Білий чавун для мелючих тіл

Белый чугун для мелющих тел, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, железо, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что он дополнительно содержит фосфор, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 2,5-3,8 'Кремний . 0,6-3,0 Марганец 0,1-4,5 Хром 0,1-6,0 Фосфор 0,07-0,80 Алюминий 0,05-0,50 Кальций 0,005-0,250 Железо Остальное Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким белым чугунам для мелющих тел, которые подвергаются интенсивным динамическим нагрузкам и гидроэрозионному воздействию в коррозионно-абразивной среде. Известен чугун [Авт.св. № 1222704, кл. С 22 С 37/00,1986] следующего состава, мае.%: Углерод 3,2-3,6 Кремний 0,7-1,1 Марганец 0,5-2,5 Хром 10,0-14,0 Вольфрам 0,3-2,5 Никель 0,1-1,5 Магний 0,03-0,05 Железо * Остальное Общими признаками для аналога и заяь ляемого объекта является наличие в составь белого чугуна углерода, кремния, марганца и хрома Получение требуемого технического результата при использовании аналога не представляется возможным, т.к. существенным недостатком данного чугуна является невысокий уровень физико-механических свойств, ударостойкость 6-7 ударов до разрушения, вследствие наличия большого ко> личества железо-хромистого карбида грубого строения, а также значительный расход хрома, вольфрама, никеля, что значительно повышает расход легирующих элементов и стоимость чугуна, тем самым ограничивая его применение. V 21662 Известен также чугун (см. авторское свидетельство № 945218, кл. С 22 С 37/06, опубл. в Б,И., 1982, № 27}, содержащий, мас.%: Углерод 2,8-3,6 Кремний . 3,8-5,2 Марганец 5,0-9,0 Хром 2,7-4,3 Титан 0,2-0,8 Железо . Остальное Общими признаками для аналога и заявляемого объекта является наличие в химсоставе чугуна углерода, кремния, марганца, хрома. Однако получение требуемого технического результата при использовании аналога н е в о з м о ж н о , т.к. с у щ е с т в е н н ы м недостатком этого чугуна является низкая ударостойкость - 5 ударов до разрушения, кавитационно-эрозионная стойкость 101 и износостойкость 0,722 мг/м ч, что объясняется образованием графита в структуре чугуна вследствие повышенного содержания кремния, не сбалансированного соответствующим количеством карбидообразующих элементов, в данном случае хрома, ванадия и марганца. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемом объекту является выбранный в качестве прототипа чугун [Авт.св. № 1301863, кл. С 22 С 37/08, 1987] следующего состава, мае %: Углерод . 2,9-3,4 Кремний 0,8-2,1 Марганец 0,6-1,5 Хром . 8,8-9,7 Никель 1,6-2,3 Молибден • 0,1-0,25 Ванадий • 0,2-0,35 Железо ' Остальное Дпя прототипа и заявляемого объекта общим является наличие в составе белого чугуна углерода, кремния, марганца, хрома. Получение требуемого технического результата при использовании прототипа невозможно, потому что данный чугун имеет недостаточно высокую стойкость при трении в коррозионной среде в условиях значительных ударных нагрузок: 16 ударов до разрушения, кавитацион2 но-эрозиоиная стойкость - 94 мг/м ч, износостойкость - 0,675 г/м ч в связи с наличием в структуре грубого конгломерата карбидов типа (Fe, Сг)3С и (Cr, Fe^Ca- Кроме того, значительный расход хрома, никеля, молибдена, ванадия повышает стоимость указанного чугуна и этим ограничивает его применение. В основу изобретения поставлена задача разработать такой состав белого чугуна 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 для мелющих тел, о котором наличие новых компонентов при заданном их соотношении и новое соотношение известных компонентов позволило бы обеспечить повышение показателей кавитационно-эрозионной стойкости, ударостойкости, износостойкости и за счет этого обеспечит снижение удельного расхода мелющих тел. Поставленная задача решается за счет того, что в чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром и железо; дополнительно вводится фосфор, алюминий, кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%: , , . Углерод 2.5-3,8 Кремний 0,6-3,0 Марганец . 0,1-4,5 Хром 0,1-6,0 Фосфор ' 0,07-0,80 Алюминий 0,05-0,50 Кальций 0,005-0,250 Железо Остальное В результате использования заявляемого изобретения достигается технический результат, который заключается в том, что у белого чугуна для мелющих тел появляется новое свойство - повышается кавитационно-эрозионная стойкость, ударостойкость и износостойкость, за счет этого обеспечивается снижение удельного расхода мелющих тел. Между существенными признаками заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом имеется причинноследственная связь осуществляемая благодаря взаимному влиянию фосфора, алюминия, кальция на формирование структуры чугуна в процессе отливки. Фосфор образует фосфидную эвтектику, механические свойства которой аналогичны свойствам высокохромистых карбидов. Алюминий при этом измельчает фосфидную эвтектику, уменьшает размер располагающегося вокруг эвтектики переходного слоя твердого раствора, охрупчивающего сплав, а также формирует плотный защитный слой, предохраняющий чугун от окисления. Образующиеся при вводе алюминия грубые угловатые включения окислов глобуляризуются под влиянием кальция, который также повышает концентрацию алюминия ъ твердом растворе и образует высокодисперсные собственные карбиды. Фосфор в составе чугуна образует фос55 фидную эвтектику, которая повышает кавитационно-эрозионную стойкость, износостойкость, сопротивление деформированию. Механические свойства фосфидной эвтектики в основном соответствуют свойствам износостойких карбидов (Сг, Ге)7Сз 21662 Однако введение в чугун феррофосфора взамен дорогостоящего феррохрома значительно снижает себестоимость чугуна, Введение совместно с фосфором алюминия D указанных пределах способствует 5 дроблению фосфидной эвтектики и равномерному ее распределению в литой структуре чугуна, что положительно впияет на ударостойкость и кавитационно-эрозионнуго стойкость чугуна. Крометого, алюминий 10 повышает прочностные свойства чугуна вследствие уменьшения охрупчивающего чугун переходного слоя, состоящего из твердого раствора, насыщенного фосфором и располагающегося вокруг фосфидной эвтек- 15 тики. Алюминий также увеличивает кавитационно-эрозионную стойкость за счет образования на поверхности мелющих тел в процессе эксплуатации плотного защитного окисла, предохраняющего чугун от окисле- 20 ния. Одновременно алюминий уменьшает количество углерода в металлической основе в результате замещения его атомов, способствуя тем самым увеличению количества карбидов, а следовательно, и росту износо- 25 стойкости чугуна. Кальций, введенный в чугун совместно с алюминием, переводит грубые угловатые включения окислов алюминия в шарообразные, что увеличивает кавитационно-эрози- 30 онную стойкость и ударостойкость. Кальций, вследствие частичной замены алюминия в образовании окислов, позволяет повысить степень легированности твердого раствора алюминием и тем самым увеличивает зрози- 35 онную устойчивость и прочностные свойства чугуна. Следует отметить также низкую стоимость кальция по сравнению с другими элементами-раскислителями, способными заменить алюминий. Кроме того, кальций в 40 составе чугуна оказывает упрочняющее дей- ствие на чугун вследствие образования собственного карбида, который армирует хрупкую цемеититную составляющую. В заявляемый чугун фосфор введен для 45 повышения кавитационно-зрозионной стойкости, износостойкости, ударостойкости чугуна за чет образования фосфидной эвтектики, механические свойства которой соответствуют свойствам хромистого карбида. 50 В заявляемом чугуне введение алюминия совместно с фосфором измельчает фосфидную эвтектику, уменьшает размер охрупчивающєга чугун переходного слоя твердого раствора вокруг фосфидной эвтек- 55 тики, а также образует защитный окисел, предотвращающий окисление чугуна, что оказывает благоприятное влияние на кавитационно-зрозионную стойкость и ударостойкость чугуна. В преложенном чугуне под влиянием кальция грубые угловатые включения оксилов алюминия приобретают глобуляризованную форму, повышается концентрация алюминия в твердом растворе, а также образуются высокодисперсные собственные карбиды кальция. В результате улучшаются характеристики ударостойкости и износостойкости чугуна. j Нижние пределы содеожания фосфора, алюминия, кальция выбраны исходя из экспериментально установленного факта начала проявления их влияния на ударостойкость, кавитационно-эрозионную стойкость и износостойкость. При содержании фосфора выше верхнего предела фосфидная эвтектика образует сплошную сетку, которая охрупчивает чугун и снижает его кавитационно-эрозионную стойкость. Введение алюминия выше верхнего предела способствует графитизации чугуна, образованию плен из окислов алюминия и снижению литейных свойст в (увеличивается объем усадочных раковин, литейной усадки), что приводит к повышениюуровня напряжений в отливках, а следовательно, к трещинам. Повышение в сплаве кальция выше приведенных концентраций нецелесообразно, т.к. карбиды располагаются нетолько равномерно в структуре, но и образуют скопления, снижающие ударостойкость и износостойкость. Кроме того при содержании кальция более 0,25% начинается процесс обезуглероживания сплава, т.к. образующиеся карбиды кальция всплывают в шлак, а это снижает количество высокотвердой составляющей и уменьшает износостойкость и кавитационно-эрозионнуга стойкость. В отличие от прототипа в заявляемом чугуне увеличено содержание кремния, что позволяет повысить кавитзционноэрозионную стойкость и износостойкость за счет повышения степени эвтектичности сплава. Увеличение концентрации марганца в предложенном чугуне способствует повышению дисперсности перлита, что приводит к увеличению твердости и износостойкости чугуна без снижения прочностных свойств. Снижение количества хрома обусловлено компенсирующим влиянием на эксплуатационную стойкость предложенного чугуна фосфора, как более экономичного элемента. Никель и молибден из предложенного чугуна исключены ввиду того, что они снижают износостойкость и твердость вследствие стабилизации аустенитной структуры при температурак эвтектического превращения. 21662 а также как дефицитные дорогостоящие элементы. Ванадий исключен как элемент, не обеспечивающий в указанных концентрациях существенного повышения кавитационно- 5 эрозионной стойкости, ударо- и износостойкости мелющих тел. Изобретение реализуется, например, путем определения служебных показателей заявляемого чугуна в сравнении с прототипом. 10 Для определения служебных показателей заявляемого чугуна были изготовлены 10 сплавов с граничными, выходящими за граничные и оптимальными соотношениями всех ингредиентов, а также с выходящими за 15 граничные и оптимальными соотношениями новых ингредиентов при фиксированных значениях остальных. Для обеспечения сопоставительного анализа с прототипом был также приготовлен сплав с известным соот- 20 ношением ингредиентов (см.таблица 1). Каждый сплав был выплавлен в лабораторных условиях в индукционной печи ИСТ016 с основной футеровкой. Завалку производили из расчета 200 кг чугуна в печи. 25 В качестве шихтовых материалов использовались, кг: Чугун литейный марки Л2, ЛЗ 39 Лом стальной 152 Электродный бой 1,86 30 что обеспечило получение заданных пределов содержания углерода, кремния, марганца. Для достижения нижних пределов хрома и фосфора в печь вводится 35 70%-ный феррохром (ГОСТ 4757-79} 3,00 кг 17%-ный феррофосфор (ТУ 14-5-72-80) 3.92 кг с учетом коэффициента Р для хрома 0,95; для 40 фосфора 0,90. 8 30%-ный силикокальций (ГОСТ 4762-79) в кусках вводится в печь совместно со всеми шихтовыми материалами в количестве 0,208 кг с учетом угара 16%, ' Нам дно ковша подают алюминий (ГОСТ 295-73)- 108 кг в кусках. Коэффициент усвоения алюминия 0,93. Заливка металла производилась в металлические формы при температуре 1350°С. Отливалось по 28 мелющих тел для испытаний на ударостойкость и кэвитационно-эрозионную стойкость и 5 - для определения износостойкости. Испытания на ударостойкость проводили на вертикальном копре и определяли ее как количество ударов до разрушения мелющего тела при падении на него с высоты 1 м груза массой 75 кгс. Кавитационно-эрозионная стойкость мелющих тел была определена в среде водопроводной воды с помощью диффузора при давлении воды на выходном конце 1,10 * 10 Н/м2, напорном давлении 31,7 • 10 Н/м 2 и скорости потока 22 м/с. Использовались образцы в виде пластинки размерами 20x40 мм и толщиной 3-5 мм. Для определения износостойкости из мелющих тел были выточены образцы диаметром 10 мм и длиной 25 мм. Испытания проводили на машине МИ-1м сухим трением скольжения образца по абразивному кругу при давлении 20 дин/см 2 и скорости вращения У-1,05 м/с. Проведенные испытания показали (табл.2), что по сравнению с прототипом предлагаемый чугун имеет более высокие ударостойкость на 9-12 ударов до разрушения, кавитационно-эрозионную стойкость на 18-23%, износостойкость на 20-30% при высоких показателях твердости и предела прочности при растяжении. 21662 10 Таблица 1 Характеристика химического состввз полученных чугуное Номер чугуна С S. Мп Сг Р AI Са 1 25 06 01 01 0 07 0.05 0 005 2 38 3,0 4.5 СО 0,80 0 50 0 250 3 24 05 0,09 0 09 оое 0 04 0 004 А 3,9 3,1 4.6 61 0.90 0 60 0 260 5 32 1 8 23 30 0 435 0 32 0 128 6 31 1.7 24 31 0 06 0 04 0 004 . 7 3 1 17 24 3.1 0.07 0 05 8 31 1,7 24 3.1 0 435 9 3,1 1.7 " 24 31 10 3.1 1,7 24 32 1,9 1.0 { N1 { Мо V Fe ост ---» -- -" -- 0 005 -- 0,32 0 128 -- 0.80 0 50 0 250 .-. 3,1 0 90 ОВД 0 260 • -" 93 19 0,17 0,27 • Прототип (авт. ев №1301863) -• Таблица 2 Показатели служебных свойств выплавленных чугунов Номер чугуна Кавитэционно Удзросюй эрозионнэя мг/м ч кость количество ударов до разрушения СТОЙКОСТЬ Износ г/м ч О носительнзя Твердость износостойкость % HR п • ИРГ Иредег. прочности при растяжении. кгс/мм 1 81 22 0.540 120 470 50 2 60 23 0,608 110 490 51 88 3 93 15 0 665 102 450 48 87 4 90 22 0 682 99 460 49 86 5 78 26 0.506 125 510 53 95 93 90 6 83 17 0.683 99 470 50 7 74 25 0.540 120 S0O 52 94 8 72 28 0 473 130 530 55 96 9 77 27 0.506 125 520 54 92 10 83 20 0.635 106 490 51 91 .94 16 0.675 100 440 47 86 101 5 0,722 93 295 34 80 Лросотил (ав ев И 1301863) Базовый объект (ав.св №945218) Упорядник Замовлення 4448 Техред М.Келемеш Коректор м. Керецман Тираж Підписне Державне патентне відомство України, 254655, ГСП, КиТв-53, Львівська пл., 8 Відкрите акціонерне товариство "Патент", м. Ужгород, вул.Гагаріна, 101