ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН Российский патент 2007 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным чугунам с повышенными упругопластическими свойствами и низкими термическими напряжениями в отливках.

Известен высокопрочный чугун (Высокопрочный чугун для отливок. Под редакцией Н.Н. Александрова. М.: Машиностроение, 1982, с.165), содержащий, мас.%:

Углерод3,5-3,8Кремний0,2-2,0Марганец0,55Магний0,03Фосфор0,05-0,06Сера0,004-0,006ЖелезоОстальное

Известный чугун обладает недостаточными упругопластическими свойствами и повышенными термическими напряжениями в отливках, что обусловлено низким содержанием кремния и повышенным содержанием марганца и примесей.

Известен высокопрочный чугун (Патент Японии №57-89453, С22С 37/06, 1982), содержащий, мас.%:

Углерод3,0-4,0Кремний2,0-3,5Марганецдо 1,1Хром0,3-0,7Титан0,01-0,15Ванадий0,1-0,3Фосфор0,2-0,4Серадо 0,2ЖелезоОстальное

При изготовлении отливок из этого чугуна достигаются удовлетворительные механические свойства, но высокое содержание отбеливающих элементов (хром, ванадий, фосфор и марганец) приводит к увеличению остаточных термических напряжений и снижению пластичности.

По технической сущности и достигаемому эффекту к предполагаемому изобретению наиболее близким является высокопрочный чугун (а.с. СССР №985119, МПК С22С 37/00, 1983), содержащий, мас.%:

Углерод3,2-3,6Кремний1,9-2,2Марганец0,2-0,4Магний0,03-0,07Алюминий0,5-1,0Церий0,01-0,05ЖелезоОстальное

Чугун в качестве примесей может содержать до 0,1 (мас.%) хрома и до 0,06 (мас.%) серы.

Данный чугун выплавляют в электропечах или дуплекс-процессом (вагранка - электрическая печь) с перегревом до 1420°С и модифицируют магнием, церием и алюминием с помощью соответствующих ферросплавов. При литье он обеспечивает получение ферритоперлитной металлической матрицы и следующих механических свойств:

Временное сопротивление, МПа575-605Твердость, НВ180-220Относительное удлинение, %3-4Предел выносливости при кручении, МПа75-120Ударная вязкость, Дж/см²21-30Отбел, мм3-7

Недостатком известного чугуна являются низкие динамические характеристики механических свойств. Отмечаются недостаточные относительное удлинение и высокие термические напряжения в отливках.

Задачей данного технологического решения является повышение упругопластических свойств чугуна и снижение остаточных термических напряжений в отливках.

Поставленная задача достигается тем что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, церий и железо дополнительно содержит никель, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод3,3-3,8Кремний2,3-2,7Марганец0,2-0,4Алюминий0,11-0,45Магний0,03-0,06Церий0,02-0,04Никель0,05-0,18Титан0,03-0,12Кальций0,01-0,04ЖелезоОстальное

Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - никеля и титана и дополнительное микролегирование его кальцием, что существенно повышает упругопластические свойства и снижает остаточные термические напряжения в отливках. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные отличия являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели предлагаемого изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.

Введение никеля обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей добавкой, повышающей однородность и дисперсность структуры и упругопластические свойства и снижающей термические напряжения в отливках. Верхний предел концентрации никеля (0,18%) обусловлен снижением ударной вязкости при более высоких его концентрациях. При уменьшении концентрации никеля менее 0,05% укрупняется структура и повышаются остаточные термические напряжения в отливках.

Титан введен как микролегирующая и графитизирующая добавка, снижающая термические напряжения в отливках. При его содержании менее 0,03% микролегирующий эффект недостаточен, а при содержании более 0,12% снижаются относительное удлинение и ударная вязкость.

Кальций - графитизирующий модификатор, очищающий границы зерен, существенно повышающий упругопластические свойства. При концентрации кальция менее 0,01% модифицирующий эффект низкий, а при увеличении содержания кальция более 0,04% увеличивается угар, снижаются однородность структуры и упругопластические свойства.

Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального лома, алюминия А91, ферромарганца и других ферросплавов. Микролегирование никелем, алюминием и титаном производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в ковше с использованием металлотермических смесей, включающих никель-магниевую лигатуру, силикокальций СК30 и ферроцерий. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые и ступенчатые технологические пробы. Ударную вязкость определяют на образцах 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм. В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 - механические свойства.

Таблица 1ЧугунСодержание компонентов в чугунах, мас.% 1 /Известный/23456Углерод3,33,13,33,53,83,9Кремний2,12,22,32,52,72,8Марганец0,40,10,20,30,40,6Алюминий0,70,070,110,230,450,5Магний0,060,020,030,050,060,1Церий0,030,010,020,030,040,05Никель-0,020,050,120,180,21Титан-0,020,030,060,120,17Кальций-0,0020,010,020,040,06ЖелезоОстальн.Остальн.Остальн.Остальн.Остальн.Остальн.

Таблица 2ПоказателиСвойства высокопрочных чугунов 1 /Известный/23456Временное сопротивление, МПа590635720748765687Ударная вязкость, Дж/см²283035424033Термические напряжения в отливках, МПа34218,97,37,69,7Относительное удлинение, %4,29,319,319,819,216,2Индекс загрязненности НВ, %0,00270,00160,00120,0080,00110,0015

Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун имеет более высокие упругопластические свойства и низкие термические напряжения.

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам высокопрочных чугунов. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,3-3,8; кремний 2,3-2,7; марганец 0,2-0,4; алюминий 0,11-0,45; магний 0,03-0,06; церий 0,02-0,04; никель 0,05-0,18; титан 0,03-0,12; кальций 0,01-0,04; железо - остальное. Полученный чугун имеет высокие упругопластические свойства и низкие остаточные термические напряжения. 2 табл.

Высокопрочный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод3,3-3,8Кремний2,3-2,7Марганец0,2-0,4Алюминий0,11-0,45Магний0,03-0,06Церий0,02-0,04Никель0,05-0,18Титан0,03-0,12Кальций0,01-0,04ЖелезоОстальное