ЧУГУН С ВЕРМИКУЛЯРНЫМ ГРАФИТОМ Российский патент 2008 года по МПК C22C37/04 

Изобретение относится к металлургии, к литейному производству, в частности к разработке химического состава чугуна с вермикулярным графитом для отливок «Барабан тормозной» грузовых, магистральных, спортивных автомобилей и автопоездов и может быть использовано при массовом производстве.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является чугун с вермикулярным графитом (патент RU 2034087), содержащий, мас.%:

углерод3,0-3,6кремний1,5-2,0марганец0,4-0,6хром0,4-0,6никель1,4-2,0алюминий0,1-0,3титан0,3-0,5медь0,5-1,5редкоземельные элементы0,1-0,15ниобий0,2-0,5железоостальное

Известный химический состав чугуна наряду с достоинствами (физико-механические свойства, износостойкость, термостойкость) имеет ряд недостатков применительно к деталям «барабан тормозной» для грузовых, магистральных и спортивных автомобилей и автопоездов, а именно:

- повышенный нагрев в результате эксплуатации (до 250°С) и, как следствие, образование микротрещин и разрушение детали;

- повышенное содержание хрома, титана, ниобия приводит к образованию карбидов и неравномерной твердости на рабочей поверхности «Барабана тормозного», что ведет к неравномерному износу рабочей поверхности и выходу из строя детали;

- наличие в чугуне легирующего комплекса: марганец, хром, никель, титан, медь, ниобий приводит к локальному формированию в структуре фосфитной эвтектики даже при незначительном содержании фосфора (менее 0,1%), отличающихся высокой твердостью и хрупкостью, что вызывает образование поперечных трещин и разрушение детали «барабан тормозной» при эктремальных знакопеременных и динамических нагрузках.

Предлагаемое изобретение направлено на создание чугуна с вермикулярным графитом для производства отливок «барабан тормозной», позволяющем эксплуатировать грузовые автомобили в тяжелых условиях при повышенных динамических и температурных нагрузках, что повышает эксплуатационную надежность автомобиля в целом.

Предлагаемый состав чугуна содержит, мас.%:

углерод2,5-4,5кремний1,5-4,0марганец0,01-2,0хром0,01-0,5никель0,01-0,5медь0,01-1,5титан0,01-0,05магний0,01-0,05сумма редкоземельных элементов0,01-2,0сумма окислов магния, церия, иттрия, лантана0,001-0,1сера0,001-0,1железоостальное

Углерод является одним из основных компонентов всех чугунов, определяющий форму, распределение, размер, количество и общую площадь графитовых включений. Ниже 2,5% углерод способствует формированию в структуре чугуна цементита и других карбидов, что недопустимо. Выше 4,5% будут снижаться литейные свойства сплава (жидкотекучесть, формозаполняемость), увеличиваться размеры графитных включений.

Кремний является одним из основных элементов чугуна, способствующих вытеснению углерода из химических соединений с железом и другими легирующими элементами в самостоятельную фазу - графитные включения. Кремний является основным элементом в чугунах, способствующих формированию центров графитизации или зарождения графитной фазы. При содержании кремния менее 1,5% будет недостаточно центров кристаллизации графитных включений, что способствует формированию карбидов, а это недопустимо. Выше 4,0% будет увеличиваться хрупкость сплава вследствие образования феррита, легированного кремнием.

Марганец является одним из легирующих элементов в чугунах, способствующих перлитизации металлической матрицы. В больших количествах в чугунах способствует формированию сложных карбидов типа (FeMn)_mC_n. При содержании марганца ниже 0,01% получать расплав экономически нецелесообразно - надо применять очень чистые по марганцу шихтовые материалы, что приведет к значительному удорожанию чугуна. Выше 3,0% марганец будет способствовать формированию сложных карбидов, что приведет к повышению твердости и ухудшению обрабатываемости чугуна резанием.

Хром в количествах 0,01-0,5% определяет твердость всего сплава, способствует растворению углерода в железе с образованием химических соединений Fe₃С и др. Ниже 0,01% получать расплав экономически нецелесообразно - надо применять очень чистые по хрому шихтовые материалы, что приводит к удорожанию чугуна. При содержании хрома выше 0,05% образуются карбиды, что приведет к значительному повышению твердости и резкому ухудшению обрабатываемости чугуна резанием.

Никель является легирующим элементом и при содержании 0,01-0,5% способствует формированию перлита в металлической матрице без карбидообразующего действия. При содержании никеля ниже 0,01% не обеспечивается легирования расплава для формирования перлита в металлической матрице. Содержание никеля выше 0,5% экономически нецелесообразно - приводит к удорожанию чугуна.

Медь при содержании в пределах 0,01-1,5% оказывает аналогичное никелю действие на чугун. При содержании меди ниже 0,01% не обеспечивается легирование расплава для выравнивания физико-механических свойств по сечению отливки. Содержание меди выше 1,5% экономически нецелесообразно, приводит к удорожанию чугуна.

Титан при содержании 0,01-0,05% способствует формированию центров образования графита. Является активным десфероидизатором графитной фазы в чугунах. При содержании титана ниже 0,01% не обеспечивается создание подложек для роста центров кристаллизации графита в чугуне. Выше 0,05% сказывается сильное действие титана как десфероидизатора графита в чугуне, а это приводит к перерасходу вермикуляризирующего модификатора.

Магний - основной модифицирующий элемент, который сфероидизирует и вермикуляризирует графитные включения в чугуне. При содержании магния ниже 0,01% не обеспечивается формирования графита вермикулярной формы в чугуне. Выше 0,05% в чугуне будет формироваться графит в виде сферы. Будет распадаться вермикулярный каркас в чугуне, что снизит теплопроводность отливки «барабан тормозной».

Редкоземельные элементы - основные модифицирующие элементы, способствующие формированию вермикулярной формы графита в чугунах. При содержании суммы редкоземельных элементов ниже 0,01% не будет происходить удаления кислорода, растворенного в расплаве, чугун будет подвержен газоусадочным дефектам. При содержании РЗМ выше 2,0% будет создаваться высокое переохлаждение расплава, что вызовет образование карбидных включений в структуре чугуна.

Оксиды магния, церия, иттрия, лантана являются стабилизирующими присадками, которые способствуют усилению эффекта вермикуляризации графита в чугуне. При содержании суммы оксидов магния, церия, иттрия и лантана ниже 0,001% будет ухудшаться формирование вермикулярного графитного каркаса в чугуне, что важно для создания оптимальных условий для эксплуатации детали «барабан тормозной». При содержании суммы оксидов магния, церия, иттрия и лантана выше 0,1% в теле отливки оксиды формируют скопление неметаллических фаз, что снижает физико-механические свойства чугуна.

Сера является неизбежным примесным элементом чугуна, препятствующим формированию вермикулярной и шаровидной форм графитных включений. Содержание серы ниже 0,001% получать в расплаве экономически нецелесообразно - надо применять очень чистые по сере шихтовые материалы, а это приводит к значительному удорожанию чугуна. При содержании серы выше 0,1% будут формироваться в структуре чугуна пластинчатый графит и снижаться механические свойства.

Предлагаемый химический состав чугуна с вермикулярным графитом для отливок «барабан тормозной» производится путем плавления шихты в первичных плавильных агрегатах: вагранка, индукционная печь или электродуговая печь, затем возможно использование как моно-процесса (т.е. без выдерживания исходного расплава в миксере), так и дуплекс-процесса, в качестве миксера возможно использование индукционной или электродуговой печей. Затем исходный (базовый) расплав чугуна обрабатывается комплексным вермикуляризирующим модификатором (возможно использование фракционного кускового модификатора, быстроохлажденного «чипс» - модификатора, проволочного модификатора по средствам «трайп» - аппарата и др.). Допускается как ковшевая обработка исходного (базового) чугуна, так и внутриформенная. Графитизирующее модифицирование осуществляется как в ковше, так и возможна внутриформенная обработка. Формообразование отливок «барабан тормозной» осуществляется как в разовые, так и в постоянные формы.

Предлагаемый химический состав чугуна с вермикулярным графитом для отливок «барабан тормозной» отливается с содержанием оксидов магния, иттрия, церия и лантана и сбалансированным содержанием легирующих элементов марганца, хрома, никеля, меди, титана, суммы РЗМ, отсутствием ниобия, что обеспечивает оптимальные физико-механические свойства чугуна с вермикулярным графитом, литейные технологические свойства сплава, а также эксплуатационные характеристики материала для отливки «барабан тормозной» грузовых, магистральных, спортивных автомобилей и автопоездов.

В таблице 1 приведены результаты сравнительных испытаний физико-механических свойств предлагаемого состава чугуна (нижний, средний и верхний уровни) и прототипа (средний уровень). В таблице 2 приведены химические составы чугуна по уровням: нижний, средний, верхний, а также по прототипу (средний уровень). В материалах прототипа, обладающем высокой относительной износостойкостью при длительных нагружениях (свыше 200 часов), происходит накапливание внутренних напряжений, приводящих к разрушениям образцов, что недопустимо для отливок «барабан тормозной». Остальные показатели физико-механических свойств говорят о комплексном приоритете предлагаемого состава чугуна с вермикулярным графитом перед прототипом.

Таблица 1№ п/пХимический состав чугунаМеханические свойстваФизические свойства  Предел прочности при растяжении, МПаУсловный предел текучести, МПаОтносит. удлинение, %Твердость по БринелюПредел выносливости, МПаТеплопроводность, Вт/мККоэффиц. линейного расширения (20-100°С), 10-6/°СОтносительная износостойкость, %100 часов200 часов500 часов1Предлагаемый ЧВГ (нижний уровень)4603903,52072000,41129594922Предлагаемый ЧВГ (средний уровень)4704003,02152100,43129695923Предлагаемый ЧВГ (верхний уровень)4904202,52222300,49129897954Прототип (средний уровень)3903201,52401900,37159997Разрушение

Таблица 2№ п/пУровеньУглерод, %Сера, %Кремний, %Ниобий, %Марганец, %Хром, %Никель, %Медь, %Титан, %Магний, %Сумма РЗМ, %Сумма оксидов, %1Предлагаемый ЧВГ, (нижний)2,80,0081,9-0,050,050,030,030,020,0120,050,0032Предлагаемый ЧВГ (средний)3,70,0202,9-0,600,200,240,800,030,0320,980,0493Предлагаемый ЧВГ (верхний)4,20,0803,8-1,800,400,491,420,040,481,940,0994Прототип (средний)3,30,0201,750,350,500,501,71,000,50-0,125-

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к составам чугуна с вермикулярным графитом. Может использоваться для отливок «Барабан тормозной» грузовых, магистральных, спортивных автомобилей и автопоездов. Чугун содержит, мас.%: углерод 2,5-4,5; кремний 1,5-4,0; марганец 0,01-2,0; хром 0,01-0,5; никель 0,01-0,5; медь 0,01-1,5; титан 0,01-0,05; магний 0,01-0,05; сумма редкоземельных элементов 0,01-2,0; сумма окислов магния, церия, иттрия и лантана 0,001-0,1; сера 0,001-0,1; железо - остальное. Полученный чугун обладает высокими эксплуатационными свойствами при повышенных динамических и температурных нагрузках. 2 табл.

Чугун с вермикулярным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, титан, редкоземельные элементы и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний, окислы магния, церия, иттрия и лантана и остаточную серу при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод2,5-4,5кремний1,5-4,0марганец0,01-2,0хром0,01-0,5никель0,01-0,5медь0,01-1,5титан0,01-0,05магний0,01-0,05сумма редкоземельных элементов0,01-2,0сумма окислов магния, церия, иттрия и лантана0,001-0,1сера0,001-0,1железо- остальное