СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ
METHOD FOR CAST IRON HEAT TREATMENT WITH SPHERICAL GRAPHITE

Изобретение относится к металлургии, в частности, к разработке способа получения высокопрочных чугунов с шаровидным графитом и ферритно-аусферритной металлической матрицей, которые отличаются высокими показателями прочностных и пластических свойств, ударной вязкостью и хорошей обрабатываемостью лезвийным инструментом и могут быть использованы при производстве деталей, работающих в условиях динамических воздействий.
Известен способ [1] получения заготовок из высокопрочного чугуна с высокими показателями прочности, пластичности и ударной вязкости. Чугун химического состава (в мас.%):
углерод
- 3,28-4,03
кремний
- 2,34-3,62
марганец
- 0,22-0,53
медь
- 1,16-2,34
молибден
- 0,21-0,52
магний
- 0,02-0,05
барий
- 0,03-0,08
РЗМ
- 0,02-0,06
железо и примеси
- остальное
подвергается многостадийной термической обработке, включающей: ступенчатую аустенитизацию с нагревом до 820-830°C с выдержкой 0,5 ч и последующим нагревом до 870-900°C с выдержкой 0,5-1,5 ч; регулируемое охлаждение заготовки до температуры ниже 500°C; термоциклирование в интервале 270-390°C в течении 1,5-3 ч с последующим охлаждением на воздухе. Управление скоростью охлаждения до температуры ниже 500°C осуществляется путем выбора среды охлаждения (воздух или вода) и времени выдержки в зависимости от толщины стенки заготовки. Полученная в результате применения способа аусферритная структура обеспечивает чугуну высокие и стабильные механические свойства в заготовках с различной толщиной стенок. Недостатками способа являются: использование многостадийного, длительного и сложного процесса термической обработки, а также невозможность его применения для деталей сложной конфигурации с различной толщиной стенки по сечениям.
Известен способ [2] получения высокопрочного чугуна с бейнитно-ферритной структурой. Высокопрочный чугун имеет химический состав (в мас.%):
углерод
- 3,3-3,6
кремний
- 2,3
марганец
- 0,3
фосфор
- 0,06
сера
- 0,012
магний
- 0,028-0,034.
Для получения бейнитно-ферритной структуры проводят многостадийную термическую обработку. Первоначально исходный чугун подвергают ступенчатому ферритизирующему отжигу с выдержкой в течение 5 ч при температуре 950°C, охлаждением с печью до 720°C и выдержкой при этой температуре в течение 15 ч и последующим охлаждением на воздухе. После этого чугун подвергают изотермической закалке по режиму: аустенитизация - температура - 850-950°C, время выдержки - несколько минут; изотермическая закалка - температура закалочной ванны 400°C, время выдержки - 30 мин. Морфологическими особенностями строения полученных чугунов является микрооболочки бейнита, окружающие графитовые включения при общем доминировании ферритной матрицы. Такая структура обеспечивает чугунам высокие показатели ударной вязкости, пластичности, прочности, износостойкости и других служебных свойств.
Однако этот способ имеет следующие недостатки. Отсутствие в составе чугуна легирующих элементов не обеспечивает после термообработки требуемую структуру в изделиях сложной конфигурации с большой толщиной стенки, по причине сравнительно низкой бейнитной прокаливаемости. Применение многостадийной термической обработки значительно повышает себестоимость изделий и удлиняет технологический процесс. Отсутствие четкой зависимости температуры и времени выдержки аустенитизации от скорости протекание процессов фазовых превращений не обеспечивает стабильность получения заданных структур для деталей сложных конфигураций, что приводит к непостоянству механических и эксплуатационных свойств. Изделия из чугуна обладают низкой обрабатываемостью.
Наиболее близким принятым в качестве прототипа, является способ [3] получения высокопрочного чугуна, следующего состава (в мас.%):
углерод
- 3,03-3,52
кремний
- 3,68-4,20
марганец
- 0,21-0,43
медь
- 0,61-1,12
никель
- 1,29-2,16
молибден
- 0,20-0,47
магний
- 0,025-0,058
барий
- 0,03-0,06
РЗМ
- 0,02-0,06
железо и примеси
- остальное.
В качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0,04, сера до 0,04, хром до 0,08. Способ заключается в обеспечении ферритной структуры, получаемой из литого состояния за счет использования двухстадийного графитизирующего модифицирования: в печи - ферросилицием и в ковше - комплексным модификатором Fe-Si-Mg-Ca-Ba-РЗМ, изделия из такого чугуна подвергают термической обработке по режиму: неполная аустенитизация при 850-890°C, 1-2 ч, и изотермическая закалка при 320-350°C, 1,5-2 ч в расплаве металлов или солей или 2-3 ч в термической печи с обычной атмосферой.
К недостаткам чугуна и способа его получения относиться относительно низкие значения механических и эксплуатационных свойств изделий. Использование в составе чугуна дорогостоящего молибдена повышает себестоимость изделий и способствует появлению перлита в литой структуре отливок, что является нежелательным побочным эффектом, который негативно сказывается на распределении аусферритной составляющей в структуре термообработанного чугуна.
Целью изобретения является разработка способа стабильного получения изделий из высокопрочного чугуна с дополнительно упрочненной медистой фазой ферритно-аусферритной металлической матрицей и мелкодисперсной графитовой фазой, представленной шаровидными включениями.
Технический результат, получаемый при использовании изобретения, обеспечивает конструкционным изделиям высокий уровень прочности, ударной вязкости, пластичность и хорошую обрабатываемость после термообработки.
Это достигается тем, что способ термической обработки чугуна с шаровидным графитом отличающийся тем, что неполной аустенитизации подвергают отливку из чугуна, содержащую, в мас.%:
углерод
- 2,8-3,1
кремний
- 3,8-4,1
марганец
- 0,25-0,3
магний
- 0,05-0,08
медь
- 1,2-1,6
никель
- 1,8-2,2
сера
- 0,01-0,012
фосфор
- 0,03-0,04
железо
- остальное.
и имеющую структуру, состоящую из ферритной матрицы и графитовых включений шаровидной формы, неполную аустенитизацию проводят при температуре 920-950°C с выдержкой 0,5-1 ч, а изотермическую закалку проводят при температуре 300-300°C с выдержкой 1,5-2 ч с получение структуры с ферритно-аусферритной матрицей.
Неполной аустенитизации подвергают отливку из чугуна, содержащего, в мас.%:
углерод
- 2,8-3,1
кремний
- 3,8-4,1
марганец
- 0,25-0,3
магний
- 0,05-0,08
медь
- 1,2-1,6
никель
- 1,8-2,2
сера
- 0,01-0,012
фосфор
- 0,03-0,04
железо
- остальное,
и имеющую структуру, состоящую из ферритной матрицы и графитовых включений шаровидной формы, неполную аустенитизацию проводят при температуре 920-950°C с выдержкой 0,5-1 ч, а изотермическую закалку проводят при температуре 300-300°C с выдержкой 1,5-2 ч с получение структуры с ферритно-аусферритной матрицей.
Это обеспечивает стабильное получение высокопрочных чугунов с мелкодисперсным шаровидным графитом и упрочненной медистой фазой ферритно-аусферритной металлической матрицей. Такая композиционная микроструктура придает изделиям высокую прочность, пластичность, ударную вязкость и хорошую обрабатываемость.
Содержание в высокопрочном чугуне 2,8-3,1% углерода обеспечивает графитизацию чугуна и ограничивает количество графитовой фазы в структуре, что благоприятно сказывается на повышении уровня механических свойств. При уменьшении содержания углерода меньше 2,8% возрастает склонность чугуна к образованию цементита. Повышение концентрации углерода свыше 3,1% приводит к увеличению количества графита в структуре и образованию крупных графитовых включений не шаровидной формы, которые неблагоприятно влияют на свойства изделий.
Кремний в чугуне способствует получению графитовой фазы и подавляет образование цементита при кристаллизации. Высокое содержание в чугуне кремния повышает температуру начала интервала эвтектоидного превращения и расширяет область совместного существования феррита и аустенита. При термической обработке кремний препятствует выделению карбидных частиц при бейнитном превращении, что приводит к формированию аусферритной структуры. При превышении концентрации кремния свыше 4,1% в чугуне образуются силикокарбиды, что приводит к ухудшению свойств. Суммарная концентрация углерода и кремния обеспечивает формирование в структуре графитно-аустенитной эвтектики, без выделения первичных фаз.
Содержание марганца не должно превышать 0,3% в противном случае, проявляется сегрегация этого элемента по границам зерен. Повышение локальной концентрации марганца на границе зерна неблагоприятно сказывается на протекании бейнитного превращения и приводит к появлению в этих участках после изотермической закалки мелкодисперсных карбидов и мартенсита.
Остаточное содержание магния в интервале от 0,05 до 0,08% обеспечивает формирование в чугуне графитовых включений шаровидной формы. При превышении указанного диапазона возрастает склонность чугуна к отбелу. Если содержание магния менее 0,05%, то форма графитовых включений вырождается из шаровидной в вермикулярную.
Никель повышает устойчивость аустенита в области эвтектоидного превращения и способствует формированию аусферритных структур в процессе изотермической закалки. При эвтектической кристаллизации никель ликвирует по границам зерен аустенитно-графитовых ячеек. Неравномерность концентрации никеля в структуре чугуна используется при термической обработке для управления распределением структурных составляющих в матрице чугуна. Так как превращение феррита в аустенит начинается у графитовых включений и по границам эвтектических ячеек, то при последующей изотермической закалке аусферритная структура формируется именно в этих областях. Такое распределение аусферритный составляющей структуры чугуна обеспечивает повышение прочности чугуна против межкристаллитного разрушения и препятствует возникновению трещин на границе графит - металлическая матрица. Тем самым придавая изделиям высокий уровень прочностных свойств.
Медь в диапазоне концентрации от 1,2 до 1,6% находится на пределе растворимости ее в феррите. При изотермической закалке медистая фаза в виде пленок нанометровой толщины выделяется на границах между игольчатым ферритом и остаточным аустенитом. Уменьшение концентрации меди менее 1,2% уменьшает эффект композиционного упрочнения аусферрита, что приводит к снижению механических свойств чугуна. При увеличении концентрации меди свыше 1,6% выделяются обособленные крупные включения медистой фазы, присутствие которых нежелательно в конечной структуре чугуна.
Никель и медь способствую формированию аустенита при нагреве на аустенитизацию и повышают прокаливаемость чугуна при изотермической закалке. При кристаллизации эти элементы в указанных концентрациях способствую графитизации в процессе кристаллизации чугуна. Превышение указанной концентрации легирующих элементов приводит к формированию из литого состояния ферритно-перлитной структуры, что неблагоприятно сказывается на уровне пластических свойств чугунов после термической обработки.
При увеличенном более 0,012% остаточном содержании серы после сфероидизирующего модифицирования формируются вырожденные формы графитовых включений, которые уменьшают механические свойства чугунов.
Концентрация фосфора не должна превышать 0,04%. В противном случае в чугуне образуется фосфидная эвтектика, которая, ликвируя по границам зерен, уменьшает прочностные и пластические характеристики материала.
Двухстадийное модифицирование, состоящее из печной обработки расплава ферросилицием непосредственно перед его сливом в ковш и ковшового сфероидизирующего модифицирования, обеспечивают получение мелкодисперсных графитовых включений и формирование ферритной структуры непосредственно из литого состояния. Такая обработка расплава позволяет исключить ферритизирующий отжиг как подготовительную стадию перед изотермической закалкой.
Отливки получают литьем в сухие или подсушенные песчаные формы, что обеспечивает относительно низкую скорость их охлаждения в период эвтектоидного превращения и способствует формированию ферритной структуры.
Исходная ферритная структура чугуна является обязательным условием перед началом термической обработки. Такая структура более устойчива при нагреве до температур интервала эвтектоидного превращения, чем феррито-перлитная, и сосуществует совместно с аустенитом при нагреве до температуры аустенитизации.
Нагрев при аустенитизации проводят до температур 920-950°C, с выдержкой в течении 0,5-1 ч, что обеспечивает переход в трехфазную структурную область (аустенит, феррит и графит). Время выдержки при аустенитизации зависит от толщины стенки детали: для тонкостенных (толщина стенки менее 25 мм) - 30 мин, для средне- и толстостенных (толщина стенки более 25 мм) - 1 час.
В процессе аустенитизации часть феррита трансформируется в аустенит. Морфологически процесс перехода α→γ происходит первоначально в областях с повышенной концентрацией углерода и никеля, в частности, у графитовых включений и вдоль путей ускоренной диффузии, т.е. по границам зерен. Процентное соотношение количества первичного феррита и аустенита определяется температурой и временем выдержки изделий при аустенитизации.
После неполной аустенитизации детали быстро перемещаются на закалку в изотермическую ванну. Интервал температур изотермической закалки определяется типом превращения и аусферритной структурой, в которую трансформируется аустенит. Аусферрит является разновидностью бейнитных структур и представляет собой дисперсную систему, состоящую из феррита и остаточного аустенита. Аусферритное окно на диаграммах изотермического распада аустенита для указанного химического состава чугуна имеет узкий температурный промежуток, поэтому диапазон изотермической закалки ограничивается температурами 300-330°C. В случае превышения указанного диапазона температур в структуре чугуна образуется верхний бейнит, при закалке ниже 300°C - нижний бейнит. Нижне- и верхнебейнитные структуры снижают пластичность и ударную вязкость высокопрочного чугуна.
Время выдержки отливки в закалочной ванне составляет от 1,5 до 2 часов, оно обеспечивает полное превращение аустенита в феррит по мартенситному механизму и стабилизацию остаточного аустенита. Сочетание ферритной и аусферритной составляющих в конечной структуре чугуна обеспечивает высокие значения прочности и пластических свойств и облегчает обрабатываемость деталей после термической обработки. После выдержки в закалочной ванне отливки извлекают из нее, и последующее их охлаждение осуществляют на воздухе.
В качестве среды при изотермической закалке могут быть использованы соляные или легкоплавкие металлические расплавы. При использовании свинцовых или свинцовооловянных расплавов изделия при изотермической закалке необходимо дополнительно нагружать до полного погружения в ванну.
Технический результат, реализуемый при осуществлении изобретения, заключается в получении заготовок со структурой чугуна, состоящей из мелкодисперсных графитных включений шаровидной формы и ферритно-аусферритной металлической матрицы, упрочненной дисперсными включениями медистой фазы нанометровых размеров, которые в оптимальном сочетании, обеспечиваемом перечисленными технологическими приемами, и составом чугуна сообщают изделиям высокий уровень прочности, ударной вязкости, пластичности и хорошую обрабатываемость. Отливки, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств по сечению и могут широко использоваться в различных отраслях машиностроения.
Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов и средств.
Плавку чугуна проводят в индукционных печах, перед сливом чугуна из печи проводят инокулирующее модифицирование ферросилицием, а сфероидизирующее модифицирование при сливе расплава в ковш - комплексной лигатурой, состоящей из ферросиликобария и магнийсодержащего модификатора. Количество лигатуры от массы чугуна определяют требуемым остаточным содержанием магния, что в свою очередь, зависит от исходного содержания серы в расплаве. Отливки получают путем заливки жидкого чугуна в сухие песчаные формы. После охлаждения отливки выбивают из форм и очищают. Термическую обработку проводят путем неполной аустенитизации и изотермической закалки при заданных температурах. После выдержки отливок в изотермической 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. Плавку чугунов проводили в индукционной тигельной печи промышленной частоты, емкостью 50 кг с кислой футеровкой. Перед сливом из печи расплав модифицировали мелкофракционным ферросилицием ФС75. Сфероидизирующее модифицирование выполняли в 25 кг ковше, сэндвич-процессом, с использованием комплексной лигатуры, состоящей из 70% ФСМг 7 и 30% ферросиликобария SIBAR22. Температура расплава при сливе из печи перед модифицированием 1440-1450°C.
Чугуны заливали в песчано-глинистые сухие формы с сифонной литниковой системой для получения цилиндрических заготовок ⌀ 30×300 мм, из которых изготавливали образцы для исследования микроструктуры и механических свойств.
Химический состав исследованных чугунов представлен в табл.1.
Таблица 1
Химические составы чугунов
Сплав
Содержание элементов, в мас.% *
C
Si
Mn
Cu
Ni
Mo
Mg
Ba
РЗМ
1
3,2
3,8
0,25
1,2
1,8
-
0,06
-
-
2
3,15
4
0,25
1,4
1,95
-
0,05
3
3,08
4,2
0,25
1,6
2,1
-
0,08
4
3,25
3,47
0,81
1,8
1,7
0,24
0,055
-
-
Прототип [3]
3,03-3,52
3,68-4,2
0,21-0,43
0,61-1,12
1,29-2,16
0,2-0,47
0,025-0,058
0,03-0,06
0,02-0,06
* - концентрация S≤0,012% и P≤0,04 во всех исследуемых чугунах
Химический состав сплава 4 выходит за рекомендуемые диапазоны по следующим элементам: углероду, кремнию, марганцу, меди и никелю. Кроме того, он дополнительно легирован молибденом.
Изотермическую закалку образцов производили в соответствии с режимами, приведенными в табл.2. В качестве среды для изотермической закалки использовали свинцово-оловянный расплав с температурой плавления 200°C. Для полного погружения в ванну, образцы дополнительно нагружали специально изготовленным приспособлением. После изотермической выдержки образцы охлаждали на воздухе.
Таблица 2
Режимы термической обработки
Режим
Аустенитизация
Изотермическая закалка
Температура, °C
Время выдержки, ч
Температура, °C
Время выдержки, ч
А
950±10
0,5
300±5
1,5
Б
940±10
0,75
310±5
1,5
В
925±10
1
320±5
2
Г
920±10
1,5
330±5
2
Прототип* [3]
850-890
1-2
320-350
1,5-2
Проводили механические испытания и исследовали микроструктуру образцов. Результаты механических испытаний представлены в табл.3.
Исследование микроструктуры литых образцов показало, что чугуны с химическими составами 1-3 имели из литого состояния ферритную структуру и графитные включения шаровидной формы с размерами 7-20 мкм. В структуре образцов состава 4 наблюдались перлитные колонии (около 20% от исследуемой площади микроструктуры) и крупные включения медистой фазы.
Таблица 3
Механические свойства чугунов (средние)
Режим термической обработки*
Чугун**
Механические свойства
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
KCU<sup>+20</sup>, кДж/м<sup>2</sup>
НВ
А
1
1425,9
10,1
202
341
2
1420,1
8,7
188,5
352
3
1485,5
7,2
191
352
4
1350,4
1,5
98,8
341
Б
1
1452,3
14,5
221
341
2
1415,4
8,7
188
321
3
1425,0
15,9
202
311
4
1290,9
4,7
78,5
331
В
1
1475,5
7,9
187,5
341
2
1365,4
12,1
188
311
3
1396,2
6,3
90,7
311
4
1252,3
12,1
67,5
293
Г
1
1375,5
7,2
132,6
352
2
1352,3
4,3
101,4
331
3
1216,0
8,7
154,6
293
4
1108,6
8,7
93,6
341
Прототип [3], max
1364
12,9
191
355
* - Режим термической обработки по табл.2
** - Химический состав чугунов по табл.1
Видно, что предлагаемое сочетание состава чугуна и режима термической обработки обеспечивает чугунам более высокие значения прочности, ударной вязкости и пластичности, чем у прототипа. Термическая обработка с температурой аустенизации 950°C (режим А, табл.2), способствует получению чугунов с наиболее высокими свойствами.
Превышение концентрации меди, никеля и кремния, свыше рекомендуемой, в чугуне химического состава 4 (по табл.1) приводит к снижению пластических свойств и повышению твердости.
Заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получить более мелкозернистую микроструктуру, что положительно сказывается на эксплуатационных свойствах чугуна.
Источники информации, использованные при составлении заявки:
1. Чугун и способ термической обработки отливок из него. Сильман Г.И., Камынин В.В., Серпик Л.Г., Полухин М.С. Патент №2307875 РФ. Бюл. №28 10.10.2007. МКИ C22C 37/04, C21D 5/00.
2. Чугун: Справ. Изд. / Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. - М.: Металлургия, 1991. - 576 с.
3. Чугун и способ его получения. Сильман Г.И., Макаренко К.В. Патент №2432412. Бюл. №30 27.10.2011. МПК C22C 37/04, C21D 5/00.