СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ
METHOD FOR CAST IRON HEAT TREATMENT WITH SPHERICAL GRAPHITE

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам термической обработки чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано для получения изделий с высокими прочностными и пластическими свойствами, ударной вязкостью и износостойкостью.
Известен способ [1] получения в чугуне с шаровидным графитом бейнитной структуры из литого состояния. Формирование бейнитной структуры обеспечивается за счет рационального легирования чугуна. Чугун содержит компоненты в следующем соотношении (в мас.%):
углерод
- 3,7-4,0
кремний
- 0,06-1,1
марганец
- 0,05-0,4
никель
- 1,8-2,4
медь
- 0,6-2,0
хром
-0,1-0,8
ванадий
- 0,03-0,08
титан
- 0,01-0,04
магний
- 0,03-0,1
железо
- остальное.
Способ имеет определенные недостатки: неравномерность охлаждения не обеспечивает однородность структуры по сечению отливок, имеющих сложную конфигурацию; использование дорогостоящих легирующих элементов повышает себестоимость изделий; изделия, обладающие бейнитной структурой из литого состояния, имеют плохую обрабатываемость.
Наиболее близким к предлагаемому химическому составу чугуна является способ получения аустенитно-бейнитного чугуна с шаровидным графитом после непрерывного охлаждения с последующим отпуском, а также после нормализации с замедленным охлаждением в песке. Для этого используется чугун следующего химического состава (в мас.%):
углерод
- 3,58-3,95
кремний
- 2,22-2,62
марганец
- 0,065-0,13
никель
- 1,18-2,92
медь
- 0,71-0,81
магний
- 0,03-0,042
РЗМ
- 0,052-0,064
фосфор
- менее 0,08
сера
- менее 0,03
железо
- остальное.
Недостатками способа являются: относительно высокая стоимость сплава, обусловленная повышенным содержанием никеля и меди; медленное охлаждение в песке после нормализации или отпуск после непрерывного охлаждения из литого состояния приводят к выделению мелкодисперсных карбидов, которые уменьшают пластичность и ударную вязкость чугунов.
Существует способ [3] термической обработки чугуна, включающий двойную нормализацию, что способствует повышению прочности и износостойкости деталей. В соответствии со способом изделия подвергаются нормализации при 700-900°C с охлаждением на спокойном воздухе, повторный нагрев проводят ступенчато до 950-1000°C с последующим охлаждением струей сжатого воздуха. Способ имеет несколько недостатков. Во-первых, ступенчатый нагрев с различными скоростями при второй нормализации требует использования специальных методов контроля и управления, что усложняет процесс термообработки и требует для ее реализации специального оборудования. Во-вторых, высокие температуры нагрева перед второй нормализацией (950-1000°C) способствуют насыщению матрицы углеродом, повышению устойчивости аустенита и приводят к росту его зерна, что для деталей с малой толщиной стенки чревато образованием мартенсита, который снижает прочность и ударную вязкость.
Наиболее близким по техническим решениям, выбранным в качестве прототипа для термической обработки, является способ [4], включающий двойную нормализацию и отпуск, при этом первую нормализацию проводят при 820-880°C, вторую - при 810-850°C, а отпуск при 600-650°C. Способ имеет следующие недостатки. Высокий отпуск приводит к повышению хрупкости изделий из чугуна, снижению пластичности, прочности и износостойкости. Использование приблизительно одинакового температурного интервала нагрева на аустенитизацию при двойной нормализации не приводит к качественным структурным изменениям, а только к количественным изменениям размера зерна.
Целью изобретения является разработка способа термической обработки чугуна с шаровидным графитом для получения в нем бейнитной матрицы, которая обеспечивает изделиям высокую прочность, пластичность, износостойкость и ударную вязкость.
Это достигается тем, что термической обработке подвергают чугун с шаровидным графитом, содержащий, в мас.%:
углерод
- 3,0-3,4
кремний
- 1,8-2,3
марганец
- 0,3-0,5
никель
- 0,6-1,2
молибден
- 0,3-0,7
медь
- 0,3-0,7
магний
- 0,04-0,09
сера
- 0,01-0,02
фосфор
- 0,06-0,08
железо
- остальное,
с суммарным содержанием легирующих элементов (Mn, Ni, Mo, Cu) - 1,7-2,4%, при этом формирование бейнитной матрицы обеспечивают путем первой нормализации на воздухе от температур 940-960°C после выдержки 1,5-2,5 часа, второй нормализации путем нагрева до температур 790-810°C со скоростью 100-200°C/ч, с выдержкой 1,5-2,0 часов и охлаждением струей сжатого воздуха и отпуска при температуре 250-300°C с выдержкой 2-4 часа.
Это обеспечивает получение в чугуне с шаровидным графитом бейнитной металлической матрицы. Такая микроструктура отличается высокой прочностью, пластичностью, износостойкостью и повышенной вязкостью, в результате изделия из чугуна обладают высокой эксплуатационной стойкостью.
Указанное содержание углерода в чугуне обеспечивает формирование из литого состояния графита с преобладанием перлитной металлической матрицы. В случае превышения концентрации свыше 3,4% С повышается склонность чугуна к формированию в структуре феррита, что неблагоприятно сказывается на структурных превращениях при первой нормализации. Уменьшение углерода ниже указанного предела приводит к дендритной кристаллизации чугуна с шаровидным графитом и появлению структурно-свободного цементита.
Кремний в чугуне является основным графитизирующим элементом. При концентрации свыше 2,3% из-за обратной эвтектической ликвации формируются ферритные оторочки вокруг графитовых включений. При содержании кремния менее 1,8% возможно развитие двойной (смешанной) ликвации кремния. Сегрегация приводит к формированию разнородной металлической матрицы, что неблагоприятно отражается на свойствах чугуна после термической обработки.
Марганец в указанных пределах способствует формированию перлитной матрицы из литого состояния и после первой нормализации. Он также повышает устойчивость аустенита в перлитной области при непрерывном охлаждении. При содержании в чугуне свыше 0,5% Мn ликвирует по границам аустенитного зерна, что после термической обработки приводит к возникновению в этих участках мартенсита и снижению механических свойств.
Легирование чугуна никелем производится для стабилизации аустенита в области этектоидного превращения и способствует повышению бейнитной прокаливаемости, что приводит к получению однородной металлической матрицы по сечению изделия. При увеличении содержания свыше установленного предела возрастает вероятность образования мартенсита при непрерывном охлаждении, особенно в тонких стенках изделий. Снижение концентрации менее 0,6% приводит к получению смешанных перлитно-бейнитных структур и снижает пластические свойства изделий.
Молибден в чугуне обеспечивает получение бейнитной структуры при непрерывном охлаждении и повышает бейнитную прокаливаемость. Повышение содержания выше установленного предела приводит к формированию карбидов, что уменьшает показатели механических свойств. Уменьшение концентрации молибдена в чугуне способствует формированию перлита в металлической матрице чугуна.
Медь используется для повышения прокаливаемости чугуна и получения перлитной структуры после первой нормализации.
Комплексное легирование Mn, Ni, Mo и Cu повышает устойчивость аустенита в верхней температурной области его трансформации, что позволяет избежать при непрерывном охлаждении появления в конечной структуре продуктов перлитного превращения. При средней толщине стенки изделия, превышающей 30 мм, суммарная концентрация легирующих элементов (Mn, Ni, Mo и Cu) в чугуне выдерживается на верхнем пределе 2,4%.
Остаточное содержание магния в чугуне в интервале от 0,04 до 0,09% обеспечивает формирование в структуре чугуна при кристаллизации шаровидного графита. При содержании менее 0,04% Mg формируется вермикулярный графит, который снижает прочностные и пластические свойства чугуна. Остаточное содержание свыше 0,09 приводит к перемодифицированию расплава и появлению вырожденных форм графитовых включений и карбидов.
Содержание серы и фосфора принято на уровне примесей, количество которых в чугуне определяется содержанием этих элементов в исходных шихтовых материалах.
Первую нормализацию изделий осуществляют от температур 940-960°C, что обеспечивает получение при охлаждении на спокойном воздухе перлитной структуры. Указанная температура и выдержка изделий способствуют гомогенизации аустенита и его насыщению углеродом за счет частичного растворения графитовых включений. Время выдержки варьируется в зависимости от толщины стенки и конфигурации изделия. Для изделий с большой толщиной стенки рекомендуется более длительная выдержка. Увеличение температуры и времени выдержки свыше установленного приводит к росту зерна аустенита, что неблагоприятно сказывается на последующем превращении, в результате которого в структуре возможно появление феррита.
Вторая нормализация обеспечивает получение бейнитной структуры в чугуне. Нагрев на аустенитизацию со скоростью 100-200°C/ч осуществляется до температур 790-810°C, он обеспечивает трансформацию перлита в аустенит и измельчение зерна аустенита. Повышение температуры и времени выдержки приводит к появлению феррита в межкритическом интервале эвтектоидного превращения. Такой пробейнитный феррит снижает прочность и износостойкость чугуна. Охлаждение изделий от температур аустенитизации осуществляется струей сжатого воздуха, что позволяет получить бейнитную структуру, минуя перлитное превращение.
Отпуск проводится для снятия внутренних напряжений при температурах 250-300°C, в течение 2-4 часов. Заметных структурных изменений при температурах отпуска не происходит. При нагреве выше 300°C после отпуска возможно появление отпускной хрупкости, что снижает пластические свойства и ударную вязкость чугуна.
Технический результат, реализуемый при осуществлении изобретения, заключается в получении заготовок со структурой чугуна, состоящей из графитных включений шаровидной формы и бейнитной матрицы, которые при оптимальном сочетании, обеспечиваемом термической обработкой и составом сплава, позволяют повысить уровень прочностных и пластических свойств и износостойкости. Изделия, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств по сечению и могут широко использоваться для получения деталей в различных отраслях машиностроения.
Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов и средств.
Плавку чугуна осуществляют в плавильных электропечах, легирование чугуна (Si, Mn, Mo, Ni, Cu) проводят соответствующими ферросплавами в печи за 10-15 мин до выпуска металла, а его модифицирование - магнийсодержащими лигатурами при сливе расплава в ковш. Отливки получают путем заливки жидкого чугуна в песчаные формы. После охлаждения и выбивки отливки из форм при необходимости подвергают механической обработке. Изделия нагревают в камерных электрических или газовых печах для аустенитизации и отпуска. При первой нормализации после извлечения из печи изделия охлаждают на спокойном воздухе до температур окружающей среды. Во время второй нормализации используют промышленные вентиляторы для ускорения охлаждения изделий. После второй нормализации изделия подвергают отпуску с выдержкой в печи при заданных температурах и последующим охлаждением на воздухе.
Пример. В индукционной электропечи расплавляли шихтовые материалы и получали легированный чугун с различным химическим составом. При температуре расплава 1390-1420°C его сливали в ковш, в который предварительно засыпали 2% от массы расплава магнийсодержащую лигатуру ФСМг-7 (ТУ 14-5-134-86). Цилиндрические отливки ⌀35×380 мм получали в песчано-глинистых формах. После охлаждения из них изготовляли образцы для механических и металлографических исследований. Химический состав исследуемых чугунов представлен в таблице 1.
Таблица 1
Химические составы чугунов
Сплав
Содержание элементов, мас.%
С
Si
Mn
Ni
Mo
Cu
Mg
S
P
1.
3,05
2,26
0,33
1,29
0,33
0,61
0,045
0,012
0,027
2.
3,27
2,05
0,47
1,27
0,53
1,02
0,053
0,012
0,027
3.
3,15
1,87
0,45
0,82
1,12
0,51
0,062
0,011
0,030
Термическую обработку образцов производили в соответствии с режимами, приведенными в таблице 2. Нагрев проводили в электрических камерных печах. После отпуска образцы охлаждали на воздухе.
Исследование микроструктуры образцов показало, что чугуны после термообработки по режиму В имели смешанную трооститно-сорбитную структуру. Термообработка по режиму Б привела к формированию трооститно-бейнитной структуры с включениями пробейнитного феррита. Образцы после термической обработки по режиму А имели бейнитную структуру. В структуре образцов состава №3 (табл.1) после термической обработки наблюдали цементитные включения (3-5% от исследуемой площади микроструктуры). Результаты механических испытаний представлены в таблице 3.
Таблица 3
Результаты механических испытаний
Режим термической обработки *
Сплав **
Механические свойства
σ<sub>в</sub>, МПа
δ, %
KCU<sup>+20</sup>, кДж/м<sup>2</sup>
НВ
А.
1.
1025,5
6,2
187,5
363
2.
974,8
4,7
107,5
352
3.
824,3
5,6
67,5
388
Б.
1.
985,5
10,2
164,5
341
2.
888,0
7,2
143,5
311
3.
854,5
4,8
90,0
388
В.
1.
861,4
5,2
107,5
285
2.
850,5
6,0
67,5
262
3.
684,3
4,2
52,5
311
Примечание: * - Режим термической обработки по табл.2
** - Химический состав чугунов по табл.1
Видно, что предлагаемое сочетание состава чугуна и способа термической обработки обеспечило чугунам более высокие значения прочности, ударной вязкости и пластичности, чем у прототипа. Термическая обработка с температурой аустенизации 950°C (режим А, табл.2) способствовала получению чугунов с более высокими прочностными свойствами, но пластичность и ударная вязкость сравнительно низкие. Кроме того, в этом случае затрудняется механическая обработка деталей по причине их повышенной твердости.
Превышение суммарной концентрации меди, никеля, молибдена и марганца, свыше рекомендуемой 2,4%, в чугуне химического состава №2 и 3 (по табл.1) приводит к снижению пластических свойств и повышению твердости.
Заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получить более мелкозернистую и однородную микроструктуру, что положительно сказывается на эксплуатационных свойствах чугуна.
Источники информации
1. Чугун. Крестьянов В.И., Вестфальский Е.А., Бакума С.С., Степанцов Э.В. Патент №2138578 РФ. Опубликован: 27.09.1999. МПК C22C 37/10.
th
2. Microstructures and properties of austenitic-bainitic ductile iron produced by continuous cooling / Strength Metals and Alloys: Proc. 8 Int. Conf., Tampere. 22-26 Aug., 1988: ICSMA 8. Vol 3. - Oxford ect, 1989. - P.1311-1316.
3. Способ термической обработки чугуна. Абашкин В.Ф., Лядов В.В., Вербицкий А.И., Мартыненко А.Ф., Крымов Б.К. Авторское свидетельство №382706. Опубликовано: 23.05.1973. Бюл. №23. М.Кл. C21D 5/00.
4. Способ термической обработки отливок из чугуна с шаровидным графитом. Петриченко A.M., Солнцев Л.А., Малый А.Ф., Мельников Л.П., Миняйло Т.Л. Авторское свидетельство №368337. Опубликовано: 26.01.1973. Бюл. №9. М.Кл. C21D 5/00.