ЧУГУН И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
IRON AND PROCEDURE FOR ITS PRODUCTION

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокими механическими свойствами, в том числе и при динамическом нагружении.
Сочетание высоких механических свойств (прочности, пластичности и ударной вязкости) в чугунах с шаровидным графитом получают путем выбора их необходимого химического состава и способа получения, включая термическую обработку отливок.
Известен чугун [1], содержащий, мас.%:
Углерод
3-4
Кремний
1,5-2,3
Марганец
до 0,3
Хром
до 0,1
Никель
0,5-2
Магний
0,02-0,06
Висмут
0,0015-0,015
Железо и примеси
остальное
Углеродный эквивалент для чугуна должен быть в пределах 3,9-4,6%. Этот чугун после двухступенчатого ферритизирующего отжига (900°С, 2 часа и 720°С, 2 часа) имеет ферритную структуру с равномерно распределенными мелкими графитовыми включениями, что обеспечивает изделиям высокие пластические свойства и ударную вязкость.
Недостатком чугуна являются низкие значения прочностных свойств. Наиболее близким к предлагаемому является чугун [2], содержащий, мас.%:
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.%: фосфор до 0, 04, сера до 0,02, хром до 0,08.
Для этого чугуна предложен способ получения, состоящий из выплавки в индукционной печи, сфероидизирующего модифицирования в ковше и термической обработки отливок, включающей ступенчатую аустенитизацию (820-830°С, 0,5-1,5 ч и 870-900°С, 0,5-1,5 ч), регулируемое охлаждение до температуры ниже 500°С, термоциклирование в интервале 270-390°С в течение 1,5-3 ч и охлаждение на воздухе. Такой способ получения обеспечивает аусферритную структуру и повышенные механические свойства чугуна.
К недостаткам чугуна и способа его получения относятся нестабильность значений механических свойств чугуна в отливках сложной конфигурации и невозможность применения такого способа термической обработки для деталей с переменной толщиной стенки.
Задачей изобретения является создание в чугуне изделий с разной толщиной стенки дисперсной композиционной структуры, состоящей из упрочненного феррита, бейнита, ограниченного количества аустенита (до 20%) и шаровидного графита.
Технический результат - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств чугуна (прочности, пластичности и ударной вязкости) в отливках различной конфигурации, в том числе и с переменной толщиной стенки.
Это достигается тем, что:
1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден, магний, РЗМ, примеси и железо, дополнительно содержит никель при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,03-3,52
Кремний
3,68-4,20
Марганец
0,21-0,43
Медь
0,61-1,12
Никель
1,29-2,16
Молибден
0,20-0,47
Магний
0,025-0,058
Барий
0,03-0,06
РЗМ
0,02-0,06
Железо и примеси
остальное.
В качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0,04, сера до 0,02, хром до 0,08.
2. Способ получения чугуна, включающий выплавку в индукционной электропечи, модифицирование в ковше, заливку чугуна в формы и термическую обработку отливок, состоящую из аустенитизации, изотермической закалки и охлаждения на воздухе, отличающийся тем, что выплавляют чугун по п.1, обрабатывая его перед выпуском из печи ферросилицием, обработку в ковше проводят комплексным модификатором Fe-Si-Mg-Ca-Ва-РЗМ, металл заливают в сухие песчано-глинистые формы, а термическую обработку проводят с неполной аустенитизацией при 850-890°С, 1-2 ч, и изотермической закалкой с выдержкой 1,5-2 ч при 320-350°С в ваннах с легкоплавким металлическим расплавом, расплавом соли или 2-3 ч в термической печи с обычной атмосферой.
Изменения в химический состав чугуна введены с целью стабильного получения без отбела отливок с разной толщиной стенки, увеличения прокаливаемости чугуна, упрощения термической обработки отливок различной конфигурации (в том числе и при переменной толщине стенок) и обеспечения необходимых свойств чугуна после термической обработки.
Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений.
В чугуне увеличено содержание кремния, который является основным элементом-графитизатором и способствует получению упрочненной ферритной и бейнитной структуры при термической обработке чугуна. Основное упрочнение феррита при этом обеспечивается за счет его спинодального расслоения. При содержании кремния менее 3,68% спинодальное расслоение феррита происходит в незначительной степени и не обеспечивает достаточное его упрочнение. При увеличении содержания кремния более 4,20% происходит перестаривание феррита с огрублением его субструктуры, что проявляется в снижении упрочняющего эффекта.
Содержание меди в составе чугуна уменьшено в связи с тем, что некоторые ее функции (снижение склонности чугуна к отбелу, увеличение прокаливаемости) выполняются другими компонентами, которые находятся в чугуне в увеличенном количестве (кремний), или дополнительно введены в состав чугуна (никель). В данном чугуне основное назначение меди состоит в дополнительном упрочнении феррита и бейнита за счет выделения дисперсных включений медистой фазы. Для этой цели достаточно содержание меди в принятых пределах. Увеличение содержания меди сверх 1,12% не приводит к дополнительному упрочнению, но удорожает чугун.
Дополнительно в состав чугуна введен никель. Совместно с кремнием и медью он повышает стабильность графитизированной структуры, а совместно с медью и молибденом увеличивает прокаливаемость чугуна и способствует формированию бейнитной и аусферритной структуры, уменьшая влияние конфигурации и толщины стенки отливки на формирование необходимой структуры. При содержании никеля менее 1,29% эффективность его влияния оказывается недостаточной, а при содержании более 2,16% в структуре чугуна увеличивается количество остаточного аустенита, что проявляется в снижении прочностных свойств чугуна.
Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна. При содержании углерода менее 3,03 мас.% уменьшается склонность чугуна к графитизации и становится возможным образование участков структуры с повышенной твердостью. Если в чугуне содержится более 3,52 мас.% углерода, то в структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации) и их локализация в виде спели, что может проявляться в снижении всех механических свойств чугуна.
Содержание остальных компонентов в чугуне и их функциональное назначение не отличаются от прототипа.
Способ получения чугуна включает духстадийную обработку расплава: ферросилицием в печи за 3-5 минут перед выпуском металла в ковш и комплексным измельченным модификатором Fe-Si-Mg-Ca-Ва-РЗМ в разливочном ковше при 1400-1450°С методом "сандвич-процесса". Обработка металла в печи обеспечивает получение в структуре чугуна измельченных графитных включений и повышенную склонность к ферритизации структуры чугуна в литом состоянии. Ковшевая обработка чугуна обеспечивает сфероидизацию графитных включении.
Отливки получают литьем в сухие песчаные формы, что обеспечивает замедленное охлаждение отливок при температурах эвтектоидного превращения в чугуне и способствует ферритизации его структуры. Это позволяет исключить из термической обработки чугуна предварительное проведение ферритизирующего отжига.
Термическая обработка чугуна включает неполную аустенитизацию, которая обеспечивается нагреванием до 850-890°С (т.е. до температур межкритического интервала) и выдержкой в течение 1-3 ч в зависимости от толщины стенки отливки и дальнейшего режима изотермической закалки.
После неполной аустенитизации проводится изотермическая закалка. Закалочной средой могут служить расплавы солей или легкоплавких сплавов (например, свинцовооловянистые расплавы), а также обычная атмосфера в любой термической печи при 320-350°С. Изотермическая выдержка при закалке составляет 1,5-2 ч в ваннах с расплавом соли или легкоплавким металлическим расплавом и 2-3 ч в термической печи с обычной атмосферой. Охлаждение изделий до комнатной температуры проводится на спокойном воздухе.
После такой термической обработки микроструктура чугуна состоит из участков бескарбидного бейнита (аусферрита) и измельченных зерен гетерогенизированного феррита с субструктурой, образованной путем спинодального расслоения и дополнительного старения за счет диспергированной медистой фазы. Такая структура имеет микрокомпозиционный характер с упрочняющими наноразмерными элементами. Этим объясняется высокий уровень всего комплекса механических свойств чугуна.
Плавку чугуна проводили в индукционных тигельных печах емкостью 50 кг с кислой футеровкой. Использовали шихту, состоящую из литейного чугуна, ферросплавов (ферросилиция и ферромолибдена) и отходов меди.
Перед сливом чугуна из печи проводили инокулирующее модифицирование ферросилицием ФС75. Сфероидизирующую обработку чугуна проводили при 1430±10°С в разливочном коше емкостью 50 кг комплексным модификатором, состоящим из измельченной смеси лигатуры типа ЖКМК и силикобария SIBAR22.
Чугун заливали в сухие песчано-глинистые формы с сифонной литниковой системой. Отливали заготовки двух типов: круглые диаметром 30 мм и длиной 300 мм, пластины 80×80×160 мм. Из этих заготовок после их термической обработки вырезали стандартные образцы для механических испытаний.
Химические составы чугунов приведены в табл.1, режимы термической обработки - в табл.2. Результаты механических испытаний приведены в табл.3.
Видно, что предлагаемое сочетание химического состава чугуна и способа его получения обеспечивает по сравнению с прототипом более стабильные значения механических свойств чугуна независимо от сечения отливок. Важно также, что по сравнению с прототипом предлагаемый чугун имеет более низкую твердость, обеспечивающую его хорошую обрабатываемость резанием лезвийным инструментом.
При выходе химического состава чугуна за предлагаемые пределы (сплавы №5 и 6) свойства чугуна существенно ухудшаются. Отклонение способа получения чугуна от п.2 формулы изобретения (например, при термической обработке по режимам А и Г) также приводит к неблагоприятному изменению некоторых свойств чугуна (снижению относительного удлинения и повышению твердости чугуна при обработке по режиму А, снижению прочности и слишком резкому снижению твердости при обработке по режиму Г).
Источники информации
1. Чугун с шаровидным графитом с высокой вязкостью и процесс его получения / Ишихара Ясуоки, Обато Фумио, Сакаи Жун и др. // Патент США №4889687, МКИ С22С 37/04.
2. Чугун и способ термической обработки отливок из него / Сильман Г.И., Камынин В.В., Серпик Л.Г, Полухин М.С. // Патент РФ №2307875, МКИ С22С 37/04. 2007. Бюл. №28.
Таблица 3
Механические свойства чугунов (средние значения)
Режим термической обработки
Номер сплава
Предел прочности σ<sub>B</sub>, МПа
Относительное удлинение δ, %
Ударная вязкость КС, Дж/см<sup>2</sup>
Твердость НВ
А
1
1364
2,1
14,0
311
2
1350
2,2
14,4
311
3
1312
2,0
14,3
321
4
1415
1,5
12,5
341
5
1010
2,5
10,0
355
6
1117
1,8
9,8
341
Б
1
1300
8,5
16,5
207
2
1296 (1178)
8,6 (6,8)
16,5 (11,6)
201
3
1291
7,1
15,0
201
4
1389
5,7
12,3
262
5
925
5,2
10,2
311
6
984
4,8
9,5
277
В
1
1183
12,0
18,0
187
2
1166
12,9
18,8
179
3
1104
12,1
16,8
179
4
1106
10,3
12,0
201
5
990
6,5
9,0
229
6
1012
5,6
8,6
201
Г
1
822
12,1
10,5
143
2
813
11,4
10,8
143
3
916
11,3
10,6
149
4
940
9,7
10,4
149
5
852
7,0
6,5
187
6
894
6,8
5,7
175
Д
1
1280
7,8
18,5
207
2
1280
7,5
19,1
212
3
1286
7,7
18,1
235
4
1312
7,1
15,2
235
5
908
4,9
6,3
262
6
966
4,5
6,0
229
Е (известный)
7(1)
1190
8,0
50
310
7(2)
920
3,0
7,5
255
Значения свойств сплава 2, обработанного по режиму Б, приведенные в скобках, получены для образцов, вырезанных из пластины толщиной 80 мм.
Свойства сплава 7, приведенные под номером 7(1), относятся к образцам, вырезанным из заготовки диаметром 30 мм, а под номером 7(2) - к образцам из пластины толщиной 80 мм. Все остальные значения свойств, приведенные в таблице, получены на образцах, вырезанных из заготовок диаметром 30 мм.