Износостойкий чугун

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам чугунов, применяемых для изготовления деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа, например мелющих тел (шаров, цильпебсов и др.) шаровых мельниц в цементной, строительной, горнодобывающей и других областях промышленности. Предложен износостойкий чугун, содержащий, мас.%: углерод 2,6-3,1; кремний 0,6-1,3; марганец 0,5-1,5; никель 0,2-0,5; титан 0,1-0,2; сера 0,03-0,12; фосфор 0,06-0,1; хром 1,0-12,0; железо - остальное, причем содержание хрома находится в обратно пропорциональной зависимости от скорости охлаждения отливки, определяемой величиной массы отливки. Предложенный износостойкий чугун обеспечивает высокую твердость отливки при равномерном распределении твердости по всему сечению отливки для отливок различной массы Писаренко Леонид Зотович, Бусел Иван Андреевич, Метельский Николай Павлович, Бусел Павел Иванович (BY) Беляева Е.Н. (BY) Изобретение относится к металлургии, в частности к составам чугунов, применяемых для изготовления деталей, работающих в условиях ударно-абразивного износа, например мелющих тел (шаров,цильпебсов и др.) шаровых мельниц в цементной, строительной, горно-добывающей и других областях промышленности. Известно достаточно большое количество составов чугуна, износостойкость которого повышается за счет введения и правильного подбора вводимых количеств различных легирующих добавок, в частности хрома, марганца, никеля и т.д. [1-5]. Все эти и другие известные составы чугунов, как правило, разрабатываются для определенных условий производства и конкретных применений (в частности, конкретной массы отливки) и при изменении условий могут проявлять недостатки, связанные с несоответствием требованиям, предъявляемым к ряду физико-механических характеристик. В частности, известен износостойкий чугун [6] со следующим химическим составом, мас.%: углерод 2,6-3,1, кремний 0,6-1,3, марганец 0,5-1,5, хром 0,07-0,2, титан 0,1-0,2, молибден 0,01-0,02, ванадий 0,07-0,015, никель 0,02-0,04, медь 0,03-0,04, вольфрам 0,01-0,02, алюминий 0,03-0,05, сера 0,08-0,13,фосфор 0,06-0,08, железо - остальное. Недостатком этого чугуна является все же недостаточная износо- и ударостойкость, связанная с недостаточным содержанием карбидообразующих элементов (суммарное содержание составляет 0,4-0,8 мас.%), которые, в связи с этим, не обеспечивают получение в чугуне необходимых количества и твердости карбидов цементитного типа, повышающих износостойкость отливок мелющих тел. Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому износостойкому чугуну является чугун [7] следующего химического состава, мас.%: углерод 2,0-2,5, кремний 0,3-0,5, марганец 1,7-2,6, хром 15-18, титан 0,05-0,1, никель 0,4-0,8, железо - остальное. Недостатком такого чугуна являются трудности его получения при выплавке, так как он, по сути, является синтетическим, получаемым только в электропечах путем науглероживания стального лома и использования ферросплавов хрома. Из-за низкого содержания углерода такой чугун обладает повышенной склонностью к образованию усадочных раковин и пористости в отливках, что снижает его преимущества в отношении прочности, износостойкости и ударостойкости. Известно, что формирование структуры чугуна происходит при затвердевании отливки, а основными факторами, влияющими на структурообразование чугуна, являются его химический состав и скорость охлаждения отливки в форме, которая, в свою очередь, определяется массой отливки. Таким образом,для расширения возможных сфер применения износостойкого чугуна определенного состава, желательным было бы, чтобы качество отливок, получаемых их чугуна этого состава, не зависело, в частности, от массы отливок. Задачей изобретения является разработка состава экономнолегированного износостойкого чугуна,который обеспечивал бы высокую твердость отливки при равномерном распределении твердости по всему сечению. Состав должен обеспечивать возможность получения отливок различной массы (в частности, от 0,013 до 5,7 кг) с одинаково высокими значениями твердости и равномерности распределения твердости по сечению отливки. Поставленная задача решается заявляемым износостойким чугуном, содержащим, мас.%: причем содержание хрома находится в обратно пропорциональной зависимости от скорости охлаждения отливки, определяемой величиной массы отливки. При разработке и испытаниях заявляемого (базового) состава чугуна авторами было установлено,что сохранить высокие показатели твердости отливки и равномерности распределения твердости по объему отливки при различных массах отливок можно путем дифференцированного изменения содержания хрома в рамках указанных выше диапазонов значений. Так, для форм выполнения, в которых заявляемый износостойкий чугун предназначен для изготовления отливок (мелющих тел) массой менее 0,5 кг (соответственно диаметр шаров составляет до 40 мм),содержание хрома предпочтительно составляет 1,0-6,0 мас.% при условии, что соотношение(мас.%/мас.%) хром/углерод = 0,35-2,1. Для форм выполнения, в которых заявляемый износостойкий чугун предназначен для изготовления отливок (мелющих тел) массой от 0,5 до 5,7 кг (соответственно диаметр шаров составляет от 40 до 110 мм), содержание хрома составляет 6,0-12,0 мас.% при условии, что соотношение (мас.%/мас.%) хром/углерод = 2,1-4,2. В предпочтительных формах реализации в заявляемом износостойком чугуне суммарное содержание углерода и кремния составляет 3,2-4,4 мас.%. Приведенные выше диапазоны содержания хрома и соотношений между содержанием хрома и углерода были получены расчетно-экспериментальным путем. Исходные данные, расчетные показатели и полученные характеристики твердости отливок по некоторым из экспериментов приведены в нижеследующей таблице. Зависимость содержания хрома от массы отливок в базовом составе чугуна (мас.%: C=2,6-3,1; Si=0,6-1,3; Примечание: расчетный объем и расчетная масса шара вычислены по условному диаметру при плотности белого чугуна 7,35 г/см 3. Из таблицы можно сделать следующие выводы. При соотношениях (мас.%/мас.%) хром/углерод = 0,35-2,1, что соответствует содержанию хрома в чугуне 1,0-6,0 мас.%, в структуре чугуна преобладают карбиды цементитного типа Fe3C и (FeCr)3C, которые имеют твердость 800-1000 кгс/мм 2 [8]. Таким образом, базовый состав заявляемого износостойкого чугуна с соотношением (мас.%/мас.%) хром/углерод = 0,35-2,1 целесообразно использовать для получения мелких отливок (шаров, цильпебсов и т.п.) массой до 0,5 кг. При этом обеспечивается необходимая твердость отливок как на их поверхности, так и по всему объему без предварительной термообработки. При соотношениях (мас.%/мас.%) хром/углерод = 2,7-3,2, что соответствует содержанию хрома в чугуне 7,0-9,0 мас.%, в структуре чугуна наряду с карбидами (FeCr)3C постоянно увеличивается число карбидов (FeCr)7 С 3 с микротвердостью до 1300 кгс/мм 2, которые обеспечивают удовлетворительную твердость отливок мелющих тел большей массы, в частности от 1,0 до 2,2 кг (соответственно диаметр от 60 до 80 мм), как на поверхности, так и на расстоянии 1/2 радиуса шара. При соотношениях (мас.%/мас.%) хром/углерод = 3,2-4,2, что соответствует содержанию хрома в чугуне 10,0-12,0 мас.%, в структуре чугуна преобладают карбиды (FeCr)7C3, микротвердость которых составляет 1300-1500 кгс/мм 2 и которые позволяют получать более массивные шары массой до 5,7 кг(соответственно диаметром до 110 мм). При дальнейшем повышении соотношения (мас.%/мас.%) хром/углерод до более 6-9 и концентрации хрома более 18-20 мас.% чугуны приобретают также коррозионную стойкость, т.к. помимо карбидов М 7 С 3 существенно увеличивается число включений карбидов М 23 С 6 [8, 9]. Износостойкий чугун предложенного состава можно выплавлять как в вагранке, так и в кислой электропечи. При выплавке чугуна в вагранке содержание хрома в чугуне не должно превышать 6 мас.%. Чугун с более высоким содержанием хрома (до 12 мас.%) более целесообразно выплавлять в электропечи. В качестве шихтовых материалов может быть использован передельный чугун ПЛ-2, лом и отходы коррозионно-стойких и жаростойких хромистых сталей, содержащих, мас.%: хром 16-18, титан не более 0,8, никель не более 0,6. Примеси титана и никеля в ломе являются основным источником этих полезных элементов в составе чугуна. Для получения более высокого содержания хрома (7-12 мас.% и более) в электропечь необходимо дополнительно вводить углеродистый феррохром. Таким образом, создание экономнолегированного износостойкого чугуна с дифференцированным содержанием хрома в зависимости от скорости охлаждения отливки, определяемой массой отливки,обеспечивает достижение твердости и соответственно износостойкости отливок мелющих тел без предварительной термообработки. Источники информации. 1. Патент RU2332507 С 1, опубл. 27.08.2008. 2. Патент BY11609 С 1, опубл. 27.02.2009. 3. Патент RU 2345160 С 1, опубл. 27.01.2009. 4. Патент JP3268238 В 2, опубл. 16.02.1999. 5. Патент ЕР 0525932 В 1, опубл. 03.02.1993. 6. Патент BY 10946 С 1, опубл. 12.05.2006. 7. Патент KZ11737 А, опубл. 15.07.2002. 8. Поддубный А.Н., Романов Л.М. Износостойкие отливки из белых чугунов для металлургии и машиностроения. - Брянск: Придесенье, 1999, с. 14-20. 9. Гарбер М.Е. Отливки из белых износостойких чугунов. - М.: Машиностроение, 1972, с. 16-35. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Износостойкий чугун, содержащий, мас.%: причем содержание хрома находится в обратно пропорциональной зависимости от скорости охлаждения отливки, определяемой величиной массы отливки. 2. Чугун по п.1, отличающийся тем, что содержание хрома составляет 1,0-6,0 мас.% при условии,что соотношение (мас.%/мас.%) хром/углерод = 0,35-2,1 при массе отливок до 0,5 кг. 3. Чугун по п.1, отличающийся тем, что содержание хрома составляет 6,0-12,0 мас.% при условии,что соотношение (мас.%/мас.%) хром/углерод = 2,7-4,2 при массе отливок от 0,5 до 5,7 кг. 4. Чугун по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что суммарное содержание углерода и кремния составляет 3,2-4,4 мас.%.