НЕМАГНИТНЫЙ ЧУГУН Российский патент 2020 года по МПК C22C37/10 

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

Известен легированный аустенитный марганцевый немагнитный 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

Высокие концентрации в этом чугуне кремния, фосфора, сурьмы и углерода увеличивают в отливках неоднородность крупнозернистой аустенитной структуры и коэффициент линейного расширения, снижают стабильность магнитной проницаемости, обрабатываемость резанием на станках-автоматах и физико-механические свойства.

Известен также легированный немагнитный автоматный чугун (Патент Великобритании №14752292, МПК С22С 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 не обеспечивает получения в отливках мелкозернистой аустенитной структуры со стабильными немагнитными, физико-механическими и эксплуатационными свойствами, обладает высокими остаточными термическими напряжениями и коэффициентом линейного расширения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является немагнитный чугун (А.с. СССР №1216239, МПК С22С 37/10, 1986, прототип) 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 (РЗМ) 0-0,1 Железо Остальное.

Известный чугун обладает следующими свойствами:

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

Недостатками известного чугуна являются повышенные значения твердости, остаточных термических напряжений и магнитной проницаемости. Отмечается также склонность чугуна к трещинам, особенно наблюдаемая при изготовлении чугунных крышек масляных выключателей, концевых коробок трансформаторов и нажимных колец электромашин.

Задачей данного технического решения является снижение магнитной проницаемости и остаточных термических напряжений, повышение трещиностойкости и обрабатываемости чугуна резанием.

Поставленная задача решается тем, что немагнитный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, алюминий, хром, РЗМ и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, барий, серу и азот при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод 2,8-3,5 Кремний 2,1-2,5 Марганец 8-12 Медь 0,8-1,3 Алюминий 0,3-0,7 Хром 0,02-0,06 РЗМ 0,02-0,05 Цирконий 0,05-0,12 Барий 0,02-0,06 Сера 0,01-0,06 Азот 0,01-0,03 Железо Остальное

Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.

Дополнительное введение в чугун 0,05-012% циркония обусловлено существенным микролегирующим влиянием его на структуру, повышением ее однородности, обрабатываемости резанием, снижением дисперсности структуры и магнитной проницаемости. При увеличении содержания циркония более 0,12% увеличивается коэффициент линейного расширения и снижаются характеристики трещиностойкости, обрабатываемости резанием и удароустойчивости. При концентрации циркония менее 0,05% дисперсность структуры, обрабатываемость резанием и другие технологические свойства недостаточны.

Дополнительное введение 0,02-0,06% бария обусловлено его модифицирующей и графитизирующей активностью, значительным влиянием на дисперсность структуры, который очищает границы зерен, существенно повышает обрабатываемость резанием, трещиностойкость и упруго-пластические свойства. При увеличении содержания бария более 0,06% увеличивается его угар, повышаются неоднородность структуры и магнитная проницаемость, снижаются трещиностойкость и удароустойчивость. При концентрации бария менее 0,02% модифицирующий эффект, трещиностойкость, обрабатываемость резанием и эксплуатационные свойства недостаточны.

Дополнительное введение в чугун серы в количестве от 0,01 до 0,06% обусловлено существенным ее влиянием на снижение коэффициента линейного расширения и стабилизацию немагнитных свойств, улучшение обрабатываемости и технологических свойств чугуна. При увеличении содержания серы более 0,06% увеличивается неоднородность структуры, что снижает стабильность немагнитных свойств, характеристики трещиностойкости и удароустойчивости. При концентрации серы менее 0,01% усложняется технология плавки чугуна и ухудшаются технологические процессы обработки отливок и их трещиностойкость.

Дополнительное введение азота в количестве 0,01-0,03% обусловлено тем, что он является эффективной нитридообразующей добавкой, повышающей дисперсность структуры, обрабатываемость резанием, немагнитные и упруго-пластические свойства и снижающей термические напряжения в отливках. Верхний предел концентрации азота (0,03%) обусловлен образованием по границам зерен нитридов и карбонитридов при более высоких его концентрациях, снижением трещиностойкости, ударной вязкости и обрабатываемости резанием. При уменьшении концентрации азота менее 0,01% укрупняется структура, повышается магнитная проницаемость, ухудшаются механические, эксплуатационные свойства и обрабатываемость резанием.

Опытные плавки чугунов проводили в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-95), передельного чугуна марки ПЛ11Б2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А (ГОСТ 2787-75), чугунного лома марки 17А (ГОСТ 2787-75), катодной меди, азотированного ферромарганца, цирконийсодержащего рудного сырья, силикобария и других ферросплавов. Для науглероживания чугуна использовали бой электродов. Температура выплавляемого чугуна не ниже 1430-1480°С. икролегирование медью производили после рафинирования расплава в печи, а модифицирование РЗМ, силикобарием и алюминием - в ковше с использованием экзотермических присадок. Заливку чугуна производили в литейные формы из холоднотвердеющей смеси.

Для определения свойств чугуна заливали решетчатые и ступенчатые технологические пробы. Остаточные термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Обрабатываемость резанием и оптимальную скорость резания определяли на токарных полуавтоматах с ЧПУ модели СА562Ф3и специализированных металлорежущих станках повышенной точности модели СА665Ф3станкостроительного завода ОАО «САСТА» в сравнении с обрабатываемостью литых заготовок из АЧС- 5 с аустенитной структурой и твердостью 180 НВ. Механические испытания (по ГОСТ 27208) проводились на стандартных образцах, а определение склонности к трещинообразованию проводилось на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм и высотой 140 мм. Определение твердости по Бринеллю производилось шариком диаметром 10 мм при нагрузке 30 кН по ГОСТ 24805.

В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 их технологические и эксплуатационные свойства.

Как видно из таблицы 2, предложенный немагнитный чугун обладает более высокими технологическими и эксплуатационными свойствами.

Изобретение относится к металлургии, в частности к немагнитным чугунам. Может использоваться в точном машиностроении и электротехнической промышленности. Немагнитный чугун содержит, мас. %: углерод 2,8-3,5; кремний 2,1-2,5; марганец 8-12; медь 0,8-1,3; алюминий 0,3-0,7; хром 0,02-0,06; РЗМ 0,02-0,05; цирконий 0,05-0,12; барий 0,02-0,06; серу 0,01-0,06; азот 0,01-0,03 и железо – остальное. Чугун обладает низким коэффициентом линейного расширения и хорошей обрабатываемостью резанием. 2 табл.

Немагнитный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, алюминий, хром, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, барий, серу и азот при следующем соотношении компонентов, мас. %:

углерод 2,8-3,5 кремний 2,1-2,5 марганец 8,0-12,0 медь 0,8-1,3 алюминий 0,3-0,7 хром 0,02-0,06 редкоземельные металлы (РЗМ) 0,02-0,05 цирконий 0,05-0,12 барий 0,02-0,06 сера 0,01-0,06 азот 0,01-0,03 железо остальное