца в зоне трени  при выбранной температуре испытани  свидетельствует о наличии м гкой фер- ритно-перлитной или аустенитной основы (матрицы) в сплаве, котора  имеет низкою стойкость при абразивном изнашивании.

Прочна  металлическа  основа высокохромистого чугуна в сочетании с равномерно распределенными мелкими и средними включени ми карбидной фазы обеспечивает высокую абразивную износостойкость легированного чугуна.

Испытани  образцов на износ провод т при 293 и 773 К при удельном давлении на образец 100 (VIПа.

Цикличность испытани  образцов следующа : нагрузка на вращающийс  образец при контакте с контртелом в нагретой зоне трени  при заданном удельном давлении; выдержка образца под нагрузкой в течение 60 с, разгрузка и вывод образца из зоны трени  и охлаждение образца на воздухе в течение 30 с, а затем следующее повторение цикла. Количество испытаний дл  каж- дого образца равно п ти испытани м.

Коррозионную стойкость определ ют по потере массы ускоренным методом с выдержкой образцов одинакового размера в концентрированных сол ной и серной кис- лотах в течение 24 ч.

Взвешивание образцов до и после испытаний на износ и коррозию провод т на аналитических весах ВЛА-200-М.

Анализ полученных результатов исследовани  известного и предлагаемого составов износостойкого чугуна показывает следующее. Сплавы 1,3 и 4 имеют высокую коррозионную стойкость в среде и наибольшую износостойкость при 293 и 773 К, а также хорошо держат гравюру при этих температурах. Сплав 1 имеет удовлетворительную износостойкость при высоких температурах , но сильно корродирует в концентрированной сол ной кислоте. Сплав 5 имеет низкую износостойкость и плохо держит гравюру при 293 и 773 К.

Все это позвол ет считать концентрационный интервал легирующих элементов в предлагаемом износостойком чугуне оптимальным (сплавы 2, 3 и 4).

Показатели свойств известного чугуна по сравнению с предлагаемым износостойким чугуном с оптимальным содержанием легирующих элементов.

Claims (1)

1. Формула изобретени  Чугун, содержащий углерод, кремний, хром, марганец, молибден, ванадий, бор, теллур и железо, отличающийс  тем, что, с целью повышени  абразивной износостойкости в агрессивной среде при температурах 293-773 К, он дополнительно содержит алюминий и висмут при следующем соотношении компонентов, мае. %: Углерод2,5-3,5

   Кремний0,,5

   Хром15,0-25,0

   Марганец2,5-4,0

   Молибден1,0-3,0

   Ванадий1,0-3,0

   Бор0,05-0,30

   Алюминий0,06-0,15.

   Теллур0,06-0,13

   Висмут0,04-0,12

   ЖелезоОстальное

   причем суммарное содержание теллура и висмута .составл ет 0,10-0,25.

   Таблица 1

   Примечание. В числителе - потер  массы испытуемого образца на 5 циклов при 293 К, в знаменателе - при 773 К.

   Продолжение табл1.

   Таблица 2,