чугун с вермикулярным графитом

Формула изобретения

Чугун с вермикулярным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, титан, редкоземельные элементы и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит магний, окислы магния, церия, иттрия и лантана и остаточную серу при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	2,5-4,5
кремний	1,5-4,0
марганец	0,01-2,0
хром	0,01-0,5
никель	0,01-0,5
медь	0,01-1,5
титан	0,01-0,05
магний	0,01-0,05
сумма редкоземельных
элементов	0,01-2,0
сумма окислов магния,
церия, иттрия и лантана	0,001-0,1
сера	0,001-0,1
железо	- остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, к литейному производству, в частности к разработке химического состава чугуна с вермикулярным графитом для отливок «Барабан тормозной» грузовых, магистральных, спортивных автомобилей и автопоездов и может быть использовано при массовом производстве.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является чугун с вермикулярным графитом (патент RU 2034087), содержащий, мас.%:

углерод	3,0-3,6
кремний	1,5-2,0
марганец	0,4-0,6
хром	0,4-0,6
никель	1,4-2,0
алюминий	0,1-0,3
титан	0,3-0,5
медь	0,5-1,5
редкоземельные элементы	0,1-0,15
ниобий	0,2-0,5
железо	остальное

Известный химический состав чугуна наряду с достоинствами (физико-механические свойства, износостойкость, термостойкость) имеет ряд недостатков применительно к деталям «барабан тормозной» для грузовых, магистральных и спортивных автомобилей и автопоездов, а именно:

- повышенный нагрев в результате эксплуатации (до 250°С) и, как следствие, образование микротрещин и разрушение детали;

- повышенное содержание хрома, титана, ниобия приводит к образованию карбидов и неравномерной твердости на рабочей поверхности «Барабана тормозного», что ведет к неравномерному износу рабочей поверхности и выходу из строя детали;

- наличие в чугуне легирующего комплекса: марганец, хром, никель, титан, медь, ниобий приводит к локальному формированию в структуре фосфитной эвтектики даже при незначительном содержании фосфора (менее 0,1%), отличающихся высокой твердостью и хрупкостью, что вызывает образование поперечных трещин и разрушение детали «барабан тормозной» при эктремальных знакопеременных и динамических нагрузках.

Предлагаемое изобретение направлено на создание чугуна с вермикулярным графитом для производства отливок «барабан тормозной», позволяющем эксплуатировать грузовые автомобили в тяжелых условиях при повышенных динамических и температурных нагрузках, что повышает эксплуатационную надежность автомобиля в целом.

Предлагаемый состав чугуна содержит, мас.%:

углерод	2,5-4,5
кремний	1,5-4,0
марганец	0,01-2,0
хром	0,01-0,5
никель	0,01-0,5
медь	0,01-1,5
титан	0,01-0,05
магний	0,01-0,05
сумма редкоземельных элементов	0,01-2,0
сумма окислов магния, церия, иттрия, лантана	0,001-0,1
сера	0,001-0,1
железо	остальное

Углерод является одним из основных компонентов всех чугунов, определяющий форму, распределение, размер, количество и общую площадь графитовых включений. Ниже 2,5% углерод способствует формированию в структуре чугуна цементита и других карбидов, что недопустимо. Выше 4,5% будут снижаться литейные свойства сплава (жидкотекучесть, формозаполняемость), увеличиваться размеры графитных включений.

Кремний является одним из основных элементов чугуна, способствующих вытеснению углерода из химических соединений с железом и другими легирующими элементами в самостоятельную фазу - графитные включения. Кремний является основным элементом в чугунах, способствующих формированию центров графитизации или зарождения графитной фазы. При содержании кремния менее 1,5% будет недостаточно центров кристаллизации графитных включений, что способствует формированию карбидов, а это недопустимо. Выше 4,0% будет увеличиваться хрупкость сплава вследствие образования феррита, легированного кремнием.

Марганец является одним из легирующих элементов в чугунах, способствующих перлитизации металлической матрицы. В больших количествах в чугунах способствует формированию сложных карбидов типа (FeMn)_m C_n. При содержании марганца ниже 0,01% получать расплав экономически нецелесообразно - надо применять очень чистые по марганцу шихтовые материалы, что приведет к значительному удорожанию чугуна. Выше 3,0% марганец будет способствовать формированию сложных карбидов, что приведет к повышению твердости и ухудшению обрабатываемости чугуна резанием.

Хром в количествах 0,01-0,5% определяет твердость всего сплава, способствует растворению углерода в железе с образованием химических соединений Fe ₃С и др. Ниже 0,01% получать расплав экономически нецелесообразно - надо применять очень чистые по хрому шихтовые материалы, что приводит к удорожанию чугуна. При содержании хрома выше 0,05% образуются карбиды, что приведет к значительному повышению твердости и резкому ухудшению обрабатываемости чугуна резанием.

Никель является легирующим элементом и при содержании 0,01-0,5% способствует формированию перлита в металлической матрице без карбидообразующего действия. При содержании никеля ниже 0,01% не обеспечивается легирования расплава для формирования перлита в металлической матрице. Содержание никеля выше 0,5% экономически нецелесообразно - приводит к удорожанию чугуна.

Медь при содержании в пределах 0,01-1,5% оказывает аналогичное никелю действие на чугун. При содержании меди ниже 0,01% не обеспечивается легирование расплава для выравнивания физико-механических свойств по сечению отливки. Содержание меди выше 1,5% экономически нецелесообразно, приводит к удорожанию чугуна.

Титан при содержании 0,01-0,05% способствует формированию центров образования графита. Является активным десфероидизатором графитной фазы в чугунах. При содержании титана ниже 0,01% не обеспечивается создание подложек для роста центров кристаллизации графита в чугуне. Выше 0,05% сказывается сильное действие титана как десфероидизатора графита в чугуне, а это приводит к перерасходу вермикуляризирующего модификатора.

Магний - основной модифицирующий элемент, который сфероидизирует и вермикуляризирует графитные включения в чугуне. При содержании магния ниже 0,01% не обеспечивается формирования графита вермикулярной формы в чугуне. Выше 0,05% в чугуне будет формироваться графит в виде сферы. Будет распадаться вермикулярный каркас в чугуне, что снизит теплопроводность отливки «барабан тормозной».

Редкоземельные элементы - основные модифицирующие элементы, способствующие формированию вермикулярной формы графита в чугунах. При содержании суммы редкоземельных элементов ниже 0,01% не будет происходить удаления кислорода, растворенного в расплаве, чугун будет подвержен газоусадочным дефектам. При содержании РЗМ выше 2,0% будет создаваться высокое переохлаждение расплава, что вызовет образование карбидных включений в структуре чугуна.

Оксиды магния, церия, иттрия, лантана являются стабилизирующими присадками, которые способствуют усилению эффекта вермикуляризации графита в чугуне. При содержании суммы оксидов магния, церия, иттрия и лантана ниже 0,001% будет ухудшаться формирование вермикулярного графитного каркаса в чугуне, что важно для создания оптимальных условий для эксплуатации детали «барабан тормозной». При содержании суммы оксидов магния, церия, иттрия и лантана выше 0,1% в теле отливки оксиды формируют скопление неметаллических фаз, что снижает физико-механические свойства чугуна.

Сера является неизбежным примесным элементом чугуна, препятствующим формированию вермикулярной и шаровидной форм графитных включений. Содержание серы ниже 0,001% получать в расплаве экономически нецелесообразно - надо применять очень чистые по сере шихтовые материалы, а это приводит к значительному удорожанию чугуна. При содержании серы выше 0,1% будут формироваться в структуре чугуна пластинчатый графит и снижаться механические свойства.

Предлагаемый химический состав чугуна с вермикулярным графитом для отливок «барабан тормозной» производится путем плавления шихты в первичных плавильных агрегатах: вагранка, индукционная печь или электродуговая печь, затем возможно использование как моно-процесса (т.е. без выдерживания исходного расплава в миксере), так и дуплекс-процесса, в качестве миксера возможно использование индукционной или электродуговой печей. Затем исходный (базовый) расплав чугуна обрабатывается комплексным вермикуляризирующим модификатором (возможно использование фракционного кускового модификатора, быстроохлажденного «чипс» - модификатора, проволочного модификатора по средствам «трайп» - аппарата и др.). Допускается как ковшевая обработка исходного (базового) чугуна, так и внутриформенная. Графитизирующее модифицирование осуществляется как в ковше, так и возможна внутриформенная обработка. Формообразование отливок «барабан тормозной» осуществляется как в разовые, так и в постоянные формы.

Предлагаемый химический состав чугуна с вермикулярным графитом для отливок «барабан тормозной» отливается с содержанием оксидов магния, иттрия, церия и лантана и сбалансированным содержанием легирующих элементов марганца, хрома, никеля, меди, титана, суммы РЗМ, отсутствием ниобия, что обеспечивает оптимальные физико-механические свойства чугуна с вермикулярным графитом, литейные технологические свойства сплава, а также эксплуатационные характеристики материала для отливки «барабан тормозной» грузовых, магистральных, спортивных автомобилей и автопоездов.

В таблице 1 приведены результаты сравнительных испытаний физико-механических свойств предлагаемого состава чугуна (нижний, средний и верхний уровни) и прототипа (средний уровень). В таблице 2 приведены химические составы чугуна по уровням: нижний, средний, верхний, а также по прототипу (средний уровень). В материалах прототипа, обладающем высокой относительной износостойкостью при длительных нагружениях (свыше 200 часов), происходит накапливание внутренних напряжений, приводящих к разрушениям образцов, что недопустимо для отливок «барабан тормозной». Остальные показатели физико-механических свойств говорят о комплексном приоритете предлагаемого состава чугуна с вермикулярным графитом перед прототипом.

Таблица 1
№ п/п	Химический состав чугуна	Механические свойства				Физические свойства
		Предел прочности при растяжении, МПа	Условный предел текучести, МПа	Относит. удлинение, %	Твердость по Бринелю	Предел выносливости, МПа	Теплопроводность, Вт/мК	Коэффиц. линейного расширения (20-100°С), 10-6/°С	Относительная износостойкость, %
									100 часов	200 часов	500 часов
1	Предлагаемый ЧВГ (нижний уровень)	460	390	3,5	207	200	0,41	12	95	94	92
2	Предлагаемый ЧВГ (средний уровень)	470	400	3,0	215	210	0,43	12	96	95	92
3	Предлагаемый ЧВГ (верхний уровень)	490	420	2,5	222	230	0,49	12	98	97	95
4	Прототип (средний уровень)	390	320	1,5	240	190	0,37	15	99	97	Разрушение

Таблица 2
№ п/п	Уровень	Углерод, %	Сера, %	Кремний, %	Ниобий, %	Марганец, %	Хром, %	Никель, %	Медь, %	Титан, %	Магний, %	Сумма РЗМ, %	Сумма оксидов, %
1	Предлагаемый ЧВГ, (нижний)	2,8	0,008	1,9	-	0,05	0,05	0,03	0,03	0,02	0,012	0,05	0,003
2	Предлагаемый ЧВГ (средний)	3,7	0,020	2,9	-	0,60	0,20	0,24	0,80	0,03	0,032	0,98	0,049
3	Предлагаемый ЧВГ (верхний)	4,2	0,080	3,8	-	1,80	0,40	0,49	1,42	0,04	0,48	1,94	0,099
4	Прототип (средний)	3,3	0,020	1,75	0,35	0,50	0,50	1,7	1,00	0,50	-	0,125	-