НЕМАГНИТНЫЙ ЧУГУН
NONMAGNETIC CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к немагнитным аустенитным чугунам с низким коэффициентом линейного расширения, используемым в электротехнической промышленности и точном машиностроении и обладающим хорошей обрабатываемостью на металлорежущих станках.
Известен легированный немагнитный чугун (Патент Великобритании №14752292, МПК C22C 37/08, 1971) содержащий, мас.%:
Углерод
3,2-3,6
Марганец
1,77-2,23
Титан
1,15
Ниобий
1,15
Ванадий
1,15
Фосфор
0,01
Сера
0,03-0,1
Железо
Остальное
Известный чугун имеет высокий коэффициент линейного расширения и не обеспечивает получения в отливках мелкозернистой аустенитной структуры со стабильными немагнитными, физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Известен также легированный аустенитный марганцевый чугун (Галдин Н.М. Отливки в точном машиностроении. - М: Машиностроение, 1983. - С.9) содержащий, мас.%:
Углерод
3,54
Кремний
3,31
Марганец
10,06
Фосфор
0,124
Сурьма
0,3-0,4
Сера
0,02
Железо
Остальное
Этот чугун имеет в отливках более однородную аустенитную структуру, удовлетворительно обрабатывается на металлорежущих станках, но высокие концентрации кремния, сурьмы и углерода увеличивают коэффициент линейного расширения и снижают трещиностойкость, технологические и физико-механические свойства.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является немагнитный чугун (А.с. СССР №1216239, МПК C22C 37/10, 1986) следующего химического состава, мас.%:
Углерод
2,8-3,6
Кремний
1,5-2,3
Марганец
8-10
Медь
0,8-2,5
Хром
0,08-0,5
Алюминий
0,6-0,8
Редкоземельные металлы
0,01-0,1
Железо
Остальное
Известный чугун обладает следующими свойствами:
Предел прочности при изгибе, МПа
760-870
Твердость в литом состоянии, HRC
51-57
Коррозийная стойкость, г/м<sup>2</sup>·ч
0,040-0,048
Коэффициент линейного расширения
от 20 до 100°C, α·10<sup>6</sup>, 1/°C
12-15
Величина остаточных термических напряжений, МПа
28-40
Магнитная проницаемость, μ·10<sup>6</sup>, Гн/м
2,8-3,5
Недостатками известного чугуна являются повышенные значения твердости в литом состоянии, магнитной проницаемости и остаточных термических напряжений в отливках. Повышенные значения твердости и остаточных термических напряжений ухудшают обрабатываемость чугуна резанием.
Задачей данного технического решения является снижение твердости в литом состоянии, остаточных термических напряжений и улучшение обрабатываемости чугуна резанием.
Поставленная задача решается тем, что немагнитный чугун, содержащий углерод кремний, марганец, медь, хром, алюминий, редкоземельные металлы и железо, дополнительно содержит барий, серу и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,1-3,6
Кремний
2,1-2,5
Марганец
8-10
Медь
0,8-2,5
Хром
0,07-0,1
Алюминий
0,3-0,8
Редкоземельные металлы
0,02-0,06
Барий
0,03-0,06
Сера
0,02-0,06
Бор
0,002-0,02
Железо
Остальное
Дополнительное введение в чугун бария (0,03-0,06 мас.%) обусловлено существенным графитизирующим и микролегирующим влиянием его на структуру, снижение твердости, остаточных термических напряжений и улучшение обрабатываемости резанием. При увеличении содержания бария более 0,06% снижается магнитная проницаемость чугуна, ухудшается усвояемость бария расплавленным металлом и увеличиваются его потери.
При концентрации бария до 0,03% его влияния на структуру и технологические свойства чугуна недостаточно.
Дополнительное введение 0,02-0,06% серы обусловлено ее влиянием на снижение твердости чугуна в отливке, повышение обрабатываемости резанием и снижение коэффициента линейного расширения. При увеличении содержания серы более 0,06% увеличивается неоднородность структуры и снижается стабильность механических и технологических свойств. При концентрации серы менее 0,02% повышаются коэффициент линейного расширения, твердость чугуна в отливках и ухудшается обрабатываемость резанием.
Дополнительное введение в чугун бора обусловлено его влиянием на снижение магнитной проницаемости и повышение стабильности механических и технологических свойств. При увеличении концентрации бора более 0,02% повышается твердость чугуна в отливках и ухудшается обрабатываемость резанием. При концентрации бора менее 0,002% повышается магнитная проницаемость чугуна, увеличиваются остаточные термические напряжения в отливках.
Применение состава предложенного немагнитного чугуна позволяет снизить твердость в литом состоянии, остаточные термические напряжения и улучшить обрабатываемость чугуна резанием. 2 табл.
Опытные плавки чугунов проводили в открытых индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-95), передельного чугуна марки ПЛПБ2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А, чугунного лома марки 17А, ферромарганца ФМн78, катодной меди, ферробора, силикобария и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна составляла 1430-1480°C. Микролегирование чугуна медью и ферробором производили после рафинирования расплава в печи, а модифицирование селикобарием, редкоземельными металлами и алюминием - в ковше, с использованием экзотермических присадок. Заливку чугуна производили в литейные формы из холоднотвердеющих смесей (ХТС). В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.
Для исследования структуры и свойств чугуна отливали стандартные образцы (диаметр 30 мм) для механических испытаний, технологические пробы, отливки крышек масляных выключателей, нажимных колец электромашин и концевых коробок трансформаторов.
В таблице 2 приведены механические, технологические и физические свойства чугунов опытных плавок. Исследования остаточных термических напряжений чугунов в отливках проводились на решетчатых технологических пробах, склонных к трещинообразованию - на звездообразных пробах высотой 146 мм. Механические испытания проводились в соответствии с ГОСТ 24805 и ГОСТ 27208. Обрабатываемость резанием и оптимальную скорость резания определяли на токарных полуавтоматах с ЧПУ модели СА562Ф3 при механической обработке нажимных колец электромашин. В качестве эталона при сравнении обрабатываемости чугунов опытных плавок использовали антифрикционный чугун марки АЧС-5, имеющий аустенитную структуру и твердость 180 НВ. Склонность к трещинообразованию оценивали по количеству трещин в технологической пробе.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун обладает более низкими характеристиками магнитной проницаемости, твердости и остаточных термических напряжений в отливках и более высокими значениями обрабатываемости резанием и трещиностойкости, чем известный чугун.
Таблица 1
Химические составы литейных сталей опытных плавок
Компоненты
Содержание компонентов в чугунах, мас.%
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
3,2
2,8
3,1
3,4
3,6
3,8
Кремний
1,9
1,9
2,1
2,3
2,5
2,6
Марганец
9,8
7,5
8
9,1
10
11
Медь
1,2
0,6
0,8
1,4
2,5
3
Алюминий
0,7
0,1
0,3
0,6
0,8
1,2
Хром
0,3
0,05
0,07
0,09
0,1
0,3
Редкоземельные металлы
0,1
0,01
0,02
0,04
0,06
0,07
Барий
-
0,02
0,03
0,05
0,06
0,08
Сера
-
0,01
0,02
0,04
0,06
0,07
Бор
-
0,001
0,002
0,01
0,02
0,03
Железо
Остальн.
Ост.
Ост.
Ост.
Ост.
Ост.
Таблица 2
Механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок
Свойства чугунов
Показатели свойств для составов чугунов
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Предел прочности при изгибе, МПа
790
805
860
875
880
845
Твердость, HRC
55
51
47
43
42
48
Магнитная проницаемость, μ·10<sup>6</sup>, Гн/м
3,2
3,0
2,8
2,6
2,5
2,9
Величина остаточных термических напряжений, МПа
31
29
27
25
26
30
Коэффициент линейного расширения, α·10<sup>6</sup>,1/°C
13
12
9,2
8,6
8,1
11
Оптимальная скорость обработки резанием, об/мин
1100-1200
1200-1300
1800-2000
2200-2500
2000-2200
1500-1650
Обрабатываемость резанием, %
100
105
116
124
120
108
Количество трещин в технологической пробе, n
8
7
3
2
5