способ получения отливок из половинчатого чугуна с аустенитно-бейнитной структурой

Формула изобретения

Способ получения заготовки из половинчатого чугуна с шаровидным графитом и бейнитно-аустенитной структурой в литом состоянии, включающий выплавку, легирование, модифицирование чугуна, получение отливки в песчаную форму, извлечение ее из формы при заданной температуре и последующее регулируемое охлаждение, отличающийся тем, что расплав при заливке в песчано-глинистую форму дополнительно подвергают инокулирующему модифицированию, отливки после кристаллизации выбивают из формы при температуре 900-1000°С, перемещают в печь с температурой 950-1000°С и выдерживают в течение 10-30 мин, затем закаливают в изотермической ванне при температуре 300-320°С в течение 1-1,5 ч, при этом используют чугун, содержащий, мас.%:

углерод 3,2-3,4

кремний 3,0-3,3

марганец 0,3-0,4

магний 0,04-0,07

молибден 1,5-1,7

никель 2,2-2,6

сера 0,01-0,012

фосфор 0,06-0,08

железо остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности, к разработке способа получения половинчатых чугунов с аустенитно-бейнитной структурой, которые могут быть использованы для изготовления деталей, подверженных изнашиванию при повышенных нагрузках.

Известен способ [1, с.439-442] получения половинчатых чугунов, легированных ванадием, хромом или марганцем без дополнительной термической обработки или с последующей закалкой от 980-1020°С и отпуском при 400°С. Недостатком способа является использование повышенного количества в качестве легирующих элементов дорогих и дефицитных ванадия, хрома, меди и марганца, что значительно увеличивает стоимость отливок. Кроме того, для чугунов, содержащих менее 3% Si, в отливках диаметром 12-60 мм возможно появление участков ледебуритного отбела, что снижает стабильность их свойств в литом состоянии. С целью устранения этого недостатка в отливках (диаметром менее 12 мм) рекомендуется проводить длительный графитизирующий отжиг при температуре 900-950°С, что усложняет технологический процесс и повышает их стоимость.

Известен способ [2] получения высокопрочного чугуна с аустенитно-бейнитной структурой и шаровидным графитом. Чугун содержит (в мас.%):

углерод 3,0-4,5

кремний 0,5-3,0

марганец 0,2-1,2

магний 0,02-1,0

молибден <0,5

никель <1,0

медь <1,5

железо остальное

Чугун подвергается дополнительной термической обработке по режиму: аустенизация 860-930°С, выдержка 0,5-1 ч, изотермическая выдержка при 370-430°С в течение 1-4 ч. После термообработки чугун должен иметь в структуре 70% остаточного аустенита, 3% структурно-свободного цементита, остальное бейнит. Недостатками способа являются: применение термической обработки повышает себестоимость и не обеспечивает стабильного получения заданной структуры; удлиняется технологический процесс; незначительное количество в структуре карбидов ограничивает применение этих чугунов в качестве материала для износостойких деталей.

Наиболее близким, принятым в качестве прототипа, является бейнитный высокопрочный чугун [3]. Высокопрочный чугун содержит (в мас.%):

углерод 2,0-4,0

кремний 1,5-3,0

марганец <0,5

магний 0,02-0,07

молибден 0,2-1,0

никель 4,0-6,0

медь 0,3-2,5

железо остальное

Для обеспечения бейнитной структуры высокопрочный чугун в интервале 700-200°С охлаждается со скоростью 0,1-10°С/мин, размеры зерен получаемой структуры 100 мкм.

Однако этот способ имеет следующие недостатки. Применение в составе чугуна повышенного содержания никеля и меди приводит не только к увеличению себестоимости изделия, но и не гарантирует стабильного получения бейнитной структуры. При содержании в высокопрочном чугуне свыше 3% никеля устойчивость аустенита в области бейнитного превращения резко возрастает, что в совокупности с непрерывным охлаждением приводит к получению в структуре чугуна - мартенсита, который повышает хрупкость отливок. Твердость высокопрочного чугуна с шаровидным графитом, обеспечиваемая только за счет получения бейнитно-аустенитной матрицы, незначительна

по сравнению с половинчатыми чугунами, где ее дополнительное увеличение обеспечивается карбидами. Основным недостатком является отсутствие простых технологических приемов, позволяющих поддерживать постоянной скорость охлаждения в указанных интервалах для отливок сложной конфигурации, что также не гарантирует получения по сечению однородной бейнитной структуры.

Целью изобретения является разработка способа стабильного получения отливок из половинчатого чугуна и аустенитно-бейнитной матрицей с высокой ударной вязкостью, прочностью, твердостью, износостойкостью и квазиизотропностью.

Для достижения указанной цели, чугун выплавляют в индукционной электропечи, расплав при сливе в ковш модифицируют магнийсодержащими лигатурами для получения в отливках графитных включений шаровидной формы, при заливке в песчано-глинистую форму дополнительно подвергают инокулирующему модифицированию, отливки после кристаллизации выбиваются из формы при температуре 900-1000°С; перемещают в печь с температурой 950-1000°С и выдерживают в течение 10-30 мин, затем закаливают в изотермической ванне при температуре 300-320°С в течение 1-1,5 час, при этом используют чугун следующего химического состава, (в мас.%):

углерод 3,2-3,4

кремний 3,0-3,3

марганец 0,3-0,4

магний 0,04-0,07

молибден 1,5-1,7

никель 2,2-2,6

сера 0,01-0,012

фосфор 0,06-0,08

железо остальное

Это обеспечивает стабильное получение половинчатых чугунов с шаровидным графитом, дисперсными карбидами и аустенитно-бейнитной матрицей. Такая композиционная микроструктура отличается высокой твердостью, износостойкостью, прочностью и повышенной вязкостью чугуна, в результате отливки из него обладают высокой эксплуатационной стойкостью.

Содержание в половинчатом чугуне углерода 3,2-3,4% обеспечивает получение карбидных и графитных включений, что повышает его прочность и твердость. Кроме того, углерод повышает устойчивость аустенита, при высокой температуре аустенизации после выбивки отливок из формы и последующего их переноса в печь. Устойчивость аустенита, которую он приобретает в результате аустенизации, сохраняется до комнатных температур.

Элементами, обеспечивающими процесс графитизации в чугуне, являются углерод, кремний и никель. Основная роль в этом процессе отводится кремнию, который вносится в расплав несколькими этапами. Во-первых, основное количество кремния вносится с расплав с шихтой. Во-вторых, при сфероидизирующей обработке в составе магнийсодержащей лигатуры. В-третьих, при инокулирующем модифицировании.

Снижение содержания кремния менее 3,0% приводит к повышению вероятности получения белых чугунов, а при увеличении его содержания выше указанного предела образуются силикокарбиды, резко повышающие хрупкость и снижающие вязкость чугуна.

Суммарное содержание в указанных пределах углерода и кремния обеспечивает эвтектическую кристаллизацию чугуна, что облегчает процесс совместного возникновения карбидов и графита.

Основным карбидообразующим элементом является молибден. Содержание в чугуне молибдена в указанном интервале приводит к возникновению в чугуне карбидов Мо₂ С, упрочняющих металлическую матрицу. Наличие в структуре чугуна помимо карбидов, графита сферической формы, способствует снижению плотности материала и повышению износостойкости. Известно, что графит в чугунах, используемых для деталей, подверженных изнашиванию при повышенных нагрузках, играет роль твердой смазки.

Комплексное легирование Ni и Мо повышает устойчивость аустенита в верхней температурной области его трансформации, что позволяет избежать появления в конечной структуре продуктов перлитного превращения. Легирование этими элементами в указанных интервалах значительно увеличивает прокаливаемость чугуна и способствует его квазиизотропности.

Содержание никеля свыше 2,6% вызывает снижение твердости и уменьшение склонности к наклепу остаточного аустенита.

Легирование чугуна наиболее целесообразно производить в электропечи при его выплавке, так как при этом обеспечивается наилучшее усвоение легирующих элементов из вводимых легирующих добавок и точное получение заданного химического состава.

Содержание серы и фосфора принято на уровне примесей, количество которых в чугуне обеспечивается исходными шихтовыми материалами.

Содержание марганца выдерживается на нижнем переделе, который обусловлен примесной составляющей этого элемента в исходных шихтовых материалах. Повышение содержания марганца приводит к снижению прочностных свойств. Это связано с тем, что этот элемент, ликвируя по границам эвтектических зерен, подавляет бейнитное превращение, образуя при этом карбиды, которые снижают вязкость и прочность чугуна.

Магний вводится в чугун при сфероидизирующем модифицировании, как составляющий элемент магнийсодержащих лигатур. Его остаточное содержание в пределах 0,04-0,07 обеспечивает получение графита шаровидной формы.

Дополнительное инокулирующее модифицирование ферросилицием после сфероидизирующей обработки магнийсодержащими лигатурами, при заливке расплава в форму способствует процессу графитизации, получению более правильной сферической формы графитных включений, измельчению зерен аустенита и квазиизотропности.

Предварительная выбивка отливок из формы при температурах 900-1000°С обеспечивает получение в них аустенитной структуры. Это сокращает технологический процесс и не требует повторного нагрева на аустенизацию. При этом графит и карбид сформировались в отливках при кристаллизации. Поэтому отливка при температуре извлечения из формы имеет аустенитную структуру металлической матрицы с включениями графита шаровидной формы и дисперсными карбидами молибдена. Для отливок со сложной конфигурацией, время извлечения их из формы необходимо определять из расчета температуры наименьшего сечения.

Перемещение горячих отливок в печь с температурой 950-1000°С способствует выравниванию температурного градиента по сечению, что особенно важно для деталей, имеющих сложную конфигурацию. Кроме того, в результате выдержки при температуре аустенизации протекают диффузионные процессы, содействующие получению более однородного химического состава в пределах эвтектического зерна.

Снижение температуры ниже указанного предела может привести к протеканию эвтектоидного превращения и возникновению в структуре перлита, понижающего эксплуатационные свойства чугуна.

Последующая закалка и изотермическая выдержка при температуре 300-320°С в течение 1-1,5 часов приводит к частичной трансформации аустенита в нижний бейнит. Повышение или снижение температуры изотермической ванны приводит к возникновению верхнего бейнита или мартенсита соответственно и снижению вследствие этого свойств чугуна. В качестве закалочной среды применяют жидкие соляные и легкоплавкие металлические сплавы. После необходимой выдержки отливки извлекаются из печи и охлаждаются на воздухе до комнатных температур. Не превращенный, остаточный аустенит находится в метастабильном состоянии.

Сохранению остаточного аустенита до комнатных температур способствует высокая температура выдержки чугуна при аустенизации и повышенное содержание никеля, кремния и углерода в аустените. Под внешним воздействием (эксплуатационные нагрузки) метастабильный аустенит трансформируется в мартенсит, что повышает его твердость и износостойкость поверхности независимо от степени износа детали. Таким образом, полученная структура является самоупрочняющейся.

Технический результат, реализуемый при осуществлении изобретения, заключается в получении заготовок со структурой чугуна, состоящей из карбидных и графитных включений и бейнитно-аустенитной матрицы, которые при оптимальном сочетании, обеспечиваемом перечисленными технологическими приемами и составом чугуна, позволяют повысить уровень износостойкости чугуна. Отливки, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств по сечению отливки и могут широко использоваться в различных отраслях машиностроения.

Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов и средств.

Плавку чугуна осуществляют в плавильных электропечах, а его модифицирование - магнийсодержащими лигатурами при сливе расплава в ковш. Проводят дополнительное инокулирующее модифицирование в струю расплава при заливке в форму. Отливки получают путем заливки жидкого чугуна в песчаные формы. Отливки извлекают из форм при высоких температурах и перемещают в печь, где их выдерживают и далее подвергают изотермической закалке, в закалочной ванне. После выдержки отливок в ванне в течение заданного времени их извлекают из нее, и последующее охлаждение их проводят на воздухе.

Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок с заявленными микроструктурой и свойствами.

Пример. В индукционной электропечи расплавляли шихтовые материалы и получали легированный чугун. При температуре расплава 1400°С его сливали в ковш, в который предварительно засыпали 2% от массы расплава дробленую магнийсодержащую лигатуру ФСМг-6 (ТУ 14-5-134-86).

Инокулирующее модифицирование проводили посредством ввода 0,5% ФС75 (фракция 0,6-2 мм) в струю расплава чугуна при заливке в формы. После модифицирования чугун имел следующее содержание компонентов, мас.%:

углерод 3,3

кремний 3,2

марганец 0,4

магний 0,06

молибден 1,5

никель 2,4

сера 0,01

фосфор 0,06

железо остальное

Из модифицированного чугуна получали отливки с различной толщиной стенки по сечению от 10 до 45 мм, путем заливки его в песчано-глинистые формы. Отливки извлекались из форм при температуре 960-980°С и быстро перемещались в термическую печь с температурой 980°С, выдерживались в течение 25-30 мин. После этого отливки перемещались в изотермическую ванну с температурой 310°С и выдерживались в ней 1 час, последующее их охлаждение производилось на воздухе.

Из различных частей отливки изготавливались шлифы, по которым изучали микроструктуру. Исследование показало, что во всех исследуемых шлифах структура представляла собой половинчатый чугун с равномерно распределенными карбидами и графитными включениями шаровидной формы. Металлическая матрица состояла из 35-55% аустенита и 45-65% нижнего бейнита. Таким образом, структура отливок отличается от прототипа квазиизотропностью структуры и свойств.

Себестоимость полученных отливок на 15% ниже себестоимости отливок прототипа.

Исследования на износ проводились на машине трения СМЦ - 2 при условиях: удельное давление - 8 кг/см²; твердость контртела - 65 HRC; материал контртела Сталь 45; охлаждающе-смазывающая среда с целью предотвращения схватывания - вода.

Изучение процесса износа показало, что износостойкость полученного чугуна в 2-3 раза выше износостойкости прототипа.

Кроме того, заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получить более мелкозернистую микроструктуру, что положительно сказывается на эксплуатационных свойствах чугуна. Выявление величины зерна проводилось металлографическими методами в соответствии с ГОСТ 5639-82.

Источники информации, использованные при составлении заявки:

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

2. Высокопрочный чугун. Мидзуно Синья; Тоета дзидоси к.к. Заявка 61-6249, Япония. Заявл. 20.06.84, №59 - 126966, опубл. 11.01.86. МКИ С 22 С 37/04; С 21 D 5/00.

3. Бейнитный высокопрочный чугун. Исихира Тосиаки, Икудзима Кадзутакэ, Миямото Ясухиро, Судзуки Кацуми; Ниппон гайси к.к. Заявка 61-133361, Япония. Заявл. 30.11.84, №59-253492, опубл. 20.06.86, МКИ С 22 С 37/04, С 21 D 5/00.