Способ получения различной структуры металлической матрицы в заготовках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом из литого состояния

 

Изобретение относится к области металлургии. Заготовку из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом получают литьем в металлическую, песчаную или керамическую форму. Заготовку извлекают из формы при 900-1000^oС и быстро переносят в жидкую ванну с постоянной температурой закалочной среды. Температуру закалочной среды определяют в зависимости от требуемой структуры металлической матрицы заготовки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Каждой структуре металлической матрицы соответствует рекомендуемая температура закалочной среды: ферритной - 750-850^oС; перлитной - 650-740^oС; сорбитной - 550-640^oС; трооститной - 450-540^oС; верхнебейнитной 350-440^oС, нижнебейнитной - 290-340^oC. Изотермическая выдержка заготовки в жидкой ванне определяется полнотой структурного превращения. После выдержки заготовки в ванной определенное время ее извлекают и охлаждают на воздухе. Способ позволяет получить заготовки с требуемыми механическими и эксплуатационными свойствами непосредственно из литого состояния без применения термообработки и легирования специальными элементами. Применение способа приводит к значительной экономии средств и позволяет сократить длительность технологического процесса получения отливок из высокопрочного чугуна с различной структурой металлической матрицы.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способу получения заготовок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с заданной микроструктурой и требуемыми механическими и эксплуатационными свойствами.

Известен способ [1, с.116-164] получения в отливках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом различных структур металлической матрицы за счет легирования специальными элементами. Недостатком способа является использование повышенного количества в качестве легирующих элементов дорогих и дефицитных хрома, никеля, молибдена, ванадий, марганца, меди, олова, сурьмы, что значительно увеличивает стоимость отливок и не обеспечивает стабильного получения заданных структур.

Известен способ [2, с.692-704 и 3, с.290-301] получения в отливках из нелегированного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом различных типов структур за счет применения разных видов термообработки. Недостатками способа являются: применение термической обработки повышает себестоимость и не обеспечивает стабильного получения заданной структуры; удлиняет технологический процесс; использование для получения различной структуры металлической матрицы индивидуальных видов термообработки для конкретных отливок не позволяет унифицировать оборудование и затрудняет контроль режимов термической обработки.

Наиболее близким по техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ [4] получения отливок из нелегированного или низколегированного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с бейнитной матрицей, при котором из формы извлекают горячую отливку и проводят изотермическую выдержку ее в термической печи при 850-1000^oС продолжительностью от 10 мин до 2 ч закаливают ее в масле при температуре бейнитного превращения, но выше температуры мартенситного превращения; закалка заканчивается после достижения отливкой температуры ниже предела перлитной области; затем производят изотермическую выдержку в термической печи при температуре ниже 400^oС; после чего тонкие части отливки приобретают структуру нижнего бейнита, утолщенные - верхнего бейнита.

Однако этот способ имеет следующие недостатки. Применение промежуточной изотермической выдержки при 850-1000^oС и ступенчатой закалки в масле удлиняет технологический процесс и приводит к дополнительным затратам, при этом не представляется возможным определение необходимого времени выдержки в закалочной ванне, что не гарантирует получение требуемых структур в отливке. Последующий перенос отливки в термическую печь удлиняет и удорожает процесс; способ ограничивается только получением бейнитных структур, при этом структура по сечению заготовки получается неоднородная.

Техническим результатом изобретения является разработка способа стабильного получения в отливках из нелегированного и низколегированного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом заданных механических и эксплуатационных свойств за счет требуемой структуры металлической матрицы ферритной, перлитной, сорбитной, трооститной, нижнебейнитной, верхнебейнитной.

Технический результат достигается тем, что чугун из железоулеродистой шихты выплавляют в электропечи, расплав при сливе в ковш модифицируют магнийсодержащими лигатурами для получения в отливках графитных включений шаровидной формы. Отливки получают в песчаные, металлические или керамические формы Отливки извлекают из форм при температуре выше эвтектоидного превращения - 900-1000^oС и быстро в течение 5-15 с перемещают в жидкую ванну с температурой, определяемой требуемым типом структуры. Рекомендуемые интервалы температур для получения в отливках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом различных структур металлической матрицы. Каждой структуре металлической матрицы соответствует рекомендуемая температура закалочной среды: ферритной - 750-850^oС; перлитной - 650-740^oС; сорбитной - 550-640^oС; трооститной - 450-540^oС; верхнебейнитной - 350-440^oС; нижнебейнитной - 290-340^oС.

Варьируя температуру закалочной среды, можно получать широкий диапазон структур металлических матриц в отливках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. При этом достигается однородная структура по сечению отливки.

Время выдержки отливок в жидкой ванне определяется толщиной стенки, конфигурацией отливки и требуемой структурой металлической матрицы. Оно может составлять от 30 мин до 5 ч.

После заданной выдержки в жидкой ванне отливки из нее извлекают, и последующее их охлаждение производят на воздухе.

В результате получают отливки из нелегированного и низколегированного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с требуемой структурой металлической матрицы.

Такой способ получения различных типов структур металлической матрицы в заготовках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом был выбран на основе экспериментального исследования влияния разных режимов охлаждения отливок непосредственно из литого состояния.

Температура извлечения отливок из формы должна обеспечивать получение в них аустенитной структуры. Это сокращает технологический процесс и не требует дополнительной изотермической выдержки при температурах выше эвтектоидного превращения. При этом шаровидная форма графита в отливках сформировалась при кристаллизации. Поэтому отливка при температуре извлечения из формы имеет аустенитную структуру металлической матрицы с включениями графита шаровидной формы. Для отливок, имеющих сложную конфигурацию, время извлечения их из формы необходимо определять из расчета температуры наименьшего сечения отливки.

Быстрый перенос отливки непосредственно в закалочную ванну с температурами, определяемыми требуемыми структурами металлической матрицы, необходим для регулирования скорости диффузионных процессов, которые и определяют формирование конечной структуры в отливках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Такой перенос ускоряет процесс получения конечных структур в отливках и препятствует возможному возникновению брака при использовании ступенчатой термообработки.

В качестве закалочной среды применяют жидкие соляные и легкоплавкие металлические сплавы с рабочими интервалами 280-900^oС.

Получаемая структура определяется интервалами температур изотермической выдержки и временем выдержки отливки в ванне при этой температуре, она находится в прямой зависимости от диаграммы изотермического распада аустенита нелегированного и низколегированного высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.

При толщине стенки отливки более 20 мм чугун необходимо дополнительно легировать, мас. %: молибден 0,1; никель 0,2. Это улучшает прокаливаемость отливок и способствует получению более однородной структуры. Дополнительного легирования следует избегать в случае получения ферритной структуры металлической матрицы.

Технический результат, реализуемый при осуществлении изобретения, заключается в получении заготовок из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с требуемыми механическими и эксплуатационными характеристиками. Это достигается получением структуры металлической матрицы, которая обеспечивает требуемый уровень механических и эксплуатационных свойств непосредственно из литого состояния с использованием предварительного извлечения отливки из формы и изотермической выдержки их при температурах, определяемых требуемым типом структуры, без применения повторной термообработки. Отливки, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств по сечению отливки и могут широко использоваться в различных отраслях народного хозяйства.

Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов.

Плавку чугуна осуществляют в плавильных электропечах, а его модифицирование - магнийсодержащими лигатурами при сливе расплава в ковш. Отливки получают путем заливки жидкого чугуна в песчаные, металлические или керамические формы. Отливки извлекают из форм при 900-1000^oС и быстро перемещают в ванну с постоянной температурой закалочной среды, определяемой требуемым типом структуры металлической матрицы. После выдержки отливок в закалочной ванне в течение заданного времени их извлекают из нее, и последующее охлаждение их проводят на воздухе.

Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок с требуемыми микроструктурой и свойствами.

Пример. В плавильной электропечи расплавляли шихтовые материалы и получали низколегированный чугун. При температуре расплава 1380^oС его сливали в ковш, в который предварительно засыпали 2% от массы расплава дробленую магнийсодержащую лигатуру ФСМг-6 (ТУ 14-5-134-86), что обеспечивало после модифицирования следующее содержание в чугуне элементов, мас.%: углерод - 3,4; кремний - 2,6; марганец - 0,28; фосфор - 0,06; сера - 0,015; магний - 0,047; никель - 0,2; железо - остальное.

Из модифицированного чугуна получали отливку с различной толщиной стенки по сечению от 10 до 35 мм путем заливки его в песчано-глинистую форму. Часть отливок извлекалось из формы при температуре в наименьшем сечении 920^oС и быстро перемещались в свинцово-оловянистую ванну с температурой среды 350^oС. Отливки выдерживались в ванне 45 мин, последующее охлаждение их производилось на воздухе.

Из различных частей отливки изготавливались шлифы, по которым изучали микроструктуру высокопрочного чугуна с шаровидным графитом. Исследование показало, что во всех частях отливки структура - верхний бейнит. Таким образом, структура отливок отличается от структуры прототипа однородностью и квазиизотропией свойств.

Себестоимость полученных отливок на 25% ниже себестоимости отливок прототипа.

Длительность технологического процесса получения бейнитных структур сократилось по сравнению с прототипом на 40 мин и более.

Другая часть отливок извлекалось из формы при температуре в наименьшем сечении 920^oС и быстро перемещались в свинцово-оловянистую ванну с температурой 480^oС. Отливки выдерживались в жидкой ванне 50 мин, последующее охлаждение их производилось на воздухе.

Исследовалась микроструктура отливок, исследование показало, что во всех частях отливки структура - троостит.

Заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получать в отливках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом широкий диапазон структур металлических матриц, обеспечивающих требуемый уровень механических и эксплуатационных свойств.

Источники информации 1. Гиршович Н. Г. Кристаллизация и свойства чугуна в отливках./ М.-Л.: Машиностроение, 1966, с.116-164.2.

2. Машиностроение. Энциклопедия. / Ред. совет: К.В. Фролов и др. - М.: Машиностроение. Стали. Чугуны. Т. 11-2 /Под общ. ред. О.А. Банных и Н.Н. Александрова. 2000, с.692-704.

3. Чугун. Справочник. /Под ред. А.Д. Шермана и др. - М.: Металлургия, 1991,с.290-301.

4. Патент Франции 2590508, B 22 D 27/20, C 21 D 1/20, 1987 г.

Формула изобретения

Способ получения заготовки из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом с различной структурой металлической матрицы в литом состоянии, включающий выплавку, легирование и модифицирование чугуна, получение отливки в песчаную, металлическую или керамическую форму, извлечение ее из формы при заданной температуре, перемещение в жидкую ванну с заданной температурой, выдержку при этой температуре и последующее охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что отливки извлекают из формы при 900-1000^oС и быстро перемещают в жидкую ванну с температурой, определяющейся требуемой структурой металлической матрицы, выдерживают в ванне определенное время, зависящее от конфигурации заготовки и требуемого типа структуры металлической матрицы, при этом изменением температуры жидкой ванны можно получать широкий диапазон структур металлических матриц, каждой из которой соответствует рекомендуемая температура закалочной среды: ферритной - 750-850^oС; перлитной - 650-740^oС; сорбитной - 550-640^oС; трооститной - 450-540^oС; верхнебейнитной - 350-440^oС; нижнебейнитной - 290-340^oС.