Передельный графитизированный чугун

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к изысканию доменных передельных графитизированных чугунов, предназначенных для замены литейных марок чугуна при производстве металлургического и машиностроительного литья. Технический результат изобретения - устранение склонности чугуна к отбелу и повышение его прочностных и пластических характеристик. Указанный результат достигается за счет того, что в графитизированном чугуне, содержащем углерод, кремний, марганец, титан, азот и железо, компоненты содержатся в следующем соотношении, мас. %: углерод 4,25-4,5; кремний 0,81-1,2; марганец 0,1-0,8; титан 0,01-0,1; азот 0,002-0,009; железо - остальное. При этом содержание углерода связанного составляет 0,4-0,8%, а отношение углерода связанного к углероду графита - 0,1-0,23. 3 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к изысканию доменных передельных графитизированных чугунов, предназначенных для замены литейных марок чугуна при производстве металлургического и машиностроительного литья.

В мировой практике основным видом продукции доменного производства традиционно является два вида чушковых чугунов: предельный, использующийся преимущественно для передела в сталь, и литейный чугун для нужд литейного производства. По химическому составу они отличаются в основном содержанием кремния и углерода, в том числе связанного. Литейные чугуны (Л1-Л6) высококремнистые и содержание кремния в них более 1,2 до 3,6% в зависимости от марки (ГОСТ 4832-80). Общее содержание углерода колеблется в пределах 3,8-4,1% В силу специфики производства природа этих чугунов такова, что они кристаллизуются серыми без отбела и содержание связанного углерода в них не превышает 0,9 (Александров Н.М. Лихачев А.Е. и др. Передельный доменный чугун в производстве чугунного литья. Серия С-6-1 Технология производства. Обзор. М. НИИМАШ, 1980, с.40.) Указанный наследственный признак сохраняется при ваграночном переплаве, что позволяет получать литые детали без отбела даже в тонких сечениях и при литье в кокиль. Именно по этой причине до настоящего времени в качестве основного компонента металлошихты ваграночной плавки литейщики предпочитают использовать высококремнистые литейные чугуны.

Вместе с тем, литейные чугуны характеризуются рядом отрицательных наследственных признаков. В чушках доменных литейных чугунов (ДЛЧ) благодаря специфике структурообразования графит располагается в виде грубых пластин (длина включений более 500 мкм) наблюдаются включения спели. Свободный цемент в чушках не выявляется. Доля феррита в структуре колеблется в пределах 50-70% Наличие большого количества спели, крупных включений графита, не успевающих растворяться при переплаве чугуна (особенно ваграночном) и являющихся центрами графитизации при кристаллизации отливок, повышенное содержание в литейных чугунах газов и неметаллических включений, низкие механические свойства часто не позволяют обеспечивать в готовом литье требуемую структуру и свойства. Кроме этого, производство высококремнистых литейных марок чугуна в черной металлургии сопровождается по сравнению с передельным снижением на 18-20% производительности доменных печей, повышенным (на 10%) расходом электроэнергии, трудовых и материальных ресурсов, например такого крайне дефицитного сырья, как кокс, что отрицательно влияет на уровень экономических показателей и экологию. В силу этого в настоящее время в металлургии наметилась тенденция сокращения производства высококремнистых марок литейного чугуна и замены его более экономичным низкокремнистым передельным чугуном.

Доменный передельный чугун (ДПЧ) марок П1 и П2 используется для передела в сталь, а ПЛ1 и ПЛ 2 для литейного производства (ГОСТ 805-80). Это высокоуглеродистые низкокремнистые чугуны и содержание кремния в них до 1,2% Этот чугун имеет существенные преимущества перед литейным. В ДПЧ всех марок по сравнению с литейным более чем в 10 раз ниже загазованность, в 2 раза меньше неметаллических включений. Доменные передельные чугуны по сравнению с литейными характеризуются лучшей жидкотекучестью, меньшей склонностью к усадке. Эти качества сохраняются при переплаве. Графит в чушковом передельном чугуне мелкий 40-60 мкм. Это обеспечивает большую плотность чугуна. ДПЧ на (10-15)% прочее доменного литейного. Однако в структуре присутствует междендритный графит, в металлической основе чушкового ДПЧ наблюдается значительное количество ледебурита и включений свободного цементита (до 50% площади поперечного сечения чушки). Природа этого явления заключается в том, что при переплаве мелкий междендритный графит растворяется и кристаллизация металла при прочных равных условиях происходит при более низких температурах со значительным переохлаждением. В результате этого, несмотря на то, что ДПЧ характеризуется по сравнению с высококремнистыми литейными чугунами более высоким содержанием общего углерода (4,2-4,6)% кристаллизация его протекает со значительным отбелом, содержание связанного углерода в чушковом передельном чугуне значительно выше и составляет 0,9-1,8% а отношение C_cв/C_гp превышает 0,24. Повышенная склонность ДПЧ к отбелу является наследственным признаком и сохраняется при вторичных переплавах. В результате этого качество литья ухудшается, увеличивается брак по отбелу, особенно при производстве тонкостенного и кокильного литья, что делает ДПЧ, несмотря на явные преимущества его перед литейным, во многих случаях непригодным для использования его при производстве литья. Поэтому в ряд первоочередных ставится проблема создания нового вида доменных передельных чугунов литейного класса, которые, сохранив все перечисленные выше преимущества его перед литейным, в то же время характеризовались бы положительным наследственным признаком, присущим литейным чугунам, а именно, отсутствием склонности к отбелу. Новый чугун должен сочетать в себе все положительные наследственные признаки доменных литейных и передельных чугунов.

Существующий в промышленности опыт использования для производства литья передельного синтетического чугуна с высоким (аналогичным литейному) содержанием кремния свидетельствует о том, что обычная корректировка химического состава чугуна по содержанию кремния не позволяет устранить склонность к отбелу, т.к. она не изменяет природу жидкой фазы. Одним из факторов, позволяющих влиять на жидкое состояние расплава, является изменение зародышевой фазы. Для этого необходимо не только создать графитизирующий эффект, но и сохранить его до момента кристаллизации чугуна. Подобный эффект обеспечивает "позднее" модифицирование расплава, сущность которого заключается в обработке чугуна непосредственно перед кристаллизацией малыми тонкодисперсными добавками графитизирующих реагентов, которые, практически не изменяя химического состава чугуна, создают условия для выделения свободного углерода при затвердевании. В результате повышается склонность к графитизации, измельчается эвтектическое зерно, ликвидируется графит междендритной ориентации и низкокремнистый передельный чугун приобретает новое качество, позволяющее ему кристаллизоваться без отбела. Содержание углерода связанного и отношение C_cв/C_rp в этих чугунах аналогичны высококремнистым литейным маркам чугуна.

Новые наследственные признаки, приобретенные передельным чугуном в результате "позднего" модифицирования, сохраняются при вторичных переплавах.

В настоящее время в связи с распространением в металлургии способов внепечной обработки металлов порошковой проволокой появилась возможность воздействовать на зародышевую фазу, управлять наследственностью и практически без изменения химического состава придать им новое качество.

Руководствуясь данной теоретической предпосылкой, создано принципиально новое поколение передельных чугунов с новыми наследственными признаками.

Известен чушковый доменный передельный чугун ПЛI следующего состава, мас. углерод 4,0-4,5; кремний 0,8-1,2; марганец до 1,5; железо остальное (ГОСТ 805-80 чугун передельный).

Достоинства и недостатки этого чугуна изложены выше. Из-за высокой склонности к отбелу использование чугуна ПЛ1 для производства литых деталей проблематично.

Известен чугун, мас. углерод 3,8-4,3; кремний 0,2-1,2; марганец 0,2-1,2; алюминий 0,5-2,0; кальций 0,02-0,05; железо остальное (авт.св. СССР N 428034 C 22 С 37/10, 1976).

Этот чугун, несмотря на высокое содержание в нем графитизаторов, в том числе такого стильного графитизатора, как алюминий, после ваграночного переплава кристаллизуется со значительным отбелом, который в изломе стандартной клиновой пробы занимает 35% площади поперечного сечения. Кроме того, при высоком содержании алюминия в чугуне образуется значительное количество плен, понижается его жидкотекучесть и возрастает склонность чугуна к усадке. Механические свойства этого чугуна низкие, предел прочности на разрыв не превышает 100 МПа.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату являются чугун (авт.св. СССР N 441332, C 22 C 37/00,1974), содержащий компоненты в следующем соотношении, мас. углерод 3,4-4,3; кремний 0,6-2,0; марганец 0,4-1,7; титан 0,04-0,1; азот 0,01-0,015; железо - остальное. Примеси, мас. серы до 0,12; фосфор до 0,20.

Известный чугун в основном имеет удовлетворительные показатели прочности. В то же время при низком кремнии и высоком марганце известный чугун кристаллизуется белым, сохраняя повышенную склонность к отбелу при вторичных переплавах. Параллельно с этим, при низком титане и азоте, содержание которого превышает равновесное для образования нитридов (более 0,01%), служащих активными центрами графитообразования, последний, находясь в свободном состоянии, растворяется в матрице, усиливает стабилизирующий эффект и увеличивает склонность чугуна к отбелу.

Задача изобретения усовершенствовать состав передельного графитизированного чугуна путем изменения количественного содержания компонентов, что позволит полностью нейтрализовать склонность чугуна к отбелу и повысить его прочностные и пластические характеристики.

Согласно изобретению в передельном графитизированном чугуне, содержащем углерод, кремний, марганец, титан, азот и железо, компоненты содержатся в следующем соотношении, мас. углерод 4,25-4,5; кремний 0,81-1,2; марганец 0,1-0,8; титан 0,01-0,1; азот 0,002-0,009; железо остальное; при этом содержание углерода связанного составляет 0,4-0,8% а отношение углерода связанного к углероду графита 0,1-0,23.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в том, что предложеное соотношение компонентов, в том числе углерода связанного и графитного, позволяет полностью нейтрализовать склонность чугуна к отбелу, повысить прочностные и пластические характеристики. Полученный эффект полностью сохраняется при вторичных ваграночных переплавах и использование предлагаемого чугуна в качестве моношихты вторичной плавки обеспечивает производство качественных литых деталей, в том числе тонкостенных и кокильных, без отбела.

Нижний предел по содержанию углерода и кремния определен и их сильной графитизирующей способностью. При C<4,25 и Si<0,81 в чугуне увеличивается содержание С_св, появляются междендритные формы графита и крупные включения ледебурита и свободного цементита, увеличивается склонность к отбелу.

С другой стороны, при повышенном содержании углерода и кремния сильно укрупняется графит, появляется спель и понижаются прочностные и пластические свойства. Поэтому содержание углерода и кремния в заявляемом чугуне не должно превышать 4,5% и 1,2% соответственно.

Марганец понижает активность углерода, уменьшает скорость его диффузии и скорость роста графита, тормозит графитизацию и увеличивает склонность к отбелу. Этим обусловлен верхний предел содержания марганца. В то же время марганец перлитизирует и упрочняет металлическую основу чугуна, повышает его прочностные свойства. В связи с этим уменьшение содержания марганца менее 0,1% сопровождается падением прочностных характеристик.

Титан, образуя различные устойчивые соединения (карбиды, нитриды, карбонитриды), служащие активными зародышами для графита, способствует графитизации, несмотря на то, что является активным карбидообразующим элементом. Параллельно с этим титан в заявляемых пределах концентрации измельчают графит, эвтектическое зерно, способствует увеличению плотности и прочности металла, препятствует образованию спели. Поэтому содержание титана должно превышать 0,01% В то же время увеличение содержания титана более 0,1% усиливает тенденцию к образованию междендритных форм графита, что ухудшает прочностные характеристики. Ti, растворяясь в матрице, усиливает склонность чугуна к отбелу при вторичных переплавах.

Азот в присутствии нитридообразующего элемента, в данном случае титана, способствует образованию многочисленных активных центров графитизации, активизирует процессы выделения свободного углерода и уменьшает опасность отбела. Кроме этого, азот устраняет междендритные формы графита и упрочняет металл. Этим обусловлен нижний предел содержания азота. В то же время увеличение содержания азота более 0,009% в присутствии титана сопровождается не только увеличением количества графитовой фазы, но и увеличением размеров графитовых включений, образованием спели. Это снижает прочностные характеристики и уменьшает прочность металла. Кроме этого, при увеличении содержания азота увеличивается опасность образования газовой пористости. Поэтому содержание азота в предлагаемом чугуне не превышает 0,009% Содержание углерода связанного (С_св ) и отношение С_св/C_гр не должны быть ниже 0,4% и 0,1 соответственно в связи с увеличением в структуре чушкового чугуна ферритной составляющей, что способствует снижению прочностных характеристик. При увеличении С_св больше 0,8% и отношении углерода связанного к углероду графита (С_св/С_гр) более 0,23 увеличивается количество свободного цементита, ледебурита и склонность чугуна к отбелу при переплавах.

На основании вышеизложенного предлагается графитизированный передельный чугун литейного класса с новым наследственным признаком оптимального химического состава, мас. углерод 4,3; кремний 1,1; марганец 0,5; титан 0,07; азот 0,006; углерод связанный 0,6; С_св/С_гр 0,16.

Чугун предлагаемого состава может быть получен путем выплавки передельного чугуна в доменной печи и последующего "позднего" модифицирования его порошковой проволокой с графитизатором при разливке в чушки.

Пример. Доменный передельный чугун при выпуске из доменной печи содержит, мас. углерод 4,25-4,5; кремний 0,7-1,0; марганец 0,1-0,8; титан 0,01-0,1; азот 0,002-0,009; С_св 1,2-1,4; С_св/С_гр≥0,36. Чугун в чугуновозном ковше направляют на разливмашину, где производится "позднее" модифицирование его порошковой проволокой с тонкодисперсным ферросилицием, подаваемой в чугун с помощью трайб-аппарата. Температура модифицирования 1340-1380^oC. "Позднее" модифицирование при незначительном (на 0,11-0,20%) увеличении содержания кремния позволило не менее чем в 1,5 раза снизить содержание в чугуне С_св и отношение С_св/С_гр. Химический состав чугуна после "позднего" модифицирования следующий, мас. углерод 1,25-4,5; Si 0,81-1,2; марганец 0,1-0,8; титан 0,01-0,1; азот 0,002-0,009; углерод связанный 0,4-0,8; отношение C_св/C_гр до 0,23. Для сравнения в доменной печи плавили чугун известного химического состава.

Для исследования качества предлагаемого и известного чушкового чугуна на разливмашине отбирали несколько чушек по ходу разливки металла. Исследовали характер излома и микроструктуру чугуна в поперечном сечении чушки. Параллельно с этим в сухие песчано-глинистые формы заливали стандартные заготовки для испытаний на прочность при растяжении и изгибе (ГОСТ 24645-81, ГОСТ 16818-71).

Известный и предлагаемый чушковые чугуны использовали взамен литейного в составе шихты ваграночной плавки при производстве литых деталей. Кроме этого, в обоих случаях в состав шихты входили обычные компоненты: возврат, стальной лом и ферросплавы. Во всех вариантах плавили ваграночный чугун СЧ15 состава, мас. углерод 3,7; кремний 2,1; марганец 0,7; титан 0,07; азот 0,006; сера до 0,1; фосфор до 0,1. Характер излома, микроструктуру и твердость ваграночного чугуна исследовали на тонких пластинах размером 5х50х100 мм, заливаемых в песчано-глинистые формы. Прочность на разрыв и изгиб испытывали на стандартных пробах (ГОСТ 24645-81 и ГОСТ 16818-71). Критерием оценки качества известного и предлагаемого чугуна в чушках и после переплава служили глубина отбела, соотношение структурных составляющих, состояние графитной фазы, прочность на разрыв и изгиб; относительное удлинение и стрела прогиба. Результаты исследования чушкового чугуна до и после ваграночного переплава представлены в табл. 1 3.

Предлагаемое соотношение компонентов в предлагаемом чугуне при соблюдении содержания С_св в пределах 0,4-0,8 и отношении С_св/С_гр до 0,23 позволяет полностью нейтрализовать отбел на 20% повысить прочностные характеристики и не менее чем в 1,5 раза пластические.

Формула изобретения

Передельный графитизированный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, титан, азот и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.

Углерод 4,25 4,5 Кремний 0,81 2,1 Марганец 0,1 0,8 Титан 0,01 0,1 Азот 0,002 0,009 Железо Остальное при этом содержание углерода связанного составляет 0,4 0,8 мас. а отношение количества углерода связанного к углероду в форме графита 0,1 - 0,23.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3