НЕМАГНИТНЫЙ ЧУГУН Российский патент 2012 года по МПК C22C37/10 C22C37/06 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к немагнитным аустенитным чугунам с низким коэффициентом линейного расширения, используемым в электротехнической промышленности и точном машиностроении и обладающим хорошей обрабатываемостью на металлорежущих станках.

Известен легированный немагнитный чугун (Патент Великобритании №14752292, МПК C22C 37/08, 1971) содержащий, мас.%:

Углерод 3,2-3,6 Марганец 1,77-2,23 Титан 1,15 Ниобий 1,15 Ванадий 1,15 Фосфор 0,01 Сера 0,03-0,1 Железо Остальное

Известный чугун имеет высокий коэффициент линейного расширения и не обеспечивает получения в отливках мелкозернистой аустенитной структуры со стабильными немагнитными, физико-механическими и эксплуатационными свойствами.

Известен также легированный аустенитный марганцевый чугун (Галдин Н.М. Отливки в точном машиностроении. - М: Машиностроение, 1983. - С.9) содержащий, мас.%:

Углерод 3,54 Кремний 3,31 Марганец 10,06 Фосфор 0,124 Сурьма 0,3-0,4 Сера 0,02 Железо Остальное

Этот чугун имеет в отливках более однородную аустенитную структуру, удовлетворительно обрабатывается на металлорежущих станках, но высокие концентрации кремния, сурьмы и углерода увеличивают коэффициент линейного расширения и снижают трещиностойкость, технологические и физико-механические свойства.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является немагнитный чугун (А.с. СССР №1216239, МПК C22C 37/10, 1986) следующего химического состава, мас.%:

Углерод 2,8-3,6 Кремний 1,5-2,3 Марганец 8-10 Медь 0,8-2,5 Хром 0,08-0,5 Алюминий 0,6-0,8 Редкоземельные металлы 0,01-0,1 Железо Остальное

Известный чугун обладает следующими свойствами:

Предел прочности при изгибе, МПа 760-870 Твердость в литом состоянии, HRC 51-57 Коррозийная стойкость, г/м²·ч 0,040-0,048 Коэффициент линейного расширения   от 20 до 100°C, α·10⁶, 1/°C 12-15 Величина остаточных термических напряжений, МПа 28-40 Магнитная проницаемость, μ·10⁶, Гн/м 2,8-3,5

Недостатками известного чугуна являются повышенные значения твердости в литом состоянии, магнитной проницаемости и остаточных термических напряжений в отливках. Повышенные значения твердости и остаточных термических напряжений ухудшают обрабатываемость чугуна резанием.

Задачей данного технического решения является снижение твердости в литом состоянии, остаточных термических напряжений и улучшение обрабатываемости чугуна резанием.

Поставленная задача решается тем, что немагнитный чугун, содержащий углерод кремний, марганец, медь, хром, алюминий, редкоземельные металлы и железо, дополнительно содержит барий, серу и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 3,1-3,6 Кремний 2,1-2,5 Марганец 8-10 Медь 0,8-2,5 Хром 0,07-0,1 Алюминий 0,3-0,8 Редкоземельные металлы 0,02-0,06 Барий 0,03-0,06 Сера 0,02-0,06 Бор 0,002-0,02 Железо Остальное

Дополнительное введение в чугун бария (0,03-0,06 мас.%) обусловлено существенным графитизирующим и микролегирующим влиянием его на структуру, снижение твердости, остаточных термических напряжений и улучшение обрабатываемости резанием. При увеличении содержания бария более 0,06% снижается магнитная проницаемость чугуна, ухудшается усвояемость бария расплавленным металлом и увеличиваются его потери.

При концентрации бария до 0,03% его влияния на структуру и технологические свойства чугуна недостаточно.

Дополнительное введение 0,02-0,06% серы обусловлено ее влиянием на снижение твердости чугуна в отливке, повышение обрабатываемости резанием и снижение коэффициента линейного расширения. При увеличении содержания серы более 0,06% увеличивается неоднородность структуры и снижается стабильность механических и технологических свойств. При концентрации серы менее 0,02% повышаются коэффициент линейного расширения, твердость чугуна в отливках и ухудшается обрабатываемость резанием.

Дополнительное введение в чугун бора обусловлено его влиянием на снижение магнитной проницаемости и повышение стабильности механических и технологических свойств. При увеличении концентрации бора более 0,02% повышается твердость чугуна в отливках и ухудшается обрабатываемость резанием. При концентрации бора менее 0,002% повышается магнитная проницаемость чугуна, увеличиваются остаточные термические напряжения в отливках.

Применение состава предложенного немагнитного чугуна позволяет снизить твердость в литом состоянии, остаточные термические напряжения и улучшить обрабатываемость чугуна резанием. 2 табл.

Опытные плавки чугунов проводили в открытых индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-95), передельного чугуна марки ПЛПБ2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А, чугунного лома марки 17А, ферромарганца ФМн78, катодной меди, ферробора, силикобария и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна составляла 1430-1480°C. Микролегирование чугуна медью и ферробором производили после рафинирования расплава в печи, а модифицирование селикобарием, редкоземельными металлами и алюминием - в ковше, с использованием экзотермических присадок. Заливку чугуна производили в литейные формы из холоднотвердеющих смесей (ХТС). В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.

Для исследования структуры и свойств чугуна отливали стандартные образцы (диаметр 30 мм) для механических испытаний, технологические пробы, отливки крышек масляных выключателей, нажимных колец электромашин и концевых коробок трансформаторов.

В таблице 2 приведены механические, технологические и физические свойства чугунов опытных плавок. Исследования остаточных термических напряжений чугунов в отливках проводились на решетчатых технологических пробах, склонных к трещинообразованию - на звездообразных пробах высотой 146 мм. Механические испытания проводились в соответствии с ГОСТ 24805 и ГОСТ 27208. Обрабатываемость резанием и оптимальную скорость резания определяли на токарных полуавтоматах с ЧПУ модели СА562Ф3 при механической обработке нажимных колец электромашин. В качестве эталона при сравнении обрабатываемости чугунов опытных плавок использовали антифрикционный чугун марки АЧС-5, имеющий аустенитную структуру и твердость 180 НВ. Склонность к трещинообразованию оценивали по количеству трещин в технологической пробе.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун обладает более низкими характеристиками магнитной проницаемости, твердости и остаточных термических напряжений в отливках и более высокими значениями обрабатываемости резанием и трещиностойкости, чем известный чугун.

Таблица 1 Химические составы литейных сталей опытных плавок Компоненты Содержание компонентов в чугунах, мас.% 1 (Изв.) 2 3 4 5 6 Углерод 3,2 2,8 3,1 3,4 3,6 3,8 Кремний 1,9 1,9 2,1 2,3 2,5 2,6 Марганец 9,8 7,5 8 9,1 10 11 Медь 1,2 0,6 0,8 1,4 2,5 3 Алюминий 0,7 0,1 0,3 0,6 0,8 1,2 Хром 0,3 0,05 0,07 0,09 0,1 0,3 Редкоземельные металлы 0,1 0,01 0,02 0,04 0,06 0,07 Барий - 0,02 0,03 0,05 0,06 0,08 Сера - 0,01 0,02 0,04 0,06 0,07 Бор - 0,001 0,002 0,01 0,02 0,03 Железо Остальн. Ост. Ост. Ост. Ост. Ост.

Таблица 2 Механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок Свойства чугунов Показатели свойств для составов чугунов 1 (Изв.) 2 3 4 5 6 Предел прочности при изгибе, МПа 790 805 860 875 880 845 Твердость, HRC 55 51 47 43 42 48 Магнитная проницаемость, μ·10⁶, Гн/м 3,2 3,0 2,8 2,6 2,5 2,9 Величина остаточных термических напряжений, МПа 31 29 27 25 26 30 Коэффициент линейного расширения, α·10⁶,1/°C 13 12 9,2 8,6 8,1 11 Оптимальная скорость обработки резанием, об/мин 1100-1200 1200-1300 1800-2000 2200-2500 2000-2200 1500-1650 Обрабатываемость резанием, % 100 105 116 124 120 108 Количество трещин в технологической пробе, n 8 7 3   2 5

Изобретение относится к металлургии, в частности к немагнитным аустенитным чугунам с низким коэффициентом линейного расширения. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,1-3,6; кремний 2,1-2,5; марганец 8-10; медь 0,8-2,5; хром 0,07-0,1; алюминий 0,3-0,8; редкоземельные металлы 0,02-0,06; барий 0,03-0,06; сера 0,02-0,06; бор 0,002-0,02; железо - остальное. Полученный чугун обладает пониженной твердостью в литом состоянии, низкими остаточными термическими напряжениями и высокой обрабатываемостью чугуна резанием. 2 табл.

Немагнитный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, хром, алюминий, редкоземельные металлы и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит барий, серу и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 3,1-3,6 кремний 2,1-2,5 марганец 8-10 медь 0,8-2,5 хром 0,07-0,1 алюминий 0,3-0,8 редкоземельные металлы 0,02-0,06 барий 0,03-0,06 сера 0,02-0,06 бор 0,002-0,02 железо остальное