ЧУГУН
IRON

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности, к разработке составов высокопрочного чугуна с шаровидным графитом для разностенных сложных отливок.
Широко известны высокопрочные чугуны с шаровидным графитом, содержащие углерод, кремний, марганец, хром, магний и другие элементы, служащие для изготовления литых деталей машин и механизмов. Эти чугуны обладают высокой прочностью и износостойкостью, однако у них высокая склонность к усадке, а следовательно, к образованию усадочных дефектов.
Наиболее близким к предлагаемому по составу и достигаемым свойствам является чугун [1] следующего химсостава, мас.%:
Углерод
3,4-3,8
Кремний
2,1-2,7
Марганец
до 0,4
Хром
до 0,1
Магний
0,03-0,08
Сера
до 0,02
Фосфор
до 0,1
Железо
остальное
Недостатком данного чугуна является большая склонность к образованию усадочных дефектов (раковин и пористости), в особенности у сложных разностенных отливок.
Технической задачей данного изобретения является исключение усадочных дефектов в отливках из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом.
Технический результат достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, магний, серу и фосфор, дополнительно содержит лантан, кальций и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,85-4,05
Кремний
1,95-2,2
Марганец
до 0,5
Хром
до 0,1
Магний
0,03-0,06
Лантан
0,001-0,01
Кальций
0,002-0,007
Алюминий
0,003-0,01
Сера
до 0,022
Фосфор
до 0,1
Железо
остальное
Аналогов, содержащих отличительные признаки предлагаемого технического решения не обнаружено. На ОАО «ГАЗ» в условиях литейной лаборатории были проведены опытные сравнительные плавки с известным и предложенным чугунами.
Чугун выплавляли в редукционной печи ИСТ-016 с кислой футеровкой, В качестве пикты использовали чушковые передельные чугуны, возврат чугуна ВЧ50, отходы стали и ферросплавы. Лантан, кальций и алюминий вводили в виде отдельных ферросплавов.
Металл перегревали в печи до 1500°С и заливали стержневые пробы на объемную усадку с внутриформенным модифицированием. Количество модификатора в реакционной камере пробы на усадку - 40 г (1,25%), фракции 1-5 мм. Известный чугун получали модифицированием в форме ФСМг5 (Si - 52%; Mg - 5,6%.
Химсостав чугунов из печи приведен в таблице № 1.
таблица №1
№ пробы
С
Si
Mn
Cr
P
S
1
3,92
1,6
0,32
0,036
0,057
0,012
2
3,93
1,59
0,34
0,035
0,058
0,014
Химсостав предлагаемого и известного чугунов из проб на усадку после внутриформенного модифицирования приведен в таблице №2.
Микроструктура и твердость чугунов определялись из проб на усадку (представлены в таблице №3).
таблица №2
Чугун №
С
Si
Mn
Cr
Mg
La
Ca
Al
P
S
Предлагаемый1
3,80
2,25
0,32
0,036
0,042
0,0009
0,001
0,002
0,057
0,012
2
3,85
2,20
0,33
0,037
0,043
0,001
0,002
0,003
0,058
0,014
3
3,95
2,1
0,32
0,035
0,044
0,003
0,004
0,007
0,057
0,012
4
4,05
1,95
0,34
0,038
0,043
0,01
0,007
0,01
0,059
0,014
5
4,1
1,8
0,33
0,035
0,048
0,015
0,008
0,015
0,057
0,012
6
3,85
2,2
0,33
0,037
0,042
0,001
-
0,003
0,057
0,012
7
3,9
2,19
0,32
0,036
0,041
-
0,002
0,003
0,058
0,014
8
3,95
2,12
0,31
0,035
0,043
0,001
0,002
-
0,056
0,012
Известный
3,78
2,1
0,35
0,037
0,041
-
-
-
0,059
0,012
9
10
3,80
2,2
0,34
0,040
0,046
-
-
-
0,056
0,014
таблица №3
Чугун №
Микроструктура по ГОСТ 3443-87
Твердость, НВ
Усадка, %
1
2
3
4
1
ШГф4,3, ВГф3-Шгд25, 45-ШГр2-ШГ12 П8(Фе92)
150-170
1,78-1,95
2-4
ШГф5-Шгд15,25 - ШГр1-ШП12 П6(Фе94)
140-155
1,66-1,69
5
ШГф5-Шгд15, 25-ШГр1-ШГ12 П10(Фе90), имеются плены
140-160
1,97-2,45
6
ШГф5-Шгд15, 25-ШГр1-ШГ12 П15(Фе85)
176
3,2
7
ШГф4, 3-Шгд25, 45-ШГр2-ШГ12 П30(Фе70)
192
3,8
8
ШГф4, 5-Шгд15, 25-ШГр1-ШП2 П20(Фе80)
183
3,0
9-10
ШГф5, 4, 3-Шгд25, 45-ШГр2-ШГ10 П10(Фе90)
150-170
3,4-4,6
Предлагаемое количество лантана, кальция и алюминия (чугун №2-4, табл.2) обеспечивает максимальный эффект повышения температуры расплава за счет их взаимодействия с серой и кислородом чугуна, что улучшает растворимость модификатора, очищает границы зерен, дает максимальный графитизирующий эффект и минимальную усадку (столбец 4, чугуны 2-4, таблица №3).
При повышении суммарного содержания лантана, кальция, алюминия (чугун 5, табл.3) модификатор плохо усваивается, графита выделяется меньше, увеличивается количество неметаллических включений, усадка увеличивается.
Снижение содержания этих элементов (чугун №1, табл.№3) не обеспечивает модификатору хорошей десульфурирующей способности, что также не позволяет получить при обработке высокосернистого чугуна, графит полностью сфероидальной формы.
При содержании углерода и кремния в пределах, указанных в чугунах №2-4, табл.№2, усадка сплава наименьшая (чугуны №2-4, табл.3).
При меньшем содержании углерода и кремния (чугун №1, табл.№2) жидкотекучесть чугуна уменьшается [2] и усадка увеличивается (чугун №1, таблица №3).
При большем содержании углерода и кремния (чугун №5, таблица №2) происходит флотация графита и образование плен и усадка чугуна увеличивается (чугун №5, табл.3).
В известном чугуне (чугуны №9,10, табл.№2) без добавок La, Са, Al усадка резко возрастает (чугуны №9, 10, табл.№3).
Отлитые в литейном цехе ступицы заднего колеса с предложенным химсоставом (чугун №2-4, табл.3) усадочных дефектов не имели. Ранее отливаемые ступицы из известного чугуна (чугуны №9-10, табл.3) после мехобработки в механическом цехе имели усадочные дефекты на рабочей части детали и забраковывались.
Эффект уменьшения усадки высокопрочного чугуна (чугуны №2-4, табл.№3) и исключение усадочных дефектов на отливках получается только при совместном вводе лантана, кальция, алюминия и других элементов в указанных пределах (чугуны 2-4, табл.2). Отдельный ввод этих элементов (лантана кальция и алюминия, чугуны №6, 7, 8, табл.2) снижения усадки не дал (чугуны 6, 7, 8, табл.3).
Список литературы
1. «Справочник по чугунному литью» под редакцией Н.Г.Гиршовича, Л., Машиностроение, 1978 г., стр.670-672.
2. И.В.Гаврилин «Предусадочное расширение как следствие внутреннего давления в металлах и сплавах», ж. «Металлургия машиностроения», №6(9). 2002.