ЧУГУН
CAST IRON

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке состава высокопрочного чугуна для тяжелонагруженных деталей грузовых автомобилей повышенной грузоподъемности.
Известен чугун следующего химического состава, мас.%:
углерод
2,60-3,97
кремний
1,0-4,8
марганец
0,02-0,40
магний
0,01-0,09
никель
0,006-0,02
медь
0,003-0,02
титан
0,005-0,04
хром
0,002-0,015
фосфор
0,009-0,10
железо
остальное,
(патент RU 2172793, С22С 37/04).
Чугун не обладает комплексом свойств, необходимых для производства деталей, работающих с большой нагрузкой.
Наиболее близким к заявляемому является состав чугуна химического состава, мас.%:
углерод
2,7-3,2
кремний
1,0-2,5
марганец
0,05-0,14
никель
0,3-0,8
магний
0,005-0,05
РЗМ
0,008-0,09
алюминий
0,005-0,02
кальций
0,001-0,004
железо
остальное,
(патент RU 2098508, С22С 37/10).
Предлагаемый состав не обеспечивает требуемой прочности и пластичности при производстве тяжелонагруженных деталей автомобиля.
Предлагаемое изобретение направлено на повышение прочности и относительного удлинения чугуна при сохранении удовлетворительной обрабатываемости резанием, снижение брака отливок по усадочным дефектам и неметаллическим включениям.
Для реализации поставленной задачи предлагается чугун следующего химического состава, мас.%:
углерод
3,7-4,1
кремний
1,9-2,4
марганец
0,2-0,5
хром
0,01-0,06
никель
0,02-0,1
медь
0,02-0,1
титан
0,02-0,05
магний
0,03-0,07
лантан
0,01-0,05
кальций
0,01-0,05
алюминий
0,01-0,05
сера
менее 0,012
фосфор менее
0,06
железо
остальное.
Углерод в чугуне в количестве 3,7-4,1 мас. % обеспечивает получение в структуре чугуна большого количества включений шаровидного графита. Шаровидные графитовые включения в чугуне не оказывают на структуру надрезывающего действия, способствующего зарождению усталостных напряжений, и поэтому предотвращает образование трещин. При содержании углерода менее 3,7 мас. % размер графитовых включений ПГд будет менее 15 мкм. При этом появляется вероятность образования в чугуне свободных карбидов и увеличения брака по усадочным раковинам. При содержании углерода более 4,1 мас. % размер графитовых включений ПГд будет более 150 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.
Содержание в чугуне кремния в количестве 1,9-2,4 мас. % выбрано по тем же соображениям, а также исходя из получения ферритно-перлитной структуры с дисперсностью перлита Пд 0,1-0,3 мкм. При содержании кремния менее 1,9 мас. % в структуре чугуна получаются свободные карбиды железа (цементит), при этом в тонких сечениях образуется «отбел». При содержании кремния более 2,4 мас. % размер графитовых включений ПГд будет более 150 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.
Марганец переходит в чугун из шихтовых материалов как постоянный компонент чушковых чугунов. При выбранном составе чугуна указанные пределы марганца (0,2-0,5 мас. %) 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) в отливках.
Содержание хрома в пределах 0,01-0,06 мас. % позволяет получать детали необходимой твердости и удовлетворительной обрабатываемости резанием. Хром переходит из шихтовых материалов как постоянный компонент чушковых чугунов. При содержании хрома более 0,06 мас.% увеличивается твердость и ухудшается обрабатываемость резанием. При содержании хрома менее 0,01 мас.% необходимые свойства не достигаются.
Медь и никель входят в состав чугуна как элементы, присутствующие в шихтовых материалах. При содержании меди менее 0,02 мас.% и содержании никеля менее 0,02 мас в структуре чугуна образуется феррит, снижающий износостойкость чугуна. Выше содержания меди 0,1 мас. % и никеля 0,1 мас. % ухудшается обрабатываемость резанием.
Алюминий, являясь графитизирующим элементом, увеличивает количество феррита в структуре чугуна. Обладая большим сродством к кислороду, рафинирует расплав, вызывая повышение пластичности и сопротивление разрушению металла. При содержании алюминия менее 0,01 мас. % влияние его на свойства чугуна незначительно. При содержании алюминия более 0,05 мас. % появляется образование ситовидной водородной пористости.
Титан измельчает структуру, повышает прочность чугуна. При количестве менее 0,02 мас. % влияние его на свойства чугуна незначительно. При содержании титана более 0,05 мас. % появляется опасность снижения механических характеристик чугуна.
Кальций рафинирует чугун и увеличивает число центров кристаллизации, благодаря чему повышается трещиноустойчивость чугуна. При содержании кальция менее 0,01 мас.% его влияние незначительно. При содержании кальция более 0,05 мас.% он очень плохо растворяется из-за большого сродства к кислороду и сере.
Магний способствует образованию шаровидных включений графита и стабилизирует карбиды в высокопрочном чугуне. При содержании магния менее 0,03 мас. % ухудшается шаровидная форма графита. При содержании магния более 0,07 мас. % происходит образование перлита и «отбела».
Лантан способствует образованию шаровидных включений графита и стабилизирует карбиды в высокопрочном чугуне, уменьшает усадочные явления при кристаллизации отливки. При содержании лантана менее 0,01 мас.% ухудшается шаровидная форма графита. Содержание лантана более 0,05 мас.% способствует образованию перлита и отбела.
Для определения эффективности чугуна проведены сравнительные испытания.
Чугун выплавляли в 50-тонных электродуговых печах переменного тока промышленной частоты мощностью 35 МВт и выдерживали в 75 тонных электродуговых печах переменного тока промышленной частоты мощностью 7,5 МВт. Модифицирование производили засыпкой модификатора в реакционные камеры полуформы низа в количестве 0,8 - 1,0% от металлоемкости формы. Состав модификатора, мас. %: кремний 44-48; магний 5-6; лантан 0,25-0,4; кальций 0,4-0,6; алюминий 0,8-1,2. Фракция 1-4 мм.
Механические свойства определяли на десятимиллиметровых образцах, изготовленных из вертикально литых проб, прилитых к отливках. Степень сфероидизации графита (ССГ) определяли по эталонам стандарта А247 ASTM (Американского общества специалистов по испытаниям материалов). Результаты исследований приведены в таблицах. В таблице 1 приведен химический состав исследуемых чугунов. В таблице 2 приведены свойства и структура исследуемых чугунов.
Таблица 1
Состав
Содержание элементов, мас.%
С
Si
Mn
Cr
Ni
Cu
Ti
Mg
La
Ca
Al
S
P
Предлагаемый
1
3,9
1,91
0,46
0,049
0,028
0,09
0,038
0,038
0,031
0,018
0,015
0,010
0,044
2
3,82
1,985
0,25
0,058
0,1
0,05
0,032
0,048
0,025
0,035
0,046
0,009
0,056
3
3,92
2,37
0,42
0,025
0,029
0,08
0,045
0,045
0,038
0,036
0,035
0,011
0,054
4
3,96
2,22
0,29
0,052
0,045
0,02
0,028
0,052
0,025
0,047
0,021
0,008
0,063
5
3,92
2,38
0,35
0,058
0,10
0,09
0,038
0,051
0,039
0,038
0,042
0,012
0,045
6
4,08
2,15
0,46
0,033
0,09
0,062
0,034
0,041
0,0281
0,036
0,015
0,009
0,048
7
4,04
2,22
0,40
0,041
0,068
0,07
0,032
0,064
0,036
0,049
0,018
0,010
0,049
8
3,77
2,04
0,38
0,015
0,082
0,07
0,024
0,05
0,037
0,029
0,025
0,011
0,051
9
3,94
2,23
0,34
0,044
0,089
0,08
0,036
0,054
0,048
0,022
0,045
0,009
0,051
Известный
С
Si
Mn
Ni
Mg
P3M
Ca
Al
10
3,0
2,2
0,06
0,32
0,05
0,06
0,004
0,008
11
2,8
1,98
0,13
0,35
0,03
0,09
0,0002
0,009
12
2,9
2,3
0,1
0,8
0,02
0,01
0,003
0,012
Таблица 2
Чугун
Механические свойства
Микроструктура
Предел прочностипри растяжении,кг/мм<sup>2</sup>
Условный пределтекучести, кг/мм<sup>2</sup>
Относит. удлинение, %
Твердость по Бринеллю
Число включений графита на 1 мм<sup>2</sup>
Перлит
Цементит
ШГф
ШГд
ССГ,%
Предлагаемый
1
67
39
6
224-226
30
нет
150-300
4-5
15-25, отд. 45
100
2
65
38
6
198-200
30
нет
150-300
4-5
15-25,отд.45
100
3
60
35
10
231-234
40
нет
150-300
4-5
15-25, отд.45
100
4
83
51
6
229-231
30
нет
150-300
4-5
15-25,отд. 45
100
5
73
47
10
226-229
30
нет
150-300
4-5
15-25,отд. 45
100
6
83
51
6
202-204
40
нет
150-300
4-5
15-25, отд. 45
100
7
71
42
8
189-193
40
нет
150-300
4-5
15-25, отд. 45
100
8
63
38
8
202-209
30
нет
150-300
4-5
15-25, отд. 45
100
9
65
38
10
217-219
30
нет
150-300
4-5
15-25,отд 45
100
Известный
10
58
34
8
228
30
Нет
120-220
4-5
45-90
90
11
62
38
5
230
40
Нет
120-220
4-5
45-90
90
12
64
39
4
238
40
Нет
120-220
4-5
45-90
90