чугун

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, титан, алюминий, кальций и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь, цирконий, стронций, сурьму и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,4-3,9
Кремний	1,2-1,7
Марганец	0,7-1,0
Хром	0,4-0,6
Никель	0,02-0,2
Медь	0,6-0,9
Титан	0,03-0,08
Алюминий	0,01-0,05
Цирконий	0,03-0,08
Стронций	0,03-0,1
Сурьма	0,01-0,08
Барий	0,01-0,05
Кальций	0,01-0,05
Сера	Не больше 0,06
Фосфор	Не больше 0,1
Железо	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности к разработке составов чугуна для отливок "тормозных барабанов".

Известен серый чугун СЧ 21 и СЧ 25 (ГОСТ 1412-85), содержащий углерод, кремний, марганец, серу, фосфор и железо. Серый чугун имеет средний равномерно распределенный графит и перлитную металлическую основу с небольшим количеством свободных карбидов. Если в исходной структуре перлитного чугуна имеется хотя бы небольшое количество феррита, такая структура нестабильна и при нагреве количество феррита быстро увеличивается, что приводит к снижению износостойкости чугуна.

Наиболее близким к заявляемому является чугун, содержащий, мас.%:

углерод	2,8-4,2
кремний	1,3-3,0
марганец	0,3-0,8
фосфор	0,5-1,6
сера	0,03-0,1
хром	0,1-0,3
никель	0,05-0,15
титан	0,01-0,05
алюминий	0,02-0,06
молибден	0,03-0,1
кальций	0,01-0,05
ванадий	0,05-0,15
железо	остальное

(SU 1006531 A, 23.03.1983, МПК С 22 С 37/10).

Указанный чугун имеет низкую износостойкость и прочностные характеристики.

Заявляемое техническое решение направлено на увеличение износостойкости, прочности и теплопроводности при сохранении удовлетворительной обрабатываемости резанием.

Для решения поставленной задачи предлагается чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, титан, алюминий, кальций и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит медь, цирконий, стронций, сурьму и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,4-3,9
кремний	1,2-1,7
марганец	0,7-1,0
хром	0,4-0,6
никель	0,02-0,2
медь	0,6-0,9
титан	0,03-0,08
алюминий	0,01-0,05
цирконий	0,03-0,08
стронций	0,03-0,1
сурьма	0,01-0,08
барий	0,01-0,05
кальций	0,01-0,05
сера	не больше 0,06
фосфор	не больше 0,1
железо	остальное

Пределы содержания углерода в чугуне от 3,4 до 3,9 мас.% определены с целью получения в структуре чугуна большого количества крупных включений графита (ПГд 250-450 мкм). Крупные графитовые включения в чугуне играют роль термокомпенсационных швов, способствующих свободному тепловому расширению нагретых участков металла, и поэтому предотвращают образование напряжений и трещин. Если растущая трещина наталкивается на полость, то концентрация напряжений уменьшается, соответственно уменьшается скорость роста трещины и дальнейшее ее развитие делается мало существенным. Если углерод будет менее 3,4 мас.%, размер графитовых включений ПГд будет менее 180 мкм. Если углерод будет более 3,9 мас.%, размер графитовых включений будет более 450 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.

Содержание в чугуне кремния в количестве 1,2-1,7 мас.% выбрано по тем же соображениям, что и углерод, а также исходя из получения перлитной структуры с дисперностью перлита Пд 0,1-0,3 мкм. При содержании кремния менее 1,2 мас.% в структуре чугуна получаются свободные карбиды железа (цементит), при этом в тонких сечениях образуется "отбел". При содержании кремния более 1,7 мас.% размер графитовых включений ПГд будет более 450 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.

Марганец переходит в чугун из шихтовых материалов как постоянный компонент чушковых чугунов. При содержании марганца менее 0,7 мас.% уменьшается твердость, при содержании марганца более 1 мас.% ухудшается морфология графита.

Содержание хрома в количестве 0,4-0,6 мас.% способствует получению необходимой твердости и удовлетворительной обрабатываемости резанием. При содержании хрома менее 0,4 мас.% увеличивается дисперсность перлита и увеличивается размер графитовых включений. При содержании хрома более 0,6 мас.% увеличивается твердость и ухудшается обрабатываемость резанием

Медь и никель входят в состав чугуна как легирующие элементы, упрочняющие металлическую основу и выравнивающие структуру и свойства чугуна по сечению отливок. Никель, кроме того, способствует растворимости в чугуне меди, обладающей большей перлитизирующей и упрочняющей способностью. При содержании меди менее 0,6 мас.% и содержании никеля менее 0,02 мас.% в структуре чугуна образуется феррит, снижающий износостойкость чугуна. При содержании меди более 0,9 мас.% и никеля более 0,2 мас.% повышается твердость и ухудшается обрабатываемость резанием.

Алюминий, являясь графитизирующим элементом, увеличивает количество феррита в структуре чугуна. Обладая большим сродством к кислороду, рафинирует расплав, вызывая повышение пластичности и сопротивление разрушению металла. При содержании алюминия менее 0,01 мас.% влияние его на свойства чугуна незначительно, при содержании алюминия более 0,05 мас.% появляется образование ситовидной водородной пористости.

Титан в количестве 0,03-0,08 мас.% измельчает структуру, повышает прочность чугуна. При содержании менее 0,03 мас.% влияние его на свойства чугуна незначительно, при содержании его более 0,08 мас.% появляется опасность неметаллических включений и снижения механических свойств чугуна.

Цирконий в количестве 0,03-0,08 мас.% измельчает кристаллическую структуру чугуна, препятствует распространению трещин, рафинирует расплав по азоту, образуя тугоплавкие нитриды циркония. При содержании менее 0,03 мас.% действие его незначительно, содержание его более 0,08 мас.% приводит к образованию большого количества карбидов и нитридов циркония, являющихся хрупкими фазами, снижающими свойства чугуна.

Стронций в количествах 0,03-0,1 мас.% способствует графитизации чугуна, значительно снижает образование отбела в тонкостенных отливках. При содержании менее 0,03 мас.% действие его незначительно, при содержании более 0,1 мас.% снижается прочность чугуна.

Сурьма в количествах 0,01-0,08 мас.% способствует образованию перлита. При содержании менее 0,01 мас.% ее действие незначительно, при содержании более 0,08 мас.% ухудшается морфология графита и снижаются механические свойства чугуна.

Кальций в количестве 0,01-0,05 мас.% рафинирует чугун и увеличивает число центров кристаллизации, благодаря чему повышается трещиноустойчивость чугуна. При содержании кальция менее 0,01 мас.% его влияние незначительно. При содержании кальция более 0,05 мас.% кальций растворяется очень плохо из-за большого сродства к кислороду и сере.

Барий в количестве 0,01-0,05 мас.% способствует усилению действия стронция, увеличивает число образований центров графитизации и увеличивает живучесть модификаторов. При содержании бария менее 0,01% действие его незначительно. При содержании бария более 0,05% происходит уменьшение твердости чугуна.

Для определения эффективности чугуна предлагаемого состава в сравнении с известными провели сравнительные исследования. Химический состав изученных чугунов приведен в таблице 1.

Чугуны выплавляли в дуговой электропечи, необходимые добавки ферросплавов (ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферротитан) и легирующие элементы (никель, медь, алюминий) вводили в печь, а модифицирование проводили вводом на дно ковша ферросилиция, содержащего стронций, цирконий и барий. Одновременно с этим на дно ковша вводили сурьму.

Отливали вертикальные пробы диаметром 30 мм и высотой 250 мм, из которых изготавливали образцы для изучения структуры, механических свойств и твердости чугуна. Показателем износостойкости является форма, распределение, величина графитовых включений и дисперсность перлита, которые определяли методами количественной металлографии. Структуру чугуна изучали в зоне разрушения образцов после испытаний.

Результаты исследований приведены в таблице 2.

Как следует из таблиц 1 и 2, предлагаемый состав чугуна увеличивает размер графитовых включений до 250-450 мкм равномерно распределенной прямолинейной формы и уменьшает дисперсность перлита с 0,3-0,5 мкм до 0,1-0,3 мкм.

Таблица 1
Состав	Содержание элементов, мас.%
	С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	Ti	Zr	Ba	Са	А1	Sr	Sb	S	P
Предлагаемый
1	3,429	1,29	0,76	0,49	0,028	0,69	0,038	0,038	0,011	0,018	0,015	0,031	0,015	0,031	0,044
2	3,82	1,25	0,85	0,58	0,15	0,75	0,052	0,048	0,038	0,015	0,046	0,07	0,035	0,032	0,056
3	3,52	1,57	0,72	0,45	0,029	0,68	0,045	0,045	0,028	0,036	0,035	0,045	0,015	0,042	0,054
4	3,66	1,22	0,83	0,52	0,045	0,72	0,058	0,052	0,035	0,037	0,021	0,082	0,032	0,054	0,063
5	3,42	1,68	0,95	0,58	0,19	0,89	0,078	0,071	0,028	0,038	0,038	0,089	0,032	0,028	0,045
6	3,78	1,51	0,66	0,53	0,14	0,62	0,034	0,041	0,031	0,046	0,015	0,043	0,022	0,025	0,048
7	3,43	1,22	0,80	0,41	0,13	0,71	0,032	0,064	0,036	0,039	0,018	0,091	0,045	0,031	0,049
8	3,77	1,34	0,88	0,53	0,13	0,77	0,054	0,08	0,038	0,049	0,025	0,041	0,022	0,043	0,051
9	3,74	1,23	0,74	0,44	0,11	0,88	0,066	0,064	0,018	0.032	0,045	0,083	0,034	0,029	0,051
Известный
10	3,1	2,2	0,56	0,26	0,06	-	0,038	-	-	0,01	0,03	-	-	0,034	0,51
11	3,3	1,98	0,65	0,25	0,1	-	0,028	-	-	0,03	0,05	-	-	0,06	0,56
12	3,45	2,3	0,77	0,23	0,15	-	0,05	-	-	0,04	0,04	-	-	0,038	0,66

Таблица 2
Чугун	Физико-механические свойства		Микроструктура
	Предел прочности, МПа	Твердость НВ, ГПА	Графит			Металлическая основа
			Форма	Распределение	Размер ПГд	Перлит	Пд	Феррит
Предлагаемый
1	26	220	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
2	27	233	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
3	28	240	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
4	28	230	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
5	27	225	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
6	26	230	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
7	28	240	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
8	29	235	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
9	25	220	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
Известный
10	25	195	ПГф1, ПГф2	ПГр2, ПГр7	90-180	99	0,3	ед.
11	23	175	ПГф1, ПГф2	ПГр2, ПГр7	180	95	0,5	5
12	20	169	ПГф1, ПГф2	ПГр2, ПГр7	180-250	90	0,5	5-10