СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ СЕРОГО ЧУГУНА
GREY CAST IRON OBTAINING METHOD

Суть изобретения: Изобретение относится к области металлургии и предназначено для получения тонкостенных корпусных отливок ответственного назначения из серого чугуна в сельскохозяйственном, нефтегазовом и других отраслях машиностроения.
в
Известен перлитный серый чугун для изготовления отливок по способу Ланца, который при умеренной твердости НВ 160…180, а, следовательно, хорошей обрабатываемости резанием, имеет предел прочности σ=250…330 МПа. Столь высокие прочностные характеристики этого чугуна обеспечены уменьшением в его составе содержания кремния до 0,5…1,5%. В обычных условиях чугун с таким низким содержанием кремния затвердевает белым. Чтобы добиться полной графитизации эвтектики и получить отливки из серого чугуна без отбела, металл заливают в предварительно подогретые формы. Температура подогрева формы зависит от состава чугуна и толщины стенки отливки. Замедляя скорость охлаждения, можно получить достаточно мягкий и легко обрабатываемый чугун, содержащий, например, при 3,3% С и 0,8% Si, тогда как этот же самый чугун при обычных условиях охлаждения должен получиться настолько твердым (отбеленным), что обработать его было бы невозможно [1].
К недостаткам этого чугуна относится то, что необходимый при его использовании предварительный подогрев всей формы не обеспечивает оптимальных условий охлаждения и формирования перлитной структуры в стенках отливки разной толщины. Отливка получает замедленную скорость охлаждения во всех структурночувствительных интервалах температур, в том числе и в интервале дендритной кристаллизации и перлитного превращения, где такое замедление нежелательно с точки зрения получения оптимальной структуры металлической основы. Сложность технологии получения отливки при этом ограничивает номенклатуру возможных изделий.
в
Известны серые высококачественные чугуны для отливок, у которых временное сопротивление разрыву σ достигает 280…335 МПа за счет введения в шихту от 50 до 80% стали. Основная особенность получения этих чугунов состоит в том, чтобы содержание углерода в них не превышало 3,0%, а для предотвращения отбела отливок содержание кремния в металле должно быть от 2,0 до 2,5% [1, а также см. (CN 101671754, С21С 1/10. Дата публикации: 2010.03.17)].
<mrow><msub><mi>S</mi><mi>c</mi></msub><mo stretchy="false">(</mo><msub><mi>S</mi><mi>c</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>%</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mn>4,3</mn><mo>−</mo><mfrac bevelled="true"><mn>1</mn><mn>3</mn></mfrac><mo stretchy="false">(</mo><mi>%</mi><mi>S</mi><mi>i</mi><mo>+</mo><mi>%</mi><mi>P</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow></mfrac><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Повышение прочностных характеристик серого чугуна с пластинчатым графитом путем коррекции состава в сторону уменьшения содержания Si или С, снижающей степень эвтектичности чугуна
, %С, %Si, %Р - содержание углерода, кремния и фосфора в чугуне в % масс., широко применялось в практике литейного производства. При затвердевании низкоэвтектического чугуна образуется большое количество дендритных кристаллов первичного аустенита, которые способны эффективно упрочнять металл, армируя малопрочную эвтектическую матрицу, если в результате последующих превращений они приобретают чисто перлитную структуру [2, 3, 4, 5, 6].
Общим недостатком этих технических решений является склонность низкоэвтектических чугунов к нестабильности перлита и образованию феррита в области первичных дендритов, что снижает их армирующую способность и прочность чугуна в целом. Эта особенность структурообразования связана с закономерностями микроликвации компонентов чугуна, противоположно влияющих на термодинамическую активность углерода в аустените и феррите.
а
а
с
с
с
Все элементы, повышающие активность углерода , сегрегируют в первичные дендритные кристаллы, а элементы, снижающие а, обогащают эвтектическую составляющую. В силу такой «ликвационной поляризации» первичной структуры в дендритах активность углерода всегда (при любом составе чугуна) повышена, а в эвтектике понижена, что неизбежно вызывает перепад активности углерода Δ, между этими микроликвационными зонами. Снижение активности углерода в эвтектике увеличивает склочность к кристаллизации чугуна в метастабильной системе и вероятность появления отбела в отливках.
с
Образовавшиеся в процессе кристаллизации сегрегации вследствие низкой диффузионной подвижности практически всех компонентов чугуна (кроме углерода) обладают очень высокой стойкостью и сохраняются не только до интервала эвтектоидного превращения, но и до комнатной температуры. Более того, они сохраняются и даже усугубляются при повторных нагревах [7]. Чугун, как любая система, стремится к выравниванию своих термодинамических характеристик, в частности, активности углерода. Ввиду низкой диффузионной подвижности других компонентов выравнивание а в реальных условиях возможно только за счет массопереноса углерода из дендритов в эвтектику. Таким образом, неизбежное обогащение первичных дендритов элементами, повышающими активность углерода, предопределяет нестабильность перлитной структуры в этих микроликвационных областях.
Графитизация эвтектоида с образованием перлитно-ферритной и даже чисто ферритной структуры в области первичных дендритов может развиться и при охлаждении отливок в форме или при последующих технологических или эксплуатационных докритических нагревах. Полная или частичная ферритизация первичных дендритов снижает их армирующую способность, и прочность чугуна в целом резко падает. При этом в работе [8] установлено, что разупрочняющее действие феррита, расположенного в первичных дендритах в 15-20 раз сильнее, чем феррита локализованного в эвтектической матрице.
а
а
с
с
Интенсивность обезуглероживания дендритов пропорциональна перепаду активности Δ в микроликвационных зонах, величина которого зависит от химической природы компонентов чугуна и в силу отмеченной ранее «ликвационной поляризации» всегда растет при увеличении содержания компонентов любого комплекса. Иными словами невозможно подобрать компоненты, компенсирующие увеличение ас в дендритах, поскольку элементы, снижающие активность углерода, ликвируют в жидкую фазу и собираются преимущественно в эвтектике. Увеличение объемной доли дендритов также сопровождается усилением микроликвационной неоднородности и увеличением перепада активности Δ.
В работах [9] показано, что стабильность перлитной структуры в области первичных дендритов повышается в низкомарганцевых чугунах со сбалансирование пониженным содержанием кремния.
На основе этого исследования был выбран наиболее близкий к предлагаемому чугуну по технической сущности и достигаемому эффекту серый перлитный чугун со следующим соотношением ингредиентов, масс.%:
углерод 2,9-3,6;
кремний 1,2-1,7;
марганец 0,03-0,30;
хром 0,03-0,08:
титан 0,03-0,08;
цирконий 0,02-0,10;
медь 0,20-1,50;
железо остальное.
(см. SU 1294862 A1, МПК С22с 37/06).
Недостатком данного способа является резкое ухудшение обрабатываемости резанием при повышенном содержании серы в чугуне с содержанием марганца, близком к нижнему значению заявленного интервала. В этом случае образуется тройная фосфидно-цементитная эвтектика - стеадит с очень высокой твердостью [10], что резко ухудшает обрабатываемость чугуна резанием.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является устранение вредного влияния серы, выраженного в образовании тройной фосфидно-цементитной эвтектики, снижающей обрабатываемость резанием, и предотвращение образования феррита в дендритных ветвях, вызывающее уменьшение прочности чугуна.
Технический результат, достигаемый изобретением - повышение прочности за счет стабилизации перлитной структуры в первичных дендритах и улучшение обрабатываемости чугуна за счет предотвращения образования тройной фосфидно-цементитной эвтектики.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известный чугун, дополнительно вводится комплексная добавка, состоящая из 14% Bi; 14% Se; 14% Zn; 9% В; 7% Sb; 7% Sn; остальное Pb, в количестве 0,03…0,10% масс, при следующем содержании основных компонентов, % масс:
углерод 2,9-3,6;
кремний 1,2-1,7;
марганец 0,20-0,50;
хром 0,03-0,08;
титан 0,03-0,08;
цирконий 0,02-0,10;
медь 0,20-1,50;
железо остальное.
<mrow><mi>M</mi><mi>n</mi><mo>,</mo><mi>%</mi><mo>=</mo><mn>1,72</mn><mo>×</mo><mi>S</mi><mo>,</mo><mi>%</mi><mo>+</mo><mn>0,1</mn><mtext>    [11]</mtext></mrow>
Повышение нижнего и верхнего пределов содержания марганца обусловлено необходимостью связывания серы в сульфид марганца. Находясь в растворе, сера очень сильно ликвирует в жидкую фазу, вызывает сильное ее переохлаждение и образование развитой тройной фосфидно-цементитной эвтектики. Содержания марганца не может быть ниже, определяемого по формуле
.
Введение комплексной добавки поверхностно-активных элементов изменяет механизм кристаллизации дендритов первичного аустенита, а, следовательно, изменяются и ликвационные характеристики компонентов. Дендритный рост первичных кристаллов аустенита под действием вводимой добавки прекращается, и на его поверхности послойно кристаллизуется избыточный аустенит с более высоким содержанием кремния. Образовавшаяся высококремнистая оболочка в дальнейшем является барьером для массопереноса углерода из дендритных кристаллов в эвтектику. Сама оболочка будет иметь ферритную структуру, но обезуглероживание и ферритизация центральных областей дендритов будет затруднено. В результате дендриты со стабильно перлитной структурой будут обладать высокой армирующей способностью, что обеспечит повышенную прочность чугуна в целом.
Изобретение иллюстрируется примерами, в которых комплексная добавка поверхностно-активных элементов была введена в количестве, соответствующем рекомендуемому интервалу (варианты 2-4, см. табл.1), а также в количестве, находящемся за его пределами (варианты 1, 5)), для сравнения выплавляли также чугун по известному способу (SU 1294862 А1, МПК С22с 37/06).
Таблица 1.
Составы комплексной добавки в опытные плавки чугуна (в расчете на 10 кг жидкого металла)
Компонент добавки, содержание активного элемента
Содержание компонента в опытных добавках, г
1
2
3
4
5
Сплав 3,6% Sb - 13,6% Sn - 72,8% Pb (литая дробь)
1,25
2,0
3,0
4,0
5,0
Висмут металлический, 99,98% Bi (гранулированный)
0,2
0,5
1,0
1,5
2,0
Селен технический, 99,8% Se (порошок)
0,25
0,5
1,0
1,5
2,0
Цинк, 99,94% Zn (гранулированный)
0,25
0,5
1,0
1,5
2,0
Кислота борная, 18% В (порошок)
1,0
2,0
3.0
4,0
5,0
Суммарное количество поверхностно-активных элементов, введенное с добавкой, % масс.
0,021
0,031
0,065
0,0923
0,119
Чугуны выплавлялись в индукционной печи ИС 1-004 на шихте, состоящей из металлизированных окатышей и ферросплавов. Жидкий металл модифицировали силикоцирконием с размером гранул 3-5 мм, вводя его в заливочный ковш под струю чугуна. Содержание меди регулировалось введением в шихту катодной меди. Комплексную добавку вводили на дно заливочного ковша. Из каждого варианта чугуна при температуре металла 1420-1400°С по термопаре погружения отливали технологические пробы на отбел (клин) и заготовки образцов для определения механических свойств 030 мм и длиной 340 мм. Составы чугунов приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Химический состав* испытуемых чугунов
Химические элементы состава
Содержание элементов, % масс.
Варианты с комплексной добавкой
По известному способу
1
2
3
4
5
6
базовые
С
3,55
3,20
3,3
3,05
2,9
3,57
Si
1,7
1,45
1,68
1,4
1,62
1,7
Mn
0,29
0,25
0,45
0,20
0,30
0,05
Cr
0,062
0,030
0,037
0,030
0,08
0,045
Ti
0,035
0,04
0,042
0,050
0,055
0,040
Zr
0,03
0,05
0,04
0,025
0,06
0,025
Cu
0,7
0,5
0,3
1,0
0,8
0,72
S
0,07
0,06
0,04
0,05
0,08
0,05
Введенные с комплексной добавкой
Bi
0,0008
0,0012
0,002
0,0025
0,0045
-
Se
0,001
0,002
0,004
0,004
0,006
-
Zn
0,003
0,006
0,008
0,009
0,010
-
В
0,0007
0,0014
0,002
0,003
0,007
-
Sb
0,004
0,006
0,009
0,004
0,005
-
Sn
0,005
0,0065
0,009
0,007
0,006
-
Pb
0,004
0,0045
0.004
0,009
0,009
-
* Остальное железо.
Склонность чугунов к отбелу исследовалась с помощью клиновых проб.
Сравнительные испытания обрабатываемости резанием проводились по методу Кеснера при сверлении брусков квадратного сечения, со стороной 30 мм. Метод заключается в сверлении испытуемого материала сверлом при постоянной частоте вращения шпинделя и постоянном усилии на нем.
Характеристикой обрабатываемости служила глубина внедрения сверла (средняя из 10 замеров) в материал за фиксированное время (15 с).
-1
Испытания проводились на вертикально - сверлильном станке при частоте вращения шпинделя 350 мин и усилии на шпинделе 490 Н, которое создавалось грузом. При этом использовали сверло ⌀10 мм из стали Р6М5, нормальной формы заточки (2φ=118°).
Микроструктура металлической основы чугуна исследовалась после травления 4%-м спиртовым раствором азотной кислоты микрошлифов, вырезанных из образцов для механических испытаний.
Полученные в результате исследований данные приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Результаты сравнительных исследований чугуна, полученного по предлагаемому (вариант 1-5) и известному способам
Испытуемые чугуны
Структура металлической основы
Отбел по клиновой пробе, мм
Обрабатываемость резанием, глубина сверления,мм
Твердость, НВ
Предел прочности, σ<sub>в</sub>, МПа
с комплексной добавкой по вариантам
1
Перлит + 5% феррита
1,5
6,0
140
150
2
Перлит + ферритная кайма вокруг ветвей дендритов
2,0
5,2
208
230
3
2,5
4,85
216
278
4
3,0
4,75
221
318
5
Перлит
7,0
3,0
254
300
по известному способу
6
Перлит + 8% феррита + стеадит
4,0
1,8
265
175
При содержании марганца меньше нижнего предела, а комплексной добавки больше верхнего предела (варианты 5, 6, см. табл.1, 2) ухудшается обрабатываемость чугуна, а склонность к отбелу увеличивается.
При недостаточном количестве комплексной добавки (вариант 1 табл.1, 2), резко снижается прочность чугуна.
Ограничение нижнего предела содержания марганца не менее 0,20% надежно защищает чугун от образования стеадита, а комплексная добавка стабилизирует перлитную структуру в области первичных дендритных кристаллов. Повышение верхнего предела содержания марганца до 0,5 мас.% продиктовано технологической необходимостью иметь достаточный заданный интервал концентраций. Вместе с тем такое увеличение содержание марганца не может вызвать разупрочнение чугуна вследствие ферритизации дендритных ветвей, поскольку перлитная структура в них стабилизирована действием комплексной добавки.
Анализ приведенных в таблице данных показывает, что по сравнению с известным аналогом предлагаемый способ получения отливок из серого чугуна имеет оптимальный комплекс механических и технологических свойств. Применение этого чугуна для изготовления сложных корпусных отливок повысит качество литья и позволит получить значительный экономический эффект.
Использованные источники литературы
1. К. Гейгер., Литейное дело. Пер. с немец. T.1. ОНТИ. Ленинград 1934, 320 с.
2. Паттерсон В., Микроструктура чугуна и его свойства // В кн. 29-й Международный конгресс литейщиков / В Паттерсон / - М.: Машиностроение, - 1967, - с.55-63.
3. Гиршович Н.Г., Первичная структура как критерий оценки механических свойств серого чугуна / Н.Г. Гиршович, И.А. Иоффе, Г.А. Косников // - Л.: ЛДНТП, 1967. - 30 с.
4. Ильинский В.А., О композитном характере структуры кристаллизации чугунов с разной степенью эвтектичности. /В.А. Ильинский, Л.В. Костылева // Известия АН СССР. Металлы. -1986. - №5. - С.116-118.
5. Арзамасов Б.Н., Конструкционные материалы. Справочник. // Б.Н. Арзамасов / - М.: Машиностроение - 1990, - 687 с.
6. Элиот Р., Управление эвтектическим затвердеванием // Р. Элиот / - М. Металлургия, - 1987, - 350 с.
7. Il'insky V.A., Mechanism of Microsegregation in Iron-Carbon Alloys and New Possibilities in Foundry Technology // V.A. l'insky, A.A. Zhukov, L.V. Kostyleva / Cast Metals, - 1990, - v.3, - №1, - Р.42-48.
8. Ильинский В.А., Влияние дендритной ликвации на перлитно-ферритную структуру серого чугуна // В.А. Ильинский, Л.В. Костылева / Металловедение и термическая обработка металлов. - 1987, - №5, - С.47.
9. Ильинский В.А., Особенности кристаллизации чугуна, лимитирующие эффективность его легирования //В.А. Ильинский, Л.В. Костылева / Литейное производство, - 1990, - №4, - С.5-6.
10. Ильинский В.А., Литейные дефекты структуры тонкостенных чугунных отливок // В.А. Ильинский, Л.В. Костылева, Н.П. Рубцова, В.Г. Майков / Литейное производство, - 1988, - №12, - С.5-6.
11. Гиршович Н.Г., Чугунное литье // Н.Г. Гиршович / - Л. - М.: Металлургиздат, - 1949, - 708 с.