Чугун и способ его получения

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокими механическими свойствами, в том числе при динамическом нагружении. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,03-3,52; кремний 3,68-4,20; марганец 0,21-0,43; медь 0,61-1,12; никель 1,29-2,16; молибден 0,20-0,47; магний 0,025-0,058; барий 0,03-0,06; РЗМ 0,02-0,06; железо и примеси - остальное. Чугун выплавляют в индукционной печи, обрабатывая его перед выпуском из печи ферросилицием, обработку в ковше проводят комплексным модификатором Fe-Si-Mg-Ca-Ва-РЗМ и заливают в сухие песчано-глинистые формы. Отливки подвергают термической обработке путем неполной аустенитизации при 850-890°С, 1-2 ч и изотермической закалки с выдержкой 1,5-2 ч при 320-350°С в ваннах с легкоплавким металлическим расплавом или расплавом соли, или 2-3 ч в термической печи с обычной атмосферой. Чугун обладает высокими и стабильными механическими свойствами в отливках разной конфигурации с различной толщиной стенки. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокими механическими свойствами, в том числе и при динамическом нагружении.

Сочетание высоких механических свойств (прочности, пластичности и ударной вязкости) в чугунах с шаровидным графитом получают путем выбора их необходимого химического состава и способа получения, включая термическую обработку отливок.

Известен чугун [1], содержащий, мас.%:

Углерод	3-4
Кремний	1,5-2,3
Марганец	до 0,3
Хром	до 0,1
Никель	0,5-2
Магний	0,02-0,06
Висмут	0,0015-0,015
Железо и примеси	остальное

Углеродный эквивалент для чугуна должен быть в пределах 3,9-4,6%. Этот чугун после двухступенчатого ферритизирующего отжига (900°С, 2 часа и 720°С, 2 часа) имеет ферритную структуру с равномерно распределенными мелкими графитовыми включениями, что обеспечивает изделиям высокие пластические свойства и ударную вязкость.

Недостатком чугуна являются низкие значения прочностных свойств. Наиболее близким к предлагаемому является чугун [2], содержащий, мас.%:

Углерод	3,28-4,03
Кремний	2,34-3,62
Марганец	0,22-0,53
Медь	1,16-2,34
Молибден	0,21-0,52
Магний	0,02-0,05
Барий	0,03-0,08
РЗМ	0,02-0,06
Железо и примеси	остальное.

В качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0, 04, сера до 0,02, хром до 0,08.

Для этого чугуна предложен способ получения, состоящий из выплавки в индукционной печи, сфероидизирующего модифицирования в ковше и термической обработки отливок, включающей ступенчатую аустенитизацию (820-830°С, 0,5-1,5 ч и 870-900°С, 0,5-1,5 ч), регулируемое охлаждение до температуры ниже 500°С, термоциклирование в интервале 270-390°С в течение 1,5-3 ч и охлаждение на воздухе. Такой способ получения обеспечивает аусферритную структуру и повышенные механические свойства чугуна.

К недостаткам чугуна и способа его получения относятся нестабильность значений механических свойств чугуна в отливках сложной конфигурации и невозможность применения такого способа термической обработки для деталей с переменной толщиной стенки.

Задачей изобретения является создание в чугуне изделий с разной толщиной стенки дисперсной композиционной структуры, состоящей из упрочненного феррита, бейнита, ограниченного количества аустенита (до 20%) и шаровидного графита.

Технический результат - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств чугуна (прочности, пластичности и ударной вязкости) в отливках различной конфигурации, в том числе и с переменной толщиной стенки.

Это достигается тем, что:

1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден, магний, РЗМ, примеси и железо, дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,03-3,52
Кремний	3,68-4,20
Марганец	0,21-0,43
Медь	0,61-1,12
Никель	1,29-2,16
Молибден	0,20-0,47
Магний	0,025-0,058
Барий	0,03-0,06
РЗМ	0,02-0,06
Железо и примеси	остальное.

В качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0,04, сера до 0,02, хром до 0,08.

2. Способ получения чугуна, включающий выплавку в индукционной электропечи, модифицирование в ковше, заливку чугуна в формы и термическую обработку отливок, состоящую из аустенитизации, изотермической закалки и охлаждения на воздухе, отличающийся тем, что выплавляют чугун по п.1, обрабатывая его перед выпуском из печи ферросилицием, обработку в ковше проводят комплексным модификатором Fe-Si-Mg-Ca-Ва-РЗМ, металл заливают в сухие песчано-глинистые формы, а термическую обработку проводят с неполной аустенитизацией при 850-890°С, 1-2 ч, и изотермической закалкой с выдержкой 1,5-2 ч при 320-350°С в ваннах с легкоплавким металлическим расплавом, расплавом соли или 2-3 ч в термической печи с обычной атмосферой.

Изменения в химический состав чугуна введены с целью стабильного получения без отбела отливок с разной толщиной стенки, увеличения прокаливаемости чугуна, упрощения термической обработки отливок различной конфигурации (в том числе и при переменной толщине стенок) и обеспечения необходимых свойств чугуна после термической обработки.

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений.

В чугуне увеличено содержание кремния, который является основным элементом-графитизатором и способствует получению упрочненной ферритной и бейнитной структуры при термической обработке чугуна. Основное упрочнение феррита при этом обеспечивается за счет его спинодального расслоения. При содержании кремния менее 3,68% спинодальное расслоение феррита происходит в незначительной степени и не обеспечивает достаточное его упрочнение. При увеличении содержания кремния более 4,20% происходит перестаривание феррита с огрублением его субструктуры, что проявляется в снижении упрочняющего эффекта.

Содержание меди в составе чугуна уменьшено в связи с тем, что некоторые ее функции (снижение склонности чугуна к отбелу, увеличение прокаливаемости) выполняются другими компонентами, которые находятся в чугуне в увеличенном количестве (кремний), или дополнительно введены в состав чугуна (никель). В данном чугуне основное назначение меди состоит в дополнительном упрочнении феррита и бейнита за счет выделения дисперсных включений медистой фазы. Для этой цели достаточно содержание меди в принятых пределах. Увеличение содержания меди сверх 1,12% не приводит к дополнительному упрочнению, но удорожает чугун.

Дополнительно в состав чугуна введен никель. Совместно с кремнием и медью он повышает стабильность графитизированной структуры, а совместно с медью и молибденом увеличивает прокаливаемость чугуна и способствует формированию бейнитной и аусферритной структуры, уменьшая влияние конфигурации и толщины стенки отливки на формирование необходимой структуры. При содержании никеля менее 1,29% эффективность его влияния оказывается недостаточной, а при содержании более 2,16% в структуре чугуна увеличивается количество остаточного аустенита, что проявляется в снижении прочностных свойств чугуна.

Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна. При содержании углерода менее 3,03 мас.% уменьшается склонность чугуна к графитизации и становится возможным образование участков структуры с повышенной твердостью. Если в чугуне содержится более 3,52 мас.% углерода, то в структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации) и их локализация в виде спели, что может проявляться в снижении всех механических свойств чугуна.

Содержание остальных компонентов в чугуне и их функциональное назначение не отличаются от прототипа.

Способ получения чугуна включает духстадийную обработку расплава: ферросилицием в печи за 3-5 минут перед выпуском металла в ковш и комплексным измельченным модификатором Fe-Si-Mg-Ca-Ва-РЗМ в разливочном ковше при 1400-1450°С методом "сандвич-процесса". Обработка металла в печи обеспечивает получение в структуре чугуна измельченных графитных включений и повышенную склонность к ферритизации структуры чугуна в литом состоянии. Ковшевая обработка чугуна обеспечивает сфероидизацию графитных включении.

Отливки получают литьем в сухие песчаные формы, что обеспечивает замедленное охлаждение отливок при температурах эвтектоидного превращения в чугуне и способствует ферритизации его структуры. Это позволяет исключить из термической обработки чугуна предварительное проведение ферритизирующего отжига.

Термическая обработка чугуна включает неполную аустенитизацию, которая обеспечивается нагреванием до 850-890°С (т.е. до температур межкритического интервала) и выдержкой в течение 1-3 ч в зависимости от толщины стенки отливки и дальнейшего режима изотермической закалки.

После неполной аустенитизации проводится изотермическая закалка. Закалочной средой могут служить расплавы солей или легкоплавких сплавов (например, свинцовооловянистые расплавы), а также обычная атмосфера в любой термической печи при 320-350°С. Изотермическая выдержка при закалке составляет 1,5-2 ч в ваннах с расплавом соли или легкоплавким металлическим расплавом и 2-3 ч в термической печи с обычной атмосферой. Охлаждение изделий до комнатной температуры проводится на спокойном воздухе.

После такой термической обработки микроструктура чугуна состоит из участков бескарбидного бейнита (аусферрита) и измельченных зерен гетерогенизированного феррита с субструктурой, образованной путем спинодального расслоения и дополнительного старения за счет диспергированной медистой фазы. Такая структура имеет микрокомпозиционный характер с упрочняющими наноразмерными элементами. Этим объясняется высокий уровень всего комплекса механических свойств чугуна.

Плавку чугуна проводили в индукционных тигельных печах емкостью 50 кг с кислой футеровкой. Использовали шихту, состоящую из литейного чугуна, ферросплавов (ферросилиция и ферромолибдена) и отходов меди.

Перед сливом чугуна из печи проводили инокулирующее модифицирование ферросилицием ФС75. Сфероидизирующую обработку чугуна проводили при 1430±10°С в разливочном коше емкостью 50 кг комплексным модификатором, состоящим из измельченной смеси лигатуры типа ЖКМК и силикобария SIBAR22.

Чугун заливали в сухие песчано-глинистые формы с сифонной литниковой системой. Отливали заготовки двух типов: круглые диаметром 30 мм и длиной 300 мм, пластины 80×80×160 мм. Из этих заготовок после их термической обработки вырезали стандартные образцы для механических испытаний.

Химические составы чугунов приведены в табл.1, режимы термической обработки - в табл.2. Результаты механических испытаний приведены в табл.3.

Видно, что предлагаемое сочетание химического состава чугуна и способа его получения обеспечивает по сравнению с прототипом более стабильные значения механических свойств чугуна независимо от сечения отливок. Важно также, что по сравнению с прототипом предлагаемый чугун имеет более низкую твердость, обеспечивающую его хорошую обрабатываемость резанием лезвийным инструментом.

При выходе химического состава чугуна за предлагаемые пределы (сплавы №5 и 6) свойства чугуна существенно ухудшаются. Отклонение способа получения чугуна от п.2 формулы изобретения (например, при термической обработке по режимам А и Г) также приводит к неблагоприятному изменению некоторых свойств чугуна (снижению относительного удлинения и повышению твердости чугуна при обработке по режиму А, снижению прочности и слишком резкому снижению твердости при обработке по режиму Г).

Источники информации

1. Чугун с шаровидным графитом с высокой вязкостью и процесс его получения / Ишихара Ясуоки, Обато Фумио, Сакаи Жун и др. // Патент США №4889687, МКИ С22С 37/04.

2. Чугун и способ термической обработки отливок из него / Сильман Г.И., Камынин В.В., Серпик Л.Г, Полухин М.С. // Патент РФ №2307875, МКИ С22С 37/04. 2007. Бюл. №28.

Таблица 3
Механические свойства чугунов (средние значения)
Режим термической обработки	Номер сплава	Предел прочности σB, МПа	Относительное удлинение δ, %	Ударная вязкость КС, Дж/см2	Твердость НВ
А	1	1364	2,1	14,0	311
	2	1350	2,2	14,4	311
	3	1312	2,0	14,3	321
	4	1415	1,5	12,5	341
	5	1010	2,5	10,0	355
6	1117	1,8	9,8	341
Б	1	1300	8,5	16,5	207
	2	1296 (1178)	8,6 (6,8)	16,5 (11,6)	201
	3	1291	7,1	15,0	201
	4	1389	5,7	12,3	262
	5	925	5,2	10,2	311
6	984	4,8	9,5	277
В	1	1183	12,0	18,0	187
	2	1166	12,9	18,8	179
	3	1104	12,1	16,8	179
	4	1106	10,3	12,0	201
	5	990	6,5	9,0	229
6	1012	5,6	8,6	201
Г	1	822	12,1	10,5	143
	2	813	11,4	10,8	143
	3	916	11,3	10,6	149
	4	940	9,7	10,4	149
	5	852	7,0	6,5	187
6	894	6,8	5,7	175
Д	1	1280	7,8	18,5	207
	2	1280	7,5	19,1	212
	3	1286	7,7	18,1	235
	4	1312	7,1	15,2	235
	5	908	4,9	6,3	262
6	966	4,5	6,0	229
Е (известный)	7(1)	1190	8,0	50	310
7(2)	920	3,0	7,5	255

Значения свойств сплава 2, обработанного по режиму Б, приведенные в скобках, получены для образцов, вырезанных из пластины толщиной 80 мм.

Свойства сплава 7, приведенные под номером 7(1), относятся к образцам, вырезанным из заготовки диаметром 30 мм, а под номером 7(2) - к образцам из пластины толщиной 80 мм. Все остальные значения свойств, приведенные в таблице, получены на образцах, вырезанных из заготовок диаметром 30 мм.

1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден, магний, барий, РЗМ, железо и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,03-3,52
кремний	3,68-4,20
марганец	0,21-0,43
медь	0,61-1,12
никель	1,29-2,16
молибден	0,20-0,47
магний	0,025-0,058
барий	0,03-0,06
РЗМ	0,02-0,06
железо и примеси	остальное

причем в качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0,04, сера до 0,02, хром до 0,08.

2. Способ получения чугуна, включающий выплавку в индукционной электропечи, модифицирование в ковше, заливку чугуна в формы и термическую обработку отливок, состоящую из аустенитизации, изотермической закалки и охлаждения на воздухе, отличающийся тем, что выплавляют чугун по п.1, обрабатывают его перед выпуском из печи ферросилицием, обработку в ковше проводят комплексным модификатором Fe-Si-Mg-Ca-Ba-РЗМ, металл заливают в сухие песчано-глинистые формы, а термическую обработку проводят с неполной аустенитизацией при 850-890°С, 1-2 ч и изотермической закалкой с выдержкой 1,5-2 ч при 320-350°С в ваннах с легкоплавким металлическим расплавом или расплавом соли или 2-3 ч в термической печи с обычной атмосферой.