СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БЕЙНИТНОГО ЧУГУНА ПРИ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ
METHOD FOR OBTAINING BAINITIC CAST IRON AT HEAT TREATMENT

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.
Актуальность проблемы. Известно, что чугуны с шаровидным графитом (ЧШГ) даже в литом состоянии могут обладать высокими прочностными свойствами, вплоть до марки ВЧ 70. Однако для получения чугунов более высоких марок (ВЧ 80 и выше) необходимы их дополнительное легирование или упрочняющая термическая обработка. Недостаток чугунов наиболее высоких марок заключается в их невысокой пластичности и вязкости. Этот недостаток устраняется путем обеспечения бейнитной, бейнитно-аустенитной структуры металлической основы (матрицы) чугунов. Сочетание высоких механических свойств, включая повышенные значения пластичности и ударной вязкости, в ЧШГ получают путем использования рационального химического состава и способа термической обработки чугунов.
Наиболее распространенным способом получения бейнитной структуры в высокопрочных чугунах является изотермическая закалка [1].
Целью работы является разработка технологического процесса термической обработки получения бейнитных высокопрочных чугунов.
Сочетание высоких механических свойств, включая повышенные значения пластичности и ударной вязкости, в чугунах с шаровидным графитом получают путем выбора их необходимого химического состава и способа термической обработки отливок.
Известен способ термической обработки высокопрочного чугуна, обеспечивающий сочетание высоких механических свойств, в виде изотермической закалки, включающей аустенитизацию при 850-900°C, охлаждение в щелочной или соляной ванне с изотермической выдержкой 0,5-1 ч при температуре 350-400°C и охлаждение на воздухе [2]. Такая обработка обеспечивает получение бейнитно-аустенитной структуры и высокие прочностные свойства при сравнительно высокой пластичности и вязкости чугуна.
Недостатками этого способа являются необходимость использования специального оборудования и жидких охлаждающих сред в виде расплавов солей и щелочей с вредными выделениями и его низкая производительность в условиях массового производства.
Также известен способ термической обработки чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, медь, молибден, магний, примеси и железо, дополнительно содержащего барий и редкоземельные металлы при следующем соотношении компонентов, мас. доля в %:
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
В качестве примесей допускаются, мас. доля в %: фосфор - до 0,04, сера - до 0,02, хром - до 0,08.
При таком способе термической обработки отливки из чугуна проходят аустенитизацию по ступенчатому режиму: 0,5 ч при температуре 820-830°C, 0,5-1,5 ч при температуре 870-900°C, при толщине стенки отливки до 20 мм охлаждение производится на воздухе, при толщине стенки отливки 25-40 мм - в воде в течение 4-5 с, при толщине стенки отливки более 40 мм - в воде в течение 6-10 с, а выдержку в печи проводят в течение 1,5-3 ч с термоциклированием 270-390°C [3].
Недостатком данного способа является сложность проведения технологического процесса в условиях массового производства, при этом необходимо применение специализированного оборудования, как при проведении аустенитизации, так и при операции термоциклирования. Также существует большая опасность разрушения деталей и появления деформаций вследствие использования в качестве охлаждающей среды воды.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ термической обработки [4], включающий аустенитизацию при температуре 870-900°C, кратковременное (в течение 4 с) охлаждение в воде ("замачивание"), изотермическую выдержку в печи при температуре 350-380°C и окончательное охлаждение на воздухе.
Этот способ позволяет во многих случаях получать необходимую структуру и высокие механические свойства чугуна. Недостатком этого способа является использование в качестве охлаждающей жидкости воды, что, в свою очередь, может привести к разрушению детали и появлению непоправимых деформаций.
Задачей заявляемого изобретения является создание в чугуне дисперсной структуры, состоящей из бейнита и шаровидного графита.
Технический результат - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств чугуна (прочности, пластичности и ударной вязкости) в отливках с различной толщиной стенки. Это достигается тем, что:
1. Чугун, содержащий следующие компоненты в соотношении, мас. доля в %:
C
Si
Mn
P
S
Cr
Cu
Ni
Mg
Ti
Mo
Al
3,4-4,0
2,0-2,6
0,2-0,6
≤0,03
≤0,02
≤0,05
≤0,4
≤1,5
0,04-0,06
≤0,04
≤0,3
≤0,04
2. Способ термической обработки отливок из чугуна, включающий аустенитизацию, охлаждение до температур ниже 500°С, выдержку в печи и окончательное охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что термической обработке подвергают отливки из чугуна по п.1, при этом проводят аустенитизацию по режиму: нагрев до 900°C с выдержкой 1,5-2 ч с последующим охлаждением в полимерной жидкости до 300-500°C (в зависимости от требуемой твердости), обеспечивающей получение бейнитной структуры, скорость охлаждения регулируют в зависимости от толщины стенки отливки: при толщине стенки отливки до 15-20 мм - в течение 5-20 с, при толщине стенки отливки более 20 мм - в течение 20 с до нескольких минут, после охлаждения в полимерной жидкости детали переносят в печь для последующего отпуска, при этом не допуская подстуживания деталей, выдержку в печи проводят в течение 1,5-3 ч в интервале 300-500°C.
Термическая обработка чугуна состоит из трех стадий. Первая стадия проводится с целью полной аустенитизации и гомогенизации аустенита, что достигается нагревом до 900°C с выдержкой 1,5-2 ч в зависимости от толщины стенки отливки.
Вторая стадия заключается в охлаждении чугуна в полимерной жидкости до 300-500°C (в зависимости от требуемой твердости) со скоростью выше критической, обеспечивающей получение бейнитной структуры, для чего тонкостенные отливки (до 20 мм) охлаждают до 20 с в зависимости от толщины стенки отливки, при толщине стенки отливки (свыше 20 мм) время выдержки в полимерной жидкости составляет от 20 с до нескольких минут. После охлаждения в полимерной жидкости детали переносят в печь, при этом не допуская подстуживания деталей.
Третью стадию термической обработки проводят в печах при температурах 300-500°C с общей длительностью 1,5-3 часа. Эта стадия проводится с целью формирования измельченной бейнитной структуры и ее упрочнения путем искусственного старения. После проведения третьей стадии изделия охлаждают на воздухе до комнатной температуры.
Химический состав чугунов приведен в табл.1, результаты механических испытаний, полученных микроструктур и твердости приведены в табл.2, фотографии микроструктур представлены на рисунках 1-3.
Таблица 1
Химический состав чугунов мас. доля в %
C
Si
Mn
P
S
Cr
Cu
Ni
Mg
Ti
Mo
Al
3,4-4,0
2,0-2,6
0,2-0,6
≤0,03
≤0,02
≤0,05
≤0,4
≤1,5
0,04-0,06
≤0,04
≤0,3
≤0,04
Таблица 2
Механические свойства, микроструктура и твердость чугунов
Временное сопротивление при растяжении σ<sub>в</sub>, МПа
Условный предел текучести σ<sub>т</sub>, МПа
Относительное удлинение δ, %
Ударная вязкость при t=20°C, KCU, кгс·м/см<sup>2</sup>
Микроструктура
Твердость 10/3000/10 HB
1000-1200
1000-1090
1,0-2,0
1,5-2,0
Графит: ШГф4,5-ШГд25-45-ШГр1-ШГ10Мет. основа: бейнит
341-444
Одним из преимуществ данного способа получения бейнитного чугуна при термическом упрочнении ЧШГ - это возможность осуществить его на типовом термическом оборудовании с минимальной модернизацией.
Источники информации
1. Полухин. М.С. Разработка и использование чугунов с шаровидным графитом с повышенными механическими и триботехническим свойствами, 2009. - 148 с.
2. Чугун: Справ. изд. / Под ред. А.Д. Шермана и А.А. Жукова. - М.: Металлургия, 1991. - 576 с.
3. Патент РФ №2307875, кл. C22C 37/04, заявл. 22.03.2006, опубл. 10.10.2007.
4. Жуков А.А. Некоторые вопросы теории и практики бейнитной закалки чугунов // Металловедение и термическая обработка металлов, 1995, №12. - С.26-29.