Чугун

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов высокопрочных чугунов, которые могут быть использованы для изготовления высоконагруженных деталей автомобилей, например коленчатых валов, запорной арматуры в нефтегазодобывающей отрасли. Предложенный чугун содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%: углерод 3,0 - 3,8, кремний 1,6 - 2,8, марганец 0,06 - 0,4, хром 0,05 - 0,15, ванадий 0,04 - 0,2, титан 0,01 - 0,1, магний 0,04 - 0,08, медь 0,05 - 1,8, сера ≅ 0,02, фосфор ≅ 0,1, железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение механических характеристик чугуна в литом состоянии и повышение его обрабатываемости. Чугун в литом состоянии не содержит структурно-свободного цементита. Предел прочности на растяжение в литом состоянии составляет 500 -1000 МПа, предел текучести 330 - 550 МПа, относительное удлинение 5-15%, твердость 170 - 300 НВ. 2 табл.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке составов высокопрочного чугуна для изготовления высоконагруженных деталей автомобилей, например коленчатых валов; запорной арматуры в нефтегазодобывающей отрасли.

Известен чугун следующего хим. состава, мас. %: C-2,6-3,5; Si-1,2-1,8; Mn-0,3-0,8; Cr-0,2-0,5; Ti-0,1-0,4; Al-0,1-0,2; Cu 0,1-1,1; Ca-0,02-0,08, Sb, Te-0,01-0,07; B-0,001-0,02; Mo-0,1-0,9; V-0,1-0,25; РЗМ 0,002- 0,03; Fe- OCT. (a.c. N1068530, C 22 C 37/06, 21.03.84 г.) Высокое содержание марганца, хрома и бора, относящихся к классу карбидообразующих элементов, приводит к получению большого количества структурно-свободного цементита, что резко снижает пластичность чугуна и повышает его твердость в литом состоянии. Ухудшение пластичности приводит к хрупкости чугуна, а повышение твердости к ухудшению его обрабатываемости.

Известен также чугун следующего хим.состава, мас.%: C-2,8-3,5; Si-0,5-1,8; Mn-0,15-0,60; Cr-0,5-1,5; Cu 0,5-2,5; Mo-0,1-1,0; Ni-2,0-4,5; РЗМ 0,05- 0,20; Fe- ост.

(a.c. N1701753, C 22 C 37/06, 30.12.89 г.) Значительное содержание хрома и молибдена в этом составе чугуна также обуславливает получение перлитокарбидной структуры в отливках, которая отличается высокой твердостью более 320 НВ и низкой пластичностью (относительное удлинение менее 2%). Кроме того, отсутствие в составе чугуна магния не обеспечит получение в нем шаровидной формы графита, которая в основном и ответственна за получение требуемых свойств и структуры.

Наиболее близким по технической сущности является чугун следующего хим. состава, мас.%: C-2,8-3,8; Si-0,2-1,2; Mn-0,1-0,8; Cr-0,1-0,6; Cu 0,02-0,30; Ti-0,01-0,05; N-0,07-0,30; V-0,15-0,80; Mg-0,003-0,08; Fe-ост.

(a.c. N1548246, C 22 C 37/10, 07.03.90 г.) Высокое содержание марганца в чугуне (до 0,8%) снижает пластичность высокопрочного чугуна, т.к. последний, концентрируясь на границах эвтектических зерен, вследствие его прямой ликвидации способствует образованию в этих местах структуры с повышенным содержанием марганца по сравнению со средним количеством в металлической матрице.

Высокое содержание хрома приводит к образованию в структуре большого количества свободных карбидов, которые снижают пластичность чугуна и ухудшают его обрабатываемость. Карбидообразующее действие хрома повышает склонность чугуна к микроусадочным процессам, что является причиной снижения предела прочности при растяжении, предела текучести и относительного удлинения.

Высокое содержание ванадия также способствует интенсивному карбидообразованию, что также снижает комплекс конструкционных свойств чугуна.

Низкое содержание магния в этом составе приводит к получению несовершенных глобул графита вплоть до вермикулярной формы, при наличии которой достичь высоких свойств в чугуне в литом состоянии невозможно.

Известный состав не обеспечивает получение требуемого комплекса механических характеристик чугуна в отливках в литом состоянии.

Задачей предполагаемого изобретения является повышение механических характеристик чугуна в литом состоянии без структурно-свободного цементита, а также повышение его обрабатываемости в литом состоянии.

Решение поставленной задачи достигается выбором граничных пределов содержания компонентов в чугуне, мас.%: Углерод - 3,0-3,8 Кремний - 1,6-2,8 Марганец - 0,06-0,4
Медь - 0,05-1,8
Хром - 0,05-0,15
Ванадий - 0,04-0,2
Титан - 0,01-0,1
Магний - 0,04-0,08
Сера - ≅0,02
Фосфор - ≅0,1
Железо - Остальное
Технический результат, который получен при осуществлении изобретения, заключается в том, что в результате его использования получается чугун с таким комплексом механических характеристик в литом состоянии: предел прочности при растяжении 500-1000 МПа, предел текучести 330-550 МПа, относительное удлинение 5-15%, твердость 170-300 НВ.

В зависимости от свойств структура характеризуется высоким содержанием феррита для чугуна с высоким относительным удлинением и прочностью до 500 МПа и со 100% высокодисперсной феррито- цементитной смеси (перлита, сорбита) для чугуна с пределом прочности 850-1000 МПа и относительным удлинением не менее 5%. Только наличие всех без исключения компонентов в указанном диапазоне дает возможность получить указанный выше технический результат.

Пределы содержания углерода (3,0-3,8%) выбраны, исходя из условий получения заданного высокого комплекса свойств в отливках, кристаллизующихся с различной скоростью охлаждения. Указанное содержание углерода обеспечивает оптимальные условия формирования графитовых включений в правильной шаровидной форме в отливках различного сечения. Содержание углерода ниже 3,0% приведет к ухудшению шаровидной формы графита, появлению структурно-свободного цементита и усадки в отливках с толщиной стенок от 10 и менее мм.

Высокое содержание углерода (более 3,8%) приводит к обильному выделению графитовых включений уже в жидком расплаве, при кристаллизации которого в отливке последние всплывают и образуют дефекты, известные под названием графитовой спеси. Повышение углерода сверх названного предела способствует также укрупнению структурных составляющих феррито-цементной смеси (перлита) и образованию свободного феррита, что снижает уровень указанных выше максимальных механических свойств чугуна.

Содержание кремния в пределах 1,6-2,8% выбрано из условий интенсивного влияния этого элемента как на процесс графитизации и формирования правильной шаровидной формы графита, так и на механизм структурообразования металлической матрицы чугуна. Заданные пределы содержания кремния в чугуне создают благоприятные условия формирования требуемых форм графита и необходимого соотношения основных структурных составляющих в металлической матрице чугунов с различным комплексом механических свойств. Низкое содержание кремния (менее 1,6%) приводит к образованию структурно-свободного цементита, отбелу и усадочных дефектов в отливках с толщиной стенок менее 10 мм. Высокое содержание кремния в отливках способствует обильному графитообразованию, укрупнению графитовых глобулей и образованию свободного феррита в отливках сечением более 60 мм. Эти факторы не позволяют получить максимальные механические свойства в указанных отливках.

Марганец, как элемент, обладающий прямой ликвацией, локализуется преимущественно в тех местах, которые кристаллизуются в процессе эвтектического превращения последними и формируют границы эвтектического зерна. Увеличение количества марганца выше указанного предела приводит к утолщению границ эвтектических зерен, что обуславливает резкое падение пластичности (относительного удлинения) и прочности чугуна в отливках независимо от их толщины стенок.

Хром в заявленных пределах 0,05-0,15% в металлической матрице чугуна находится в твердом растворе железа, упрочняет его и способствует диспергированию ферритно-цементной смеси (перлита). Такое влияние хрома в указанных пределах способствует формированию высокопрочной металлической матрицы в отливках, кристаллизующихся с различными скоростями охлаждения. Меньшее содержание хрома (ниже 0,05%) не внесет положительного вклада в формирование высокодисперсной структуры и высоких свойств, а большее (выше 0,15%) приводит к образованию свободного цементита и снижению пластичности чугуна.

Ванадий, как высокоактивный элемент, в количествах 0,04-0,2% способствует рафинированию чугуна от кислорода, упрочняет металлическую матрицу за счет растворения в твердом растворе железа. Меньшее содержание (менее 0,04%) утрачивает положительное влияние ванадия, а большее (более 0,2%) приводит к образованию высокотвердых карбидов, снижающих пластичность чугуна.

Титан, как элемент, обладающий высоким сродством к кислороду, рафинирует жидкий расплав чугуна и способствует высокоэффективному последующему усвоению магния в процессе сферодизирующего модифицирования чугуна этим элементом. Оптимальное содержание титана составляет 0,01-0,1%. Меньшее содержание титана (менее 0,01%) малоэффективно, большее (выше 0,1%) приводит к искажению шаровидной формы графита.

Медь при содержании 0,5-1,8% способствует упрочнению металлической матрицы через механизм твердорастворного упрочнения и за счет выделения мелкодисперсных частиц в ферритоцементной смеси (перлита). Кроме того медь в этих количествах играет роль графитизирующего элемента при переходе чугуна из жидкого в твердое состояние.

Меньшее содержание меди (ниже 0,5%) неэффективно, т.к. механизмы упрочнения перестают работать в заявленной химической композиции чугуна, а большее содержание (выше 1,8%) нецелесообразно с экономической точки зрения.

Остаточное содержание магния в чугуне в количестве 0,04- 0,08% обеспечивает получение правильной шаровидной формы графита в чугуне в отливках, кристаллизирующихся с различными скоростями охлаждения. Уменьшение остаточного содержания магния (ниже 0,04%) приводит к образованию смешанной формы графита в чугуне шаровидной и вермикулярной. Увеличение - более 0,08% огрубляет (искажает) шаровидную форму графита, повышает склонность чугуна к отбелу. В том и другом случаях ухудшается структура металлической матрицы и снижаются механические свойства.

В предлагаемом чугуне повышение содержание углерода, кремния, меди и магния, уменьшение содержания марганца, хрома и ванадия и исключение из состава азота по сравнению с известным чугуном позволяют получить высокий комплекс механических свойств чугуна в отливках в литом состоянии.

Чугун выплавляют в дуговой, индукционной или другой печи, обеспечивающих эффективный переплав шихты и перегрев расплава перед выпуском до температуры 1500-1550^oC.

В качестве шихтовых материалов используют стальной лом, возврат собственного производства (литники, прибыли) высокопрочного чугуна, электродный бой, передельный чугун или ему подобный железоуглеродистый сплав, содержащий ванадий, хром, титан. В дуговую (или другую) печь загружают последовательно электродный бой, стальной лом, чугун, возврат. По расплавлению вводят расчетное количество меди. Магний в виде лигатуры ФСМГ 7К03 или любой другой, содержащий не менее 6-8% магния, вводится методом внутриформенного модифицирования.

Для получения в готовых отливках 0,04-0,08% остаточного магния расчетное количество модификатора составляет 0,8-1,2% от металлоемкости литейной формы. Чугун в формы заливается при температуре 1350-1460^oC.

Выбивка отливок из форм производится через 30-40 мин или, исходя из условий работы конкретного литейного цеха, через 1-2 часа, или на следующий день, или смену. Механические свойства чугуна определяют либо на образцах, приготовленных из отдельно отлитых клиновидных проб, либо образцы вырезают непосредственно из отливок. Форма и размеры образцов для механических испытаний соответствуют требованиям соответствующих стандартов. Структура чугуна определяется на образцах, подвергнутых механическим испытаниям, со стороны, противоположной плоскости разрыва. Химические составы и механические свойства известного и предлагаемого чугунов приведены в таблицах 1, 2 соответственно.

Как следует из таблицы 1 и 2 заявленное изобретение позволяет повысить по сравнению с известным чугуном предел прочности в 1,4-2,5 раза, предел текучести в 1,2-1,9 раза, относительное удлинение в 1,2-1,9 раза.

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, хром, ванадий, титан, магний, серу, фосфор и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении мас.%:
Углерод - 3,0 - 3,8
Кремний - 1,6 - 2,8
Марганец - 0,06 - 0,4
Хром - 0,05 - 0,15
Ванадий - 0,04 - 0,2
Титан - 0,01 - 0,1
Магний - 0,04 - 0,08
Медь - 0,05 - 1,8
Сера - ≅ 0,02
Фосфор - ≅ 0,1
Железо - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2