высокопрочный чугун

Формула изобретения

Высокопрочный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,3-3,8
Кремний	2,3-2,7
Марганец	0,2-0,4
Алюминий	0,11-0,45
Магний	0,03-0,06
Церий	0,02-0,04
Никель	0,05-0,18
Титан	0,03-0,12
Кальций	0,01-0,04
Железо	Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным чугунам с повышенными упругопластическими свойствами и низкими термическими напряжениями в отливках.

Известен высокопрочный чугун (Высокопрочный чугун для отливок. Под редакцией Н.Н. Александрова. М.: Машиностроение, 1982, с.165), содержащий, мас.%:

Углерод	3,5-3,8
Кремний	0,2-2,0
Марганец	0,55
Магний	0,03
Фосфор	0,05-0,06
Сера	0,004-0,006
Железо	Остальное

Известный чугун обладает недостаточными упругопластическими свойствами и повышенными термическими напряжениями в отливках, что обусловлено низким содержанием кремния и повышенным содержанием марганца и примесей.

Известен высокопрочный чугун (Патент Японии №57-89453, С22С 37/06, 1982), содержащий, мас.%:

Углерод	3,0-4,0
Кремний	2,0-3,5
Марганец	до 1,1
Хром	0,3-0,7
Титан	0,01-0,15
Ванадий	0,1-0,3
Фосфор	0,2-0,4
Сера	до 0,2
Железо	Остальное

При изготовлении отливок из этого чугуна достигаются удовлетворительные механические свойства, но высокое содержание отбеливающих элементов (хром, ванадий, фосфор и марганец) приводит к увеличению остаточных термических напряжений и снижению пластичности.

По технической сущности и достигаемому эффекту к предполагаемому изобретению наиболее близким является высокопрочный чугун (а.с. СССР №985119, МПК С22С 37/00, 1983), содержащий, мас.%:

Углерод	3,2-3,6
Кремний	1,9-2,2
Марганец	0,2-0,4
Магний	0,03-0,07
Алюминий	0,5-1,0
Церий	0,01-0,05
Железо	Остальное

Чугун в качестве примесей может содержать до 0,1 (мас.%) хрома и до 0,06 (мас.%) серы.

Данный чугун выплавляют в электропечах или дуплекс-процессом (вагранка - электрическая печь) с перегревом до 1420°С и модифицируют магнием, церием и алюминием с помощью соответствующих ферросплавов. При литье он обеспечивает получение ферритоперлитной металлической матрицы и следующих механических свойств:

Временное сопротивление, МПа	575-605
Твердость, НВ	180-220
Относительное удлинение, %	3-4
Предел выносливости при кручении, МПа	75-120
Ударная вязкость, Дж/см 2	21-30
Отбел, мм	3-7

Недостатком известного чугуна являются низкие динамические характеристики механических свойств. Отмечаются недостаточные относительное удлинение и высокие термические напряжения в отливках.

Задачей данного технологического решения является повышение упругопластических свойств чугуна и снижение остаточных термических напряжений в отливках.

Поставленная задача достигается тем что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, церий и железо дополнительно содержит никель, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,3-3,8
Кремний	2,3-2,7
Марганец	0,2-0,4
Алюминий	0,11-0,45
Магний	0,03-0,06
Церий	0,02-0,04
Никель	0,05-0,18
Титан	0,03-0,12
Кальций	0,01-0,04
Железо	Остальное

Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - никеля и титана и дополнительное микролегирование его кальцием, что существенно повышает упругопластические свойства и снижает остаточные термические напряжения в отливках. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные отличия являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели предлагаемого изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.

Введение никеля обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей добавкой, повышающей однородность и дисперсность структуры и упругопластические свойства и снижающей термические напряжения в отливках. Верхний предел концентрации никеля (0,18%) обусловлен снижением ударной вязкости при более высоких его концентрациях. При уменьшении концентрации никеля менее 0,05% укрупняется структура и повышаются остаточные термические напряжения в отливках.

Титан введен как микролегирующая и графитизирующая добавка, снижающая термические напряжения в отливках. При его содержании менее 0,03% микролегирующий эффект недостаточен, а при содержании более 0,12% снижаются относительное удлинение и ударная вязкость.

Кальций - графитизирующий модификатор, очищающий границы зерен, существенно повышающий упругопластические свойства. При концентрации кальция менее 0,01% модифицирующий эффект низкий, а при увеличении содержания кальция более 0,04% увеличивается угар, снижаются однородность структуры и упругопластические свойства.

Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального лома, алюминия А91, ферромарганца и других ферросплавов. Микролегирование никелем, алюминием и титаном производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в ковше с использованием металлотермических смесей, включающих никель-магниевую лигатуру, силикокальций СК30 и ферроцерий. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые и ступенчатые технологические пробы. Ударную вязкость определяют на образцах 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм. В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 - механические свойства.

Таблица 1
Чугун	Содержание компонентов в чугунах, мас.%
	1 /Известный/	2	3	4	5	6
Углерод	3,3	3,1	3,3	3,5	3,8	3,9
Кремний	2,1	2,2	2,3	2,5	2,7	2,8
Марганец	0,4	0,1	0,2	0,3	0,4	0,6
Алюминий	0,7	0,07	0,11	0,23	0,45	0,5
Магний	0,06	0,02	0,03	0,05	0,06	0,1
Церий	0,03	0,01	0,02	0,03	0,04	0,05
Никель	-	0,02	0,05	0,12	0,18	0,21
Титан	-	0,02	0,03	0,06	0,12	0,17
Кальций	-	0,002	0,01	0,02	0,04	0,06
Железо	Остальн.	Остальн.	Остальн.	Остальн.	Остальн.	Остальн.

Таблица 2
Показатели	Свойства высокопрочных чугунов
	1 /Известный/	2	3	4	5	6
Временное сопротивление, МПа	590	635	720	748	765	687
Ударная вязкость, Дж/см 2	28	30	35	42	40	33
Термические напряжения в отливках, МПа	34	21	8,9	7,3	7,6	9,7
Относительное удлинение, %	4,2	9,3	19,3	19,8	19,2	16,2
Индекс загрязненности НВ, %	0,0027	0,0016	0,0012	0,008	0,0011	0,0015

Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун имеет более высокие упругопластические свойства и низкие термические напряжения.