ЧУГУН
CAST IRON

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности к разработке составов чугуна для отливок блоков цилиндров автомобилей повышенной грузоподъемности.
Известен серый чугун, содержащий, маc.%:
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 А, 23.03.1983, МПК С22С 37/10).
Наиболее близким к заявляемому является чугун, содержащий, 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
(RU 2281982, С22С 37/10).
Указанный чугун также имеет недостаточную износостойкость.
Заявляемое техническое решение направлено на увеличение износостойкости полученного чугуна с размерами графитовых включений в пределах 90-120 мкм.
Для решения поставленной задачи предлагается чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, медь, цирконий, стронций и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
3,15-3,30
кремний
1,2-1,7
марганец
0,7-1,0
хром
0,4-0,6
никель
0,0,2-0,2
медь
0,6-0,9
титан
0,03-0,08
цирконий
0,03-0,08
стронций
0,03-0,1
железо
остальное.
Пределы содержания углерода в чугуне определены с целью получения в структуре чугуна большого количества мелких включений графита (ПГд 90-120 мкм). Если содержание углерода будет менее 3,15 маc.%, размер графитовых включений ПГд будет менее 90 мкм, что может привести к повышенному образованию трещин. Если содержание углерода будет более 3,3 маc.%, размер графитовых включений будет более 120 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.
Содержание в чугуне кремния выбрано по тем же соображениям, а также из-за необходимости получения перлитной структуры с дисперсностью перлита Пд 0,1-0,3 мкм. При содержании кремния менее 1,9 маc.% в структуре чугуна получаются свободные карбиды железа (цементит), при этом в тонких сечениях образуется «отбел». При содержании кремния более 2,3 маc.% размер графитовых включений ПГд будет более 120 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.
Марганец в чугун переходит из шихтовых материалов как постоянный компонент чушковых чугунов. При выбранном составе чугуна указанные пределы марганца (0,7-1,0 маc.%) определены как условие получения отливок с низким содержанием серы и с высокими механическими свойствами в литом состоянии как в тонкостенных (при нижнем содержании марганца), так и в толстостенных (при верхнем значении марганца) отливках. При содержании марганца менее 0,7 маc.% уменьшается твердость, при содержании марганца более 1 маc.% ухудшается морфология графита.
Содержание хрома в пределах 0,4-0,6 маc.% выбрано исходя из соображений получения чугуна необходимой твердости и удовлетворительной обрабатываемости резанием. При содержании хрома менее 0,4 маc.% увеличивается дисперсность перлита и увеличивается размер графитовых включений. При содержании хрома в чугуне более 0,6 маc.% увеличивается твердость и ухудшается обрабатываемость резанием.
Медь и никель входят в состав чугуна как легирующие элементы, упрочняющие металлическую основу и с целью выравнивания структуры и свойств чугуна по сечению отливок. Никель, кроме того, способствует повышению растворимости в чугуне меди, обладающей большей перлитизирующей и упрочняющей способностью. При содержании меди менее 0,15 маc.% и содержании никеля менее 0,02 мас.% в структуре чугуна образуется феррит, снижающий износостойкость чугуна. Верхнее содержание меди 0,5 маc.% и никеля 0,2 мас.% ограничено из-за повышения твердости и ухудшения обрабатываемости резанием.
Титан измельчает структуру, повышает прочность чугуна. При количестве менее 0,03 маc.% влияние его на механические свойства незначительно, при содержании более 0,08 мас.% появляется опасность появления неметаллических включений и снижения механических свойств чугуна.
Цирконий в предлагаемых количествах измельчает кристаллическую структуру чугуна, препятствует распространению трещин, рафинирует расплав по азоту, образуя тугоплавкие карбиды циркония. При содержании менее 0,03 маc.% действие его незначительно, повышение содержания циркония более 0,08 мас.% приводит к образованию большого количества карбидов и нитридов циркония, являющимися хрупкими фазами, ухудшающими свойства чугуна.
Стронций способствует графитизации чугуна, значительно снижает образование «отбела» в тонкостенных отливках. При содержании стронция менее 0,03 маc.% действие его незначительно, при содержании стронция более 0,1 маc.% снижается прочность чугуна.
Испытания предлагаемого чугуна произведены на литейном заводе ОАО «КАМА3-Металлургия». Чугун выплавляли в дуговой электропечи, необходимые добавки ферросплавов (ферросилиций, феррохром, ферротитан) и легирующие элементы (никель, медь) вводили в печь, а модифицирование проводили вводом на дно ковша ферросилиция, содержащего стронций и цирконий. Одновременно с этим на дно ковша вводили графит гранулированный и ферромарганец. 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 методом количественной металлографии. Структуру чугуна изучали в зоне разрушения образцов после испытаний. Химические составы изученных чугунов приведены в таблице 1. Результаты исследований приведены в таблице 2. Как следует из проведенных испытаний, предлагаемый состав чугуна позволяет стабилизировать размер графитовых включений равномерно распределенной прямолинейной формы и уменьшить дисперсность перлита.
Таблица 1
Состав
Содержание элементов, мас.%
С
Si
Mn
Cr
Ni
Cu
Тi
Zr
Ba
Са
Аl
Sr
Sb
S
P
Предлагаемый
1
3,29
1,99
0,76
0,39
0,028
0,19
0,038
0,038
0,031
0,031
0,044
2
3,2
2,12
0,85
0,48
0,15
0,35
0,052
0,068
0,088
0,032
0,056
3
3,2
2,3
0,92
0,45
0,029
0,48
0,045
0,045
0,058
0,042
0,054
4
3,16
2,22
0,73
0,52
0,045
0,32
0,058
0,052
0,075
0,054
0,063
5
3,18
2,18
0,85
0,58
0,19
0,29
0,078
0,071
0,09
0,028
0,045
6
3,18
2,15
0,66
0,53
0,14
0,22
0,034
0,041
0,081
0,025
0,048
7
3,27
2,22
0,60
0,41
0,13
0,31
0,032
0,064
0,066
0,031
0,049
Известный
8
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
9
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
10
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
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
90-120
100
0,1
0
2
27
233
ПГф1
ПГр1
90-120
100
0,1
0
3
28
240
ПГф1
ПГр1
90-120
100
0,1
0
4
28
230
ПГф1
ПГр1
90-120
100
0,1
0
5
27
225
ПГф1
ПГр1
90-120
100
0,1
0
6
26
230
ПГф1
ПГр1
90-120
100
0,1
0
7
28
240
ПГф1
ПГр1
90-120
100
0,1
0
Известный
8
27
233
ПГф1
ПГр1
250-450
100
0,1
0
9
28
230
ПГф1
ПГр1
250-450
100
0,1
0
10
27
225
ПГф1
ПГр1
250-450
100
0,1
0