ЧУГУН Российский патент 1998 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к металлургии, в частности к изысканию чугунов с шаровидной формой графита для получения отливок, обладающих в исходном состоянии высокой пластичностью и прочностью.

Известные в настоящее время решения в области создания таких чугунов носят поисковый характер с ярко выраженной тенденцией обеспечения необходимых механических свойств путем подбора ингредиентов из широкого диапазона элементов, таких как барий, цирконий, алюминий, титан, молибден с использованием редкоземельных металлов (РЗМ), а это, во-первых, может настолько удорожить чугун, что сведет на нет эффективность и экономическую целесообразность замены им дорогостоящих легированных сталей; во-вторых, приводит к увеличению качественного состава чугуна, усложняющему технологию его получения.

К тому же, как видно из проведенного заявителем анализа известных в этой области решений, достичь уравновешенного (сбалансированного) соотношения прочностных и пластических свойств пока не удавалось и, как правило, одно из рассматриваемых свойств превалирует над другим, что либо обуславливает снижение служебных свойств машиностроительных деталей, либо препятствует использованию метода пластического деформирования в их изготовлении, а это хоть и опосредованно, но также оказывает отрицательное влияние на уровень служебных свойств деталей.

Иллюстрацией к изложенному может служить чугун по а.с. СССР N 1705393, C 22 C 37/10, 1992 г., который обладает высокой пластичностью, но из-за неудовлетворительного уровня прочностных характеристик не может быть использован для изготовления ответственных тяжелонагруженных машиностроительных деталей, а также предназначенные для изготовления таких деталей чугуны с шаровидной формой графита, (например по а. с. СССР N 1216240, 1984 г.; N 1227709, 1983 г. ; N 1252381, 1984 г.; N 1444388, 1987 г. - все кл. C 22 C 37/10), которые содержат углерод, кремний, марганец, магний, медь, никель, неметаллические примеси и железо с добавлением кальция, алюминия, РЗМ и других не менее дорогостоящих металлов, и обладают достаточной прочностью, но из-за низкого уровня технологической пластичности непригодны для деталей, получаемых методом пластического деформирования.

Известным также чугуны с шаровидной формой графита, предназначенные для ответственных тяжелонагруженных автомобильных деталей, обладающие высокой пластичностью.

Эти чугуны по составу и достигнутым качественным показателям близки к предлагаемому. Из них в качестве наиболее близкого аналога, более совпадающего с предлагаемым по количественному соотношению ингредиентов, определен чугун по а.с. 1458416, который содержит, мас.%: углерод (3,2-3,6), кремний (1,8-2,5), марганец (0,1-0,4), магний (0,01-0,015), медь (0,5-0,8), никель (0,6-0,8), а также кальций (0,06-0,1) РЗМ (0,03-0,06), цирконий (0,02-0,1), барий (0,02-0,1), железо (остальное). Чугун получают с использованием в качестве шихты литейного чугуна, что обуславливает наличие в нем нетехнологических примесей, таких как хром, сера, фосфор.

К недостаткам аналога следует отнести наличие в составе чугуна кальция, РЗМ, циркония и бария, поскольку это обуславливает недостаточность прочностных свойств, сокращающую диапазон использования чугуна; его удорожание и усложнение технологии получения, т.к. РЗМ, барий, цирконий и кальций относятся к легкоокисляемым элементам; содержание кальция свыше 0,05 мас.% при сере до 0,03 мас.%, приводит к образованию большого количества неметаллических включений, в т.ч. и с РЗМ; цирконий является "независимым" реагентом (трудно контролируемым другими элементами), поэтому приходится вводить дополнительное количество кальция, что нежелательно, т.к. введение этого элемента свыше 0,08 мас. % технологически затруднительно. Относительно бария установлено, что при его содержании свыше 0,01 мас.% увеличивается угар бария, снижается технологическая пластичность и повышается угар других модификаторов, включая магний.

Предлагаемое изобретения направлено на решение задачи, заключающейся в разработке состава чугуна с шаровидной формой графита, отливки из которого в исходном состоянии обладают уравновешенным соотношением прочности и пластичности, достаточным для изготовления различных машиностроительных деталей, в т.ч. ответственных тяжелонагруженных, имеющих сложнофасонный профиль, например зубчатых колес, с использованием разнообразных методов обработки, в т.ч. и метода пластического деформирования, что позволяет получать такие детали, как бы с составной структурой: высокопрочным поверхностным слоем и вязкой сердцевиной, необходимой для повышения служебных свойств этих деталей. К тому же решение задачи способствует расширению диапазона экономичного использования чугунов взамен сталей.

Сущность изобретения заключается в том, что для решения поставленной задачи в чугуне, содержащем углерод, кремний, марганец, медь, никель, магний и железо, в отличие от аналога компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %:
Углерод - 2,7 - 3,8
Кремний - 2,1 - 2,9
Марганец - 0,15 - 0,45
Медь - 0,1 - 0,35
Никель - 0,4 - 1,0
Магний - 0,03 - 0,08
Железо - Остальное
Установление необходимых соотношений компонентов осуществлено исходя из следующих соображений.

Граничные параметры содержания основных компонентов, мас.% углерода (2,7-3,8), кремния (2,1-2,9) и марганца (0,15-0,45) определены, исходя из практики производства высокопрочных чугунов с повышенным упругопластическими свойствами. При концентрации углерода менее 2,7 мас.% и кремния менее 2,1 мас. % снижаются пластические свойства чугуна, возникает вероятность отбела. При концентрациях, превышающих верхние пределы содержания этих элементов 3,8 мас.% и 2,9 мас.% соответственно снижаются прочностные свойства чугуна.

Введение марганца выше заявленного предела 0,45 мас.% обуславливает снижение пластических свойств чугуна, а при содержании ниже 0,15 мас.% позитивного воздействия его на механические свойства чугуна не наблюдается.

Никель и медь упрочняют матрицу, повышают стабильность структуры, существенно повышают технологическую пластичность и прочность чугуна.

Медь при содержании в пределах 0,1-0,35 мас.% способствует графитизации, повышает твердость металлической основы. При содержании меди ниже 0,1 мас.%, снижаются механические свойства чугуна, при увеличении верхнего предела содержания меди ухудшается показатель пластичности.

К тому же никель в количестве 0,4-1,0 мас.% является активным графитизатором. Содержание никеля ниже 0,4 и выше 1,0 нецелесообразно, т.к. ухудшаются прочностно-пластические характеристики чугуна.

Наличие в чугуне магния вызывает образование графита шаровидной формы, что повышает механические свойства чугуна. При содержании магния менее 0,03 мас.% графит образуется не шаровидной формы, а при превышении верхнего пределы (0,08 мас.%) возрастает склонность чугуна к отбелу.

В чугунах допускается наличие нетехнологических примесей в виде серы (0,002-0,015), фосфора (0,02-0,09), хрома (0,03-0,09), поскольку они могут находиться в исходном сырье, используемом в качестве шихты, но не более указанных пределов.

В таких пределах эти примеси не оказывают какого-либо решающего влияния на механические свойства чугунов, к тому же они в достаточной степени нейтрализуются другими элементами состава, в частности марганцем.

Химический состав и механические свойства чугунов приведены в таблице, где: составы 1-3 соответствуют известному чугуну, состав 5, 6 и 7 соответствуют предлагаемому чугуну, составы 4 и 8 - с содержанием компонентов за заявляемыми пределами.

Пример
Плавку чугунов проводят в открытой индукционной печи. В качестве шихтовых материалов используют литейный рафинированный чугун (80%), стальную высечку (20%) и ферросплавы (1-2%). Модифицирование чугуна проводят непосредственно в ковше. Ковш заполняют расплавом при 1450-1550^oC. Заливку песчано-глинистых литейных форм проводят при 1360-1450^oC.

Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам с шаровидной формой графита для получения отливок, обладающих в исходном состоянии высокой пластичностью и прочностью. Новый чугун содержит, мас. %: углерод 2,7 - 3,8; кремний 2,1 - 2,9; марганец 0,15 - 0,45; медь 0,1 - 0,35; никель 0,4 - 1,0; магний 0,03 - 0,08; железо - остальное. Такой состав обеспечивает сбалансированное соотношение прочностных и пластических свойств чугуна, необходимое при изготовлении высоконагруженных ответственных деталей машин, например, зубчатых колес. 1 табл.

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, никель, магний и железо, отличающийся тем, что компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %.

Углерод - 2,7 - 3,8
Кремний - 2,1 - 2,9
Марганец - 0,15 - 0,45
Медь - 0,1 - 0,35
Никель - 0,4 - 1,0
Магний - 0,03 - 0,08
Железо - Остальное