чугун, способ его получения и способ термической обработки отливок из него

Формула изобретения

1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, кальций, РЗМ, железо и примеси, отличающийся тем, что дополнительно содержит барий и молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,23-4,08
Кремний	2,76-3,89
Марганец	0,20-0,47
Молибден	0,15-0,48
Алюминий	0,02-0,08
Магний	0,02-0,05
Барий	0,03-0,10
Кальций	0,008-0,018
РЗМ	0,02-0,06
Железо и примеси	Остальное

2. Способ получения чугуна, включающий выплавку чугуна и обработку его расплава в разливочном ковше модифицирующей смесью компонентов, содержащей измельченную лигатуру, силикобарий и плавиковый шпат, отличающийся тем, что получают чугун по п.1, при этом плавку чугуна ведут в индукционных электропечах, при модифицировании используют чугунную решетку, пригружающую смесь, а расплав обрабатывают модифицирующей смесью, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:

Силикобарий	9,0-10,5
Плавиковый шпат	12-15
Лигатура	Остальное

причем общее количество смеси составляет 2,8-3,5% от массы чугуна при массе решетки 1,5-2% от массы чугуна, а лигатура содержит, мас.%:

Кремний	45-55
Магний	6-9
Кальций	3-7
РЗМ	3-8
Алюминий	1-3
Железо	Остальное

3. Способ термической обработки отливок из чугуна, включающий отжиг, нагрев, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что термической обработке подвергают отливки из чугуна по п.1, при этом проводят гомогенизирующий отжиг при 950-1000°С с выдержкой 3-5 ч, ферритизирующий отжиг путем охлаждения с печью до 780-720°С, выдержки при этой температуре 2,5-3 ч и последующего медленного охлаждения с печью до 650÷600°С, после чего проводят быстрое охлаждение на воздухе или в воде до комнатной температуры и осуществляют искусственное старение путем нагрева до 350-420°С с выдержкой 2-3 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.

Сочетание высоких механических свойств, включая повышенные значения пластичности и ударной вязкости, в чугунах с шаровидным графитом получают путем выбора необходимого химического состава, способа плавки и сфероидизирующего модифицирования чугуна и способа термической обработки отливок.

Известен высокопрочный чугун марки ВЧ 40 (ГОСТ 7293-85), обладающий повышенными прочностными свойствами, пластичностью и ударной вязкостью. Рекомендуемый химический состав этого чугуна для отливок с толщиной стенки до 100 мм включает [1], мас.%:

Углерод	3,0-3,8,
Кремний	1,2-2,9,
Марганец	0,2-0,6.

В качестве примесей в составе чугуна содержатся, мас.%: фосфор до 0,05, сера до 0,02, хром до 0,1. Сфероидизация графита осуществляется обычно путем обработки жидкого чугуна магнийсодержащими присадками или комплексными модификаторами. В качестве термической обработки используют ферритизирующий отжиг при 680-800°С.

Получение чугуна ВЧ 40 обеспечивается, в частности, составом [2], включающим, мас.%:

Углерод	2,7-3,8	Магний	0,03-0,08
Кремний	2,1-2,9	Железо и примеси	остальное.
Марганец	0,15-0,45

К недостаткам этого чугуна относятся недостаточная стабильность свойств, заключающаяся в слишком большом разбросе возможных значений пластичности и ударной вязкости, и резкое падение ударной вязкости при отрицательных температурах.

Наиболее близким к предлагаемому является чугун [3], содержащий, мас.%:

Углерод	2,7-3,2	Магний	0,005-0,05
Кремний	1,0-2,5	Кальций	0,001-0,004
Марганец	0,05-0,14	Редкоземельные
Никель	0,3-0,8	металлы (РЗМ)	0,008-0,09
Алюминий	0,005-0,02	Железо	остальное

Этот чугун имеет перлитную структуру металлической основы и обладает высокими прочностными свойствами.

Недостатки чугуна определяются его перлитной структурой и заключаются в недостаточных значениях ударной вязкости и пластичности.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения чугуна [4], включающий выплавку чугуна и обработку его расплава в разливочном ковше модифицирующей смесью компонентов, содержащей, мас.%:

Лигатура	33-37
Силикобарий	4,5-6,0
Олово	1,8-2,2
Отходы меди	20-25
Плавиковый шпат	10-12
Стальные и чугунные отходы	остальное,

причем общее количество смеси составляет 4,5-6% от массы чугуна, а лигатура содержит, мас.%:

Кремний	18-32
Магний	4-9
Кальций	3-8
РЗМ	3,5-10
Медь	27-50
Алюминий	1-3
Железо	остальное

Этот способ обеспечивает снижение пироэффекта при модифицировании, повышение степени усвоения магния, повышение стабильности процесса модифицирования и стабилизацию твердости чугуна в отливках.

Недостатками способа являются невозможность обеспечения высокой пластичности и ударной вязкости чугуна как из-за перлитизации его структуры, так и из-за недостаточной очистки чугуна от примесей.

Для обеспечения ферритной структуры чугуна наиболее близким является способ термической обработки [5], включающий гомогенизацию при 900-1000°С, охлаждение и выдержку при 700-760°С, отпуск при 200°С.

Этот способ обеспечивает повышение пластичности и ударной вязкости чугуна, в том числе и при отрицательных температурах. Однако при этом способе не обеспечиваются достаточно высокие прочностные свойства чугуна.

Задача изобретения - получение чугуна с шаровидным графитом, гомогенизированным и упрочненным ферритом.

Технический результат - повышение пластичности и ударной вязкости, в том числе и при низких температурах, при сохранении повышенной прочности чугуна.

Это достигается тем, что:

1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, кальций, РЗМ, примеси и железо, дополнительно содержит барий и молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,23-4,08	Магний	0,02-0,05
Кремний	2,76-3,89	Барий	0,03-0,10
Марганец	0,20-0,47	Кальций	0,008-0,018
Молибден	0,15-0,48	РЗМ	0,02-0,06
Алюминий	0,02-0,08	Железо и примеси	остальное,

причем общее остаточное содержание элементов модификатора должно отвечать условию П=Mg+Ва+Са+РЗМ = 0,112-0,188, мас.%.

В качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0, 03, сера до 0,015, хром до 0,05.

2. В способе получения чугуна, включающем выплавку чугуна и обработку его расплава в разливочном ковше модифицирующей смесью компонентов, содержащей измельченную лигатуру, силикобарий и плавиковый шпат, плавку чугуна ведут в индукционных электропечах, при модифицировании используют специально отливаемую чугунную решетку, пригружающую смесь, а сама смесь содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:

Силикобарий	9,0-10,5,
Плавиковый шпат	12-15,
Лигатура	остальное,

причем общее количество смеси составляет от массы чугуна 2,8-3,5% при массе решетки 1,5-2%, а лигатура содержит, мас.%:

Кремний	45-55	РЗМ	3-8
Магний	6-9	Алюминий	1-3
Кальций	3-7	Железо	остальное.

3. В способ термической обработки, включающий гомогенизацию, охлаждение и выдержку, введена дополнительная операция искусственного старения при следующем сочетании операций:

Гомогенизирующий отжиг	950-1000°С, 3-5 часов
Охлаждение с печью до	780-720°С
Выдержка (ферритизация)	780-720°С, 2,5-3 часа
Охлаждение с печью до	650-600°С
Охлаждение на воздухе или в воде	до комнатной температуры
Искусственное старение	350-420°С, 2-3 часа.

Изменения в химический состав выплавляемого чугуна введены с целью стабильного получения без отбела отливок с разной толщиной стенки, максимальной ферритизации структуры чугуна в отливках и обеспечения необходимых свойств чугуна после термической обработки.

В чугуне увеличено содержание кремния, который является основным элементом-ферритизатором. При содержании кремния менее 2,76% в структуре чугуна в тонкостенных отливках происходит значительная перлитизация (более 50%) и даже появляется заметный отбел. Вместе с тем после термической обработки в этом случае трудно получить повышенные прочностные свойства при высоких значениях пластичности и ударной вязкости. При увеличении содержания кремния более 3,89% заметно снижаются пластичность и ударная вязкость термообработанного чугуна.

Содержание марганца не должно превышать 0,47%, т.к. при большем содержании увеличивается склонность чугуна к перлитизации структуры и отбелу в отливках, что затрудняет проведение процесса гомогенизации и приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна. Минимальное количество марганца в чугуне, составляющее 0,2%, соответствует его содержанию в качестве технической примеси и практически не может быть уменьшено при использовании обычных шихтовых материалов. Более низкое содержание марганца в известном чугуне связано с использованием специальных шихтовых материалов, что приводит к удорожанию чугуна.

Молибден в составе данного чугуна используется для устранения или уменьшения ферритной хрупкости, что особенно важно при структуре с гетерогенизированным ферритом. При содержании менее 0,15 мас.% молибдена эта его роль практически не проявляется, а при содержании более 0,48 мас.% происходит существенное удорожание чугуна, появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость.

Содержание алюминия в составе чугуна увеличено с целью уменьшения склонности чугуна к отбелу и увеличения степени ферритизации структуры. При содержании менее 0,02% влияние алюминия не проявляется. Содержание алюминия более 0,08% может приводить к снижению стабильности свойств, прежде всего ударной вязкости.

Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна в литом состоянии. При содержании углерода менее 3,23 мас.% уменьшается степень ферритизации структуры, становится возможным образование перлита и повышение твердости. Если в чугуне содержится более 4,08 мас.% углерода, в его структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации), что может проявляться в снижении всех механических свойств чугуна.

Параметр П, характеризующий суммарное содержание в чугуне элементов комплексного модификатора, должен быть не менее 0,112%. В противном случае степень рафинирования чугуна и сфероидизации графита оказывается недостаточной. При П более 0,188% повышенный расход модификатора, удорожая чугун, не приводит к повышению его свойств, наоборот, при этом возможно даже перемодифицирование чугуна с ухудшением формы графитных включений.

Содержание магния рекомендуется в пределах 0,02-0,05 мас.%. Если остаточное содержание магния менее 0,02 мас.%, то результаты модифицирования нестабильны. Увеличение содержания магния более 0,05 мас.% нецелесообразно, так как это не повышает свойства чугуна.

Кальций играет роль десульфуратора и раскислителя, существенно уменьшая расход магния и РЗМ. Содержание менее 0,008 мас. % кальция соответствует чугуну, не модифицированному кальцием. Слишком большой расход кальция, соответствующий остаточному содержанию более 0,018 мас.%, увеличивает количество неметаллических включений, ухудшает усвоение модификатора и снижает свойства чугуна.

РЗМ вводятся с целью нейтрализации элементов, оказывающих на графит десфероидизирующее действие (например, алюминия и различных микропримесей). При содержании менее 0,02 мас.% РЗМ полная сфероидизация графита не обеспечивается. Повышение содержания РЗМ более 0,06 мас.% нецелесообразно, так как не оказывает положительного эффекта, но удорожает чугун.

Дополнительно в состав чугуна введен барий (в виде силикобария в составе комплексного модификатора). Совместно с другими компонентами комплексного модификатора он обеспечивает глубокое рафинирование чугуна, полное устранение отбела и ферритизацию структуры чугуна даже в тонкостенных отливках. Для этого достаточно содержание бария в заявляемых пределах. При остаточном содержании бария более 0,10% его модифицирующий эффект не усиливается, но стоимость чугуна возрастает. При содержании бария менее 0,03% его рафинирующее и ферритизирующее действие проявляется незначительно.

В способе получения чугуна используют индукционную электроплавку, обеспечивающую возможность наиболее точного регулирования химического состава и хорошее перемешивание жидкого чугуна. В состав модифицирующей смеси включен силикобарий с целью наиболее глубокого рафинирования металла. Для предохранения модификатора от всплывания и сгорания в атмосфере используют чугунную решетку.

Комплексная обработка жидкого чугуна проводится в разливочном ковше при температуре 1390-1430°С, причем на дно ковша смесь укладывается послойно в виде "сандвича" (смесь лигатуры и силикобария, затем плавиковый шпат, а сверху пригружение чугунной решеткой).

Термическая обработка отливок состоит из трех стадий. Первую стадию проводят с целью гомогенизации чугуна в аустенитном состоянии, что обеспечивается нагревом до 950-1000°С и выдержкой от 3 до 5 часов. Вторая стадия заключается в ферритизирующем отжиге, для чего отливки медленно охлаждают (вместе с печью) от температуры первой стадии до 780-720°С, выдерживают при этих температурах 2,5-3 часа и медленно охлаждают до 650-600°С, после чего охлаждение до комнатной температуры ведут быстро (на воздухе для тонкостенных отливок, в воде для отливок с толщиной стенки более 20 мм) с целью предотвращения ферритной хрупкости. Третью стадию термической обработки проводят с целью упрочнения феррита путем его спинодального расслоения при искусственном старении. Для этого отливки нагревают до 350-420°С, выдерживают 2-3 часа и охлаждают на воздухе.

Плавку чугуна проводили в индукционных тигельных печах емкостью 50 и 150 кг с кислой футеровкой. Использовали шихту, состоящую из литейного чугуна и ферросплавов (ферросилиция и ферромолибдена). Модифицирование проводили в разливочных ковшах емкостью от 50 до 100 кг. По каждому варианту химического состава чугуна в сухие песчано-глинистые формы отливали стандартные клиновые пробы толщиной 30 мм. Из клиновых проб после их термической обработки вырезали стандартные образцы для механических испытаний.

Химические составы чугунов по всем вариантам приведены в табл.1, а результаты механических испытаний - в табл.2.

Видно, что предлагаемое сочетание химического состава чугуна, способа его получения и способа термической обработки обеспечивает по сравнению с прототипом значительно более высокие значения пластичности и ударной вязкости, в том числе и при отрицательной температуре. При выходе химического состава чугуна за предлагаемые пределы (сплавы №№5 и 6) свойства чугуна существенно ухудшаются. Отклонение способа термической обработки от п.3 изобретения (т.е. при термической обработке без старения) также приводит к снижению свойств чугуна, особенно предела прочности.

Источники информации

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

2. Патент РФ №2112073, кл. С 22 С 37/10.

3. Патент РФ №2098508, кл. С 22 С 37/10.

4. Патент РФ №2198227, кл. С 22 С 37/10.

5. Холодостойкий чугун с шаровидным графитом/ Леков А.Т., Иванчева Ц.Р., Илиев З.М., Дафинова Р.И.// Кристаллизация и свойства высокопрочного чугуна в отливках. - Киев: Изд-во ИПЛ АН УССР, 1990. - С.97-102.

Таблица 1 Химические составы чугунов
Чугун	Содержание элементов, мас. %									Параметр П, мас.%
	С	Si	Mn	Мо	Al	Mg	Ba	Са	РЗМ
1	3,23	3,73	0,31	0,48	0,02	0,02	0,03	0,012	0,05	0,112
2	3,48	3,42	0,20	0,36	0,08	0,03	0,08	0,018	0,06	0,188
3	3,61	3,89	0,39	0,30	0,05	0,03	0,05	0,011	0,03	0,121
4	4,08	2,76	0,47	0,15	0,03	0,05	0,10	0,008	0,02	0,178
5	3,02	2,14	0,66	0,61	0,01	0,06	0,11	0,004	0,08	0,254
6	4,30	3,96	0,20	0,03	0,12	0,01	0,02	0,020	0,01	0,060
Известный* [3]°С	2,86	1,78	0,14	30%	0,01	0,03		0,004	0,03	0,064
*) Содержится также 0,30%Ni

Таблица 2 Механические свойства чугунов (средние значения
Чугун	В, МПа	,%	НВ	KCU, Дж/см2 при		Примеч.*)
				+20°С	-40°С
1	510	23	163	125	41	Т.о. 1
	466	20	160	121	38	Т.о. 2
2	508	24	159	127	44	Т.о. 1
3	515	20	167	109	40	Т.о. 1
4	512	25	161	142	43	Т.о. 1
	480	21	159	137	39	Т.о. 2
5	664	7	217	50	8	Т.о. 1
6	240	1	149	12	2	Т.о. 1
Известный [3]	596	12	183	68	21	Т.о. 1
	602	14	187	70	20	Т.о. 2
*) Т.о. 1 - термическая обработка в соответствии с п.3 изобретения (старением); т.о. 2 - термическая обработка без старения.