СЕРЫЙ ЧУГУН ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛИТЕЙНОЙ ОСНАСТКИ
GRAY CAST IRON FOR METALLIC CASTING EQUIPMENT

Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым чугунам для изготовления модельных плит, кокилей и нагреваемой литейной оснастки с повышенными характеристиками трещиностойкости, термической и эксплуатационной стойкости.
Известны серые чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 20 и СЧ 25 по ГОСТ 1412-85, рекомендованные для изготовления рабочих стенок кокилей (Справочник «Специальные способы литья» под редакцией В.А.Ефимова, - М: Машиностроение, 1991. - С.98). Однако эти чугуны не обеспечивают нагреваемой оснастке необходимых термической стойкости, трещиностойкости, высоких механических и эксплуатационных свойств.
Известен также серый чугун для металлических форм (Липницкий A.M. Литье в металлические формы. - Ленинград: Машиностроение, 1980. - С.31) следующего химического состава, мас.%:
Углерод
3,0-3,3
Кремний
1,6-1,9
Марганец
0,7-1,0.
Фосфор
до 0,3
Сера
до 0,12
Хром
0,3-0,4
Никель
0,1-0,12
Железо
остальное
Этот чугун обеспечивает в структуре литейной оснастки перлитную металлографическую основу твердостью 212-235 НВ. Предел прочности при изгибе составляет 410-440 МПа. Величина остаточных термических напряжений в отливках - 23-28 МПа. Отмечаются недостаточные характеристики дисперсности металлической основы (ПД 1,0 - ПД 1,4 по ГОСТ 3443-87), трещиностойкости, термической и эксплуатационной стойкости металлических форм.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является серый чугун для металлической оснастки (Патент BY №12524, МПК C22C 37/00, 2009, прототип), содержащий, мас.%:
Углерод
3,2-3,6
Кремний
1,6-2,0
Марганец
0,7-1,0
Хром
0,12-0,5
Никель
0,10-0,3
Медь
0,10-0,8
Цирконий
0,01-0,05
Фосфор
0,10-0,3
Сера
0,02-0,12
Кальций
0,002-0,01
Железо
остальное
Известный чугун обладает следующими механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами:
Предел прочности при изгибе, МПа
465-495
Термическая стойкость, циклы
760-850
Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов
12,7-13,5
Склонность к трещинообразованию
(общая длина трещин в пробе), мм
2,5-3,5.
Дисперсность структуры
ПД 0,3 - ПД 0,5
Твердость, НВ
248-260
Остаточные термические напряжения, МПа
15-19
Задачей данного технического решения является повышение термической и эксплуатационной стойкости металлической литейной оснастки.
Поставленная задача решается тем, что серый чугун для металлической литейной оснастки, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, цирконий, фосфор, серу, кальций и железо, дополнительно содержит титан, барий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,2-3,6
Кремний
1,6-2,0
Марганец
0,7-1,0
Хром
0,12-0,5
Никель
0,10-0,3
Медь
0,10-0,8
Цирконий
0,02-0,05
Фосфор
0,10-0,3
Сера
0,02-0,12
Кальций
0,002-0,02
Титан
0,06-0,15
Барий
0,02-0,05
Азот
0,002-0,012
Железо
остальное
Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав эффективных микролегирующих добавок и модифицирующих компонентов - титана, бария, и азота, что существенно повышает трещиностойкость, термическую и эксплуатационную стойкости.
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение в чугун титана в количестве 0,06-0,15% связано с его высоким влиянием на структуру, термическую и эксплуатационную стойкости чугуна. При его концентрации до 0,06% микролегирующее влияние титана на структуру, термическую и эксплуатационную стойкости недостаточно. При увеличении концентрации титана более 0,15% усиливается его графитизирующее влияние на структуру и снижение удароустойчивости и эксплуатационной стойкости.
Дополнительное введение бария связано с его высокой химической, рафинирующей и модифицирующей способностью, что способствует повышению термической и эксплуатационной стойкостей. Его модифицирующее влияние начинает проявляться с концентрации 0,02%. При увеличении содержания бария более 0,05% снижаются усвояемость и влияние на свойства чугуна.
Дополнительное введение в чугун 0,002-0,012% азота обусловлено образованием в структуре нитридов титана, циркония и других нитридообразующих элементов, что способствует измельчению структуры, приводящему к повышению эксплуатационных и механических свойств. Влияние азота на структуру и свойства чугуна начинает проявляться с его концентрации 0,002%. При увеличении его содержания более 0,012% повышается концентрация нитридов по границам зерен.
Опытные плавки чугуна производят в открытых индукционных тигельных печах с использованием в качестве шихтовых материалов литейного чугуна марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-95), передельного чугуна марки ПЛ11Б2 (ГОСТ 805-90), чугунного лома марки 17А, стального лома 1А и 2А, углеродистого феррохрома, катодной меди, азотированного ферромарганца марки ФМн-78Н, доменного феррофосфора ФФ16, никеля НП-3, ферроциркония и силикобария.
После процесса рафинирования расплава в печи при температуре 1430-1460°C производят легирование феррохромом, никелем, медью и азотированным ферромарганцем. Модифицирование расплава чугуна производят в раздаточном ковше с использованием металлотермических присадок на основе ферротитана, ферроциркония, силикокальция и силикобария. Заливку модифицированного чугуна проводят в песчаные формы для получения кокилей, модельных плит, стандартных образцов для механических испытаний и технологических проб на трещиностойкость, жидкотекучесть и остаточные термические напряжения.
Механические испытания проводят в соответствии с требованиями ГОСТ 27208 и ГОСТ 24805. Определение трещиностойкости проводят в условиях термоциклирования с нагревом до 900°C и охлаждением до 20°C, а ударно-усталостной долговечности - на электродинамических ударных стендах типа УУЭ - 20/200. Трещиностойкость определяют на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм и высотой 140 мм.
Эксплуатационные испытания проводят на модельной и кокильной оснастках при изготовлении водопроводной арматуры, крышек, люков и других отливок с использованием оболочкового и кокильного литья.
В таблице 1 приведены химические составы серых чугунов опытных плавок, а в таблице 2 - результаты механических, технологических и эксплуатационных испытаний.
Как видно из таблицы 2, предложенный серый чугун для металлической литейной оснастки обладает более высокими эксплуатационными свойствами и характеристиками термостойкости и трещиностойкости, чем известный.
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов, мас.%, (железо - остальное) в чугуне состава
1 (Изв.)
2
о.5
4
5
6
Углерод
3,5
3,0
3,2
3,4
3,6
3,8
Кремний
1,8
1,5
1,6
1,9
2,0
2,3
Марганец
0,8
0,5
0,7
0,9
1,0
1,2
Хром
0,2
0,1
0,12
0,3
0,5
0,6
Никель
0,2
0,05
0,10
0,2
0,3
0,5
Медь
0,5
0,07
0,1
0,6
0,8
1,1
Цирконий
0,03
0,01
0,02
0,03
0,05
0,1
Фосфор
0,25
0,04
0,10
0,21
0,3
0,5
Сера
0,1
0,01
0,02
0,10
0,12
0,2
Кальций
0,01
0,001
0,01
0,01
0,02
0,04
Титан
-
0,03
0,06
0,12
0,15
0,18
Барий
-
0,01
0,02
0,04
0,05
0,06
Азот
-
0,001
0,002
0,01
0,012
0,03
Таблица 2
Показатели
Свойства серых модифицированных чугунов для составов
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Предел прочности при растяжении, МПа
475
468
480
497
484
455
Твердость, НВ
255
267
249
265
262
238
Ударно-усталостная долговечность, тыс.циклов
13
11
14
15
14,5
12,6
Термостойкость, циклы
830
812
880
965
935
842
Склонность к трещинообразованию, (общая длина трещин в пробе), мм
2,8
3,5
2,2
1,8
2,3
2,7
Эксплуатационная стойкость кокилей, кол-во заливок
750
712
870
935
881
762
Стойкость модельной оснастки при изготовлении форм для оболочкового литья, кол-во съемов
960
840
1025
1310
1272
1012