ЧУГУН, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ НЕГО Российский патент 2006 года по МПК C21C1/10 C21D5/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.

Сочетание высоких механических свойств, включая повышенные значения пластичности и ударной вязкости, в чугунах с шаровидным графитом получают путем выбора необходимого химического состава, способа плавки и сфероидизирующего модифицирования чугуна и способа термической обработки отливок.

Известен высокопрочный чугун марки ВЧ 40 (ГОСТ 7293-85), обладающий повышенными прочностными свойствами, пластичностью и ударной вязкостью. Рекомендуемый химический состав этого чугуна для отливок с толщиной стенки до 100 мм включает [1], мас.%:

Углерод 3,0-3,8,Кремний 1,2-2,9,Марганец 0,2-0,6.

В качестве примесей в составе чугуна содержатся, мас.%: фосфор до 0,05, сера до 0,02, хром до 0,1. Сфероидизация графита осуществляется обычно путем обработки жидкого чугуна магнийсодержащими присадками или комплексными модификаторами. В качестве термической обработки используют ферритизирующий отжиг при 680-800°С.

Получение чугуна ВЧ 40 обеспечивается, в частности, составом [2], включающим, мас.%:

Углерод2,7-3,8Магний0,03-0,08Кремний2,1-2,9Железо и примесиостальное.Марганец0,15-0,45  

К недостаткам этого чугуна относятся недостаточная стабильность свойств, заключающаяся в слишком большом разбросе возможных значений пластичности и ударной вязкости, и резкое падение ударной вязкости при отрицательных температурах.

Наиболее близким к предлагаемому является чугун [3], содержащий, мас.%:

Углерод2,7-3,2Магний0,005-0,05Кремний1,0-2,5Кальций0,001-0,004Марганец0,05-0,14Редкоземельные Никель0,3-0,8металлы (РЗМ)0,008-0,09Алюминий0,005-0,02Железоостальное

Этот чугун имеет перлитную структуру металлической основы и обладает высокими прочностными свойствами.

Недостатки чугуна определяются его перлитной структурой и заключаются в недостаточных значениях ударной вязкости и пластичности.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения чугуна [4], включающий выплавку чугуна и обработку его расплава в разливочном ковше модифицирующей смесью компонентов, содержащей, мас.%:

Лигатура 33-37Силикобарий 4,5-6,0Олово 1,8-2,2Отходы меди 20-25Плавиковый шпат 10-12Стальные и чугунные отходы остальное,

причем общее количество смеси составляет 4,5-6% от массы чугуна, а лигатура содержит, мас.%:

Кремний 18-32Магний 4-9Кальций 3-8РЗМ 3,5-10Медь 27-50Алюминий 1-3Железо остальное

Этот способ обеспечивает снижение пироэффекта при модифицировании, повышение степени усвоения магния, повышение стабильности процесса модифицирования и стабилизацию твердости чугуна в отливках.

Недостатками способа являются невозможность обеспечения высокой пластичности и ударной вязкости чугуна как из-за перлитизации его структуры, так и из-за недостаточной очистки чугуна от примесей.

Для обеспечения ферритной структуры чугуна наиболее близким является способ термической обработки [5], включающий гомогенизацию при 900-1000°С, охлаждение и выдержку при 700-760°С, отпуск при 200°С.

Этот способ обеспечивает повышение пластичности и ударной вязкости чугуна, в том числе и при отрицательных температурах. Однако при этом способе не обеспечиваются достаточно высокие прочностные свойства чугуна.

Задача изобретения - получение чугуна с шаровидным графитом, гомогенизированным и упрочненным ферритом.

Технический результат - повышение пластичности и ударной вязкости, в том числе и при низких температурах, при сохранении повышенной прочности чугуна.

Это достигается тем, что:

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

Углерод3,23-4,08Магний0,02-0,05Кремний2,76-3,89Барий0,03-0,10Марганец0,20-0,47Кальций0,008-0,018Молибден0,15-0,48РЗМ0,02-0,06Алюминий0,02-0,08Железо и примесиостальное,

причем общее остаточное содержание элементов модификатора должно отвечать условию П=Mg+Ва+Са+РЗМ = 0,112-0,188, мас.%.

В качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0, 03, сера до 0,015, хром до 0,05.

2. В способе получения чугуна, включающем выплавку чугуна и обработку его расплава в разливочном ковше модифицирующей смесью компонентов, содержащей измельченную лигатуру, силикобарий и плавиковый шпат, плавку чугуна ведут в индукционных электропечах, при модифицировании используют специально отливаемую чугунную решетку, пригружающую смесь, а сама смесь содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:

Силикобарий 9,0-10,5,Плавиковый шпат12-15,Лигатура остальное,

причем общее количество смеси составляет от массы чугуна 2,8-3,5% при массе решетки 1,5-2%, а лигатура содержит, мас.%:

Кремний45-55РЗМ3-8Магний6-9Алюминий1-3Кальций3-7Железоостальное.

3. В способ термической обработки, включающий гомогенизацию, охлаждение и выдержку, введена дополнительная операция искусственного старения при следующем сочетании операций:

Гомогенизирующий отжиг 950-1000°С, 3-5 часовОхлаждение с печью до 780-720°СВыдержка (ферритизация) 780-720°С, 2,5-3 часаОхлаждение с печью до 650-600°СОхлаждение на воздухе или в воде до комнатной температурыИскусственное старение 350-420°С, 2-3 часа.

Изменения в химический состав выплавляемого чугуна введены с целью стабильного получения без отбела отливок с разной толщиной стенки, максимальной ферритизации структуры чугуна в отливках и обеспечения необходимых свойств чугуна после термической обработки.

В чугуне увеличено содержание кремния, который является основным элементом-ферритизатором. При содержании кремния менее 2,76% в структуре чугуна в тонкостенных отливках происходит значительная перлитизация (более 50%) и даже появляется заметный отбел. Вместе с тем после термической обработки в этом случае трудно получить повышенные прочностные свойства при высоких значениях пластичности и ударной вязкости. При увеличении содержания кремния более 3,89% заметно снижаются пластичность и ударная вязкость термообработанного чугуна.

Содержание марганца не должно превышать 0,47%, т.к. при большем содержании увеличивается склонность чугуна к перлитизации структуры и отбелу в отливках, что затрудняет проведение процесса гомогенизации и приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна. Минимальное количество марганца в чугуне, составляющее 0,2%, соответствует его содержанию в качестве технической примеси и практически не может быть уменьшено при использовании обычных шихтовых материалов. Более низкое содержание марганца в известном чугуне связано с использованием специальных шихтовых материалов, что приводит к удорожанию чугуна.

Молибден в составе данного чугуна используется для устранения или уменьшения ферритной хрупкости, что особенно важно при структуре с гетерогенизированным ферритом. При содержании менее 0,15 мас.% молибдена эта его роль практически не проявляется, а при содержании более 0,48 мас.% происходит существенное удорожание чугуна, появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость.

Содержание алюминия в составе чугуна увеличено с целью уменьшения склонности чугуна к отбелу и увеличения степени ферритизации структуры. При содержании менее 0,02% влияние алюминия не проявляется. Содержание алюминия более 0,08% может приводить к снижению стабильности свойств, прежде всего ударной вязкости.

Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна в литом состоянии. При содержании углерода менее 3,23 мас.% уменьшается степень ферритизации структуры, становится возможным образование перлита и повышение твердости. Если в чугуне содержится более 4,08 мас.% углерода, в его структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации), что может проявляться в снижении всех механических свойств чугуна.

Параметр П, характеризующий суммарное содержание в чугуне элементов комплексного модификатора, должен быть не менее 0,112%. В противном случае степень рафинирования чугуна и сфероидизации графита оказывается недостаточной. При П более 0,188% повышенный расход модификатора, удорожая чугун, не приводит к повышению его свойств, наоборот, при этом возможно даже перемодифицирование чугуна с ухудшением формы графитных включений.

Содержание магния рекомендуется в пределах 0,02-0,05 мас.%. Если остаточное содержание магния менее 0,02 мас.%, то результаты модифицирования нестабильны. Увеличение содержания магния более 0,05 мас.% нецелесообразно, так как это не повышает свойства чугуна.

Кальций играет роль десульфуратора и раскислителя, существенно уменьшая расход магния и РЗМ. Содержание менее 0,008 мас. % кальция соответствует чугуну, не модифицированному кальцием. Слишком большой расход кальция, соответствующий остаточному содержанию более 0,018 мас.%, увеличивает количество неметаллических включений, ухудшает усвоение модификатора и снижает свойства чугуна.

РЗМ вводятся с целью нейтрализации элементов, оказывающих на графит десфероидизирующее действие (например, алюминия и различных микропримесей). При содержании менее 0,02 мас.% РЗМ полная сфероидизация графита не обеспечивается. Повышение содержания РЗМ более 0,06 мас.% нецелесообразно, так как не оказывает положительного эффекта, но удорожает чугун.

Дополнительно в состав чугуна введен барий (в виде силикобария в составе комплексного модификатора). Совместно с другими компонентами комплексного модификатора он обеспечивает глубокое рафинирование чугуна, полное устранение отбела и ферритизацию структуры чугуна даже в тонкостенных отливках. Для этого достаточно содержание бария в заявляемых пределах. При остаточном содержании бария более 0,10% его модифицирующий эффект не усиливается, но стоимость чугуна возрастает. При содержании бария менее 0,03% его рафинирующее и ферритизирующее действие проявляется незначительно.

В способе получения чугуна используют индукционную электроплавку, обеспечивающую возможность наиболее точного регулирования химического состава и хорошее перемешивание жидкого чугуна. В состав модифицирующей смеси включен силикобарий с целью наиболее глубокого рафинирования металла. Для предохранения модификатора от всплывания и сгорания в атмосфере используют чугунную решетку.

Комплексная обработка жидкого чугуна проводится в разливочном ковше при температуре 1390-1430°С, причем на дно ковша смесь укладывается послойно в виде "сандвича" (смесь лигатуры и силикобария, затем плавиковый шпат, а сверху пригружение чугунной решеткой).

Термическая обработка отливок состоит из трех стадий. Первую стадию проводят с целью гомогенизации чугуна в аустенитном состоянии, что обеспечивается нагревом до 950-1000°С и выдержкой от 3 до 5 часов. Вторая стадия заключается в ферритизирующем отжиге, для чего отливки медленно охлаждают (вместе с печью) от температуры первой стадии до 780-720°С, выдерживают при этих температурах 2,5-3 часа и медленно охлаждают до 650-600°С, после чего охлаждение до комнатной температуры ведут быстро (на воздухе для тонкостенных отливок, в воде для отливок с толщиной стенки более 20 мм) с целью предотвращения ферритной хрупкости. Третью стадию термической обработки проводят с целью упрочнения феррита путем его спинодального расслоения при искусственном старении. Для этого отливки нагревают до 350-420°С, выдерживают 2-3 часа и охлаждают на воздухе.

Плавку чугуна проводили в индукционных тигельных печах емкостью 50 и 150 кг с кислой футеровкой. Использовали шихту, состоящую из литейного чугуна и ферросплавов (ферросилиция и ферромолибдена). Модифицирование проводили в разливочных ковшах емкостью от 50 до 100 кг. По каждому варианту химического состава чугуна в сухие песчано-глинистые формы отливали стандартные клиновые пробы толщиной 30 мм. Из клиновых проб после их термической обработки вырезали стандартные образцы для механических испытаний.

Химические составы чугунов по всем вариантам приведены в табл.1, а результаты механических испытаний - в табл.2.

Видно, что предлагаемое сочетание химического состава чугуна, способа его получения и способа термической обработки обеспечивает по сравнению с прототипом значительно более высокие значения пластичности и ударной вязкости, в том числе и при отрицательной температуре. При выходе химического состава чугуна за предлагаемые пределы (сплавы №№5 и 6) свойства чугуна существенно ухудшаются. Отклонение способа термической обработки от п.3 изобретения (т.е. при термической обработке без старения) также приводит к снижению свойств чугуна, особенно предела прочности.

Источники информации

1. Чугун: Справ. изд./ Под ред. А.Д.Шермана и А.А.Жукова. - М.: Металлургия, 1991. - 576 с.

2. Патент РФ №2112073, кл. С 22 С 37/10.

3. Патент РФ №2098508, кл. С 22 С 37/10.

4. Патент РФ №2198227, кл. С 22 С 37/10.

5. Холодостойкий чугун с шаровидным графитом/ Леков А.Т., Иванчева Ц.Р., Илиев З.М., Дафинова Р.И.// Кристаллизация и свойства высокопрочного чугуна в отливках. - Киев: Изд-во ИПЛ АН УССР, 1990. - С.97-102.

Таблица 1
Химические составы чугуновЧугунСодержание элементов, мас. %Параметр П, мас.%СSiMnМоAlMgBaСаРЗМ13,233,730,310,480,020,020,030,0120,050,11223,483,420,200,360,080,030,080,0180,060,18833,613,890,390,300,050,030,050,0110,030,12144,082,760,470,150,030,050,100,0080,020,17853,022,140,660,610,010,060,110,0040,080,25464,303,960,200,030,120,010,020,0200,010,060Известный* [3]°С2,861,780,1430%0,010,03 0,0040,030,064^*) Содержится также 0,30%Ni

Таблица 2
Механические свойства чугунов (средние значенияЧугунσ_В, МПаδ,%НВKCU, Дж/см² приПримеч.^*)+20°С-40°С15102316312541Т.о. 14662016012138Т.о. 225082415912744Т.о. 135152016710940Т.о. 145122516114243Т.о. 14802115913739Т.о. 256647217508Т.о. 162401149122Т.о. 1Известный [3]596121836821Т.о. 1602141877020Т.о. 2^*) Т.о. 1 - термическая обработка в соответствии с п.3 изобретения (старением); т.о. 2 - термическая обработка без старения.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. Может использоваться при производстве литых изделий с высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,23-4,08; кремний 2,76-3,89; марганец 0,20-0,47; молибден 0,15-0,48; алюминий 0,02-0,08; магний 0,02-0,05; барий 0,03-0,10; кальций 0,008-0,018; РЗМ 0,02-0,06; железо и примеси - остальное. Плавку чугуна ведут в индукционных электропечах. При модифицировании используют чугунную решетку, пригружающую модифицирующую смесь, содержащую, мас.%: силикобарий 9,0-10,5; плавиковый шпат 12-15; лигатура - остальное. Лигатура содержит, мас.%: кремний 45-55; магний 6-9; кальций 3-7; РЗМ 3-8; алюминий 1-3; железо - остальное. Общее количество смеси - 2,8-3,5% от массы чугуна, а масса решетки - 1,5-2% от массы чугуна. При термообработке отливок проводят гомогенизирующий отжиг при 950-1000°С, 3-5 часов, ферритизирующий отжиг путем охлаждения с печью до 780-720°С выдержки при этой температуре 2,5-3 часа и последующего медленного охлаждения с печью до 650-600°С. Затем проводят быстрое охлаждение на воздухе или в воде до комнатной температуры и искусственное старение путем нагрева до 350-420°С с выдержкой 2-3 часа. Техническим результатом является повышение пластичности, ударной вязкости при сохранении повышенной прочности. 3 н.п. ф-лы, 2 табл.

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

Углерод3,23-4,08Кремний2,76-3,89Марганец0,20-0,47Молибден0,15-0,48Алюминий0,02-0,08Магний0,02-0,05Барий0,03-0,10Кальций0,008-0,018РЗМ0,02-0,06Железо и примесиОстальное

Силикобарий9,0-10,5Плавиковый шпат12-15ЛигатураОстальное

причем общее количество смеси составляет 2,8-3,5% от массы чугуна при массе решетки 1,5-2% от массы чугуна, а лигатура содержит, мас.%:

Кремний45-55Магний6-9Кальций3-7РЗМ3-8Алюминий1-3ЖелезоОстальное