СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧУГУНА С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ И АУСТЕНИТНО-ФЕРРИТНОЙ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF CAST IRON WITH SPHERICAL GRAPHITE AND AUSTENITE-FERRITE METAL MATRIX

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке способов получения чугунов с шаровидной формой графита, и может быть использовано при производстве изделий с высокими свойствами ударной вязкости, пластичности и хладостойкости.
Известен способ [1, с.44-45] повышения уровня прочностных и пластических свойств, а также снижения порога хладноломкости чугуна с шаровидным графитом за счет использования операции термоциклирования. К недостаткам способа относится использование длительного, многостадийного и высокотемпературного режима термической обработки, который значительно удлиняет технологический процесс, повышает себестоимость изделий и требует для осуществления специального оборудования. В результате использования способа термоциклирования происходит рост графитных включений, который неблагоприятно влияет на уровень механических и эксплуатационных характеристик.
Известен способ [2] получения отливок из половинчатого чугуна с аустенитно-бейнитной структурой. Способ включает выплавку в электропечах, легирование, двойное модифицирование, получение отливки в песчаную форму, извлечение ее из формы при температуре 900-1000°C, перемещение в печь с температурой 950-1000°C и последующее регулируемое охлаждение в изотермической ванне при температуре 300-320°C, при этом используют чугун, содержащий (в мас.%):
углерод
3,2-3,4
кремний
3,0-3,3
марганец
0,3-0,4
магний
0,04-0,07
молибден
1,5-1,7
никель
2,2-2,6
сера
0,01-0,012
фосфор
0,06-0,08
железо
остальное.
Недостатками способа являются: сложность технической реализации способа для крупногабаритных деталей; плохая обрабатываемость деталей; низкие пластические свойства; нестабильность структуры, а присутствие в металлической матрице чугуна мартенсита и карбидов снижает ударную вязкость.
Наиболее близким, принятым в качестве прототипа, является способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом [3]. Чугун содержит (в мас.%):
углерод
3,23-4,08
кремний
2,76-3,89
марганец
0,20-0,47
магний
0,02-0,05
молибден
0,15-0,48
алюминий
0,02-0,08
барий
0,03-0,10
кальций
0,008-0,018
РЗМ
0,02-0,06
железо и примеси
остальное.
Внепечная обработка чугуна производится модифицирующей смесью, содержащей силикобарий, плавиковый шпат и магнийсодержащую лигатуру. После охлаждения отливки подвергаются термической трехэтапной обработке, состоящей из гомогенизирующего и ферритизирующего отжига, а также искусственного старения.
Недостатком способа является то, что сложно обеспечить в чугуне остаточное содержание бария и кальция в тех процентных концентрациях, которые указаны в составе. Указанные элементы при модифицировании интенсивно взаимодействуют с кислородом и переходят в шлак. При попадании оксидов кальция и бария в чугун они образуют неметаллические включения, которые ослабляют металлическую матрицу и снижают пластические и прочностные свойства чугуна. Трехэтапная термическая обработка удлиняет технологический процесс и повышает себестоимость готовых изделий.
Целью изобретения является разработка способа получения изделий из чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-ферритной металлической матрицей, которая обеспечивает изделиям высокий уровень пластичности и ударной вязкости при достаточно высокой прочности.
Для достижения указанной цели, чугун выплавляют в индукционной электропечи, расплав при сливе в ковш модифицируют при температуре 1370-1400°C комплексной лигатурой, состоящей из силикобария (20-30% от массы лигатуры) и магнийсодержащего модификатора (70-80%), первоначально литьем в сырую песчано-глинистую форму получают отливки из половинчатого чугуна с аустенитно-мартенситной матрицей, для обеспечения аустенитно-ферритной структуры в чугуне проводят графитизирующий отжиг при температуре 980-1100°C с выдержкой 3-5 час и последующим охлаждением с печью до комнатных температур, при этом используют чугун следующего химического состава, (в мас.%):
углерод
3,1-3,3
кремний
3,0-3,5
марганец
0,2-0,3
магний
0,04-0,06
молибден
1,5-1,7
никель
2,5-3,0
сера
0,01-0,012
фосфор
0,04-0,06
железо
остальное.
В результате получается аустенитно-ферритная структура чугуна с мелкодисперсной графитной фазой шаровидной формы, которая обеспечивает изделиям, изготовленным из этого материала, высокую пластичность и ударную вязкость при сравнительно высокой прочности.
Заданная структура в чугуне получается в результате использования двух технологических операций. После применения первой операции из литого состояния получается половинчатый чугун с шаровидным графитом и аустенитно-мартенситной металлической матрицей. Вторая операция - термическая обработка обеспечивает диссоциацию карбидов, дополнительное выделение дисперсных графитовых включений и получение требуемой аустенитно-ферритной металлической матрицы.
Содержание углерода, ограниченное 3,1-3,3%, обеспечивает получение из литого состояния половинчатого чугуна. При превышении концентрации углерода в чугуне увеличиваются размеры графитовых включений, что неблагоприятно сказывается на механических и эксплуатационных свойствах. Углерод является сильным графитизирующим элементом и при превышении указанной концентрации будет препятствовать формированию цементита в структуре чугуна. При уменьшении содержания углерода в чугуне менее 3,1% возрастает вероятность полного подавления процесса первичной графитизации, что приводит к формированию структуры белого чугуна, которая удлиняет процесс графитизирующего отжига и приводит к неравномерному распределению графитовых включений.
э
Кремний наряду с углеродом способствует графитизации чугуна. Процентное соотношение этих элементом в чугуне определяется углеродным эквивалентом: C=С (%)+0,3 Si (%), который должен соответствовать эвтектическому составу
э
С=[4,3-4,4]. При соблюдении такого условия возрастает количество эвтектических графитовых и цементитных колоний, и структура чугуна по сечению изделия получается более однородной. При графитизирующем отжиге кремний способствует диссоциации карбидных включений. Снижение содержания кремния менее 3,0% приводит к образованию белых чугунов, а при увеличении его содержания выше допустимого уровня в структуре чугуна образуются силикокарбиды, резко повышающие хрупкость и снижающие вязкость термообработанного чугуна.
3
2
Основным карбидообразующим элементом в составе чугуна, обеспечивающим получение половинчатой структуры, является молибден. Содержание в чугуне молибдена в интервале 1,5-1,7 способствует получению в структуре легированного цементита (Fe, Мо)С. Повышение концентрации Мо свыше указанной концентрации приводит к возникновению карбидов молибдена - МоС, которые при графитизирующем отжиге не диссоциируют и сохраняются в структуре, понижая уровень ударной вязкости.
Комплексное легирование Ni и Мо повышает устойчивость аустенита в верхней температурной области термокинетической диаграммы его превращения, что позволяет избежать появления в конечной структуре чугуна продуктов перлитного превращения. Легирование чугуна этими элементами увеличивает прокаливаемость чугуна, что способствует выравниванию структуры по сечению отливки.
Содержание никеля в указанных пределах способствует появлению в конечной структуре чугуна аустенита. При кристаллизации никель в основном концентрируется в аустените, который при последующем охлаждении отливки в литейной форме частично трансформируется в мартенсит. Графитизирующий отжиг обеспечивает частичную гомогенизацию аустенита. В связи с тем что никель обладает ограниченной подвижностью в гранецентрированной решетке аустенита, в структуре сохраняются области с повышенной концентрацией этого элемента, что позволяет стабилизировать аустенитную структуру при охлаждении и сохранить ее в конечной металлической матрице чугуна. Кроме того, при кристаллизации никель, также как углерод и кремний, способствует графитизации чугуна, и несоблюдение указанных пределов концентрации приведет к получению на первой стадии структуры белых или графитизированных чугунов, которая неблагоприятно влияет на распределение структурных составляющих после термической обработки.
Легирование чугуна производится в электропечи при его выплавке, при этом обеспечивается наилучшее усвоение легирующих элементов из вводимых лигатур и точное получение заданного химического состава. Никель и молибденсодержащая лигатура загружаются в печь с исходными шихтовыми материалами, а ферросилиций вводится в конце плавки, перед выпуском расплава из печи, что усиливает инокулирующий эффект.
Магний в чугуне обеспечивает получение сфероидальной формы графита при кристаллизации и способствует образованию шаровидной формы графитовых включений при графитизирующем отжиге. Использование для модифицирования комплексной лигатуры, состоящей из силикобария (20-30% от массы лигатуры) и магнийсодержащего модификатора (70-80%), позволяет получить мелкодисперсные графитные включения в процессе кристаллизации чугуна. Дополнительное использование в комплексной лигатуре силикобария повышает графитизирующую способность расплава. Процентное соотношение вводимой в расплав комплексной лигатуры к массе обрабатываемого металла при модифицировании должно соответствовать 0,04-0,06% остаточного содержания магния в отливках.
Содержание серы ограничено 0,01-0,012%, что обусловлено, во-первых, требуемой концентрацией остаточного содержания магния, и во-вторых, в структуре не допускает получение крупных сульфидных включений, которые снижают пластические свойства чугуна.
Концентрация марганца принята на уровне примеси, количество которого в чугуне обеспечивается исходными шихтовыми материалами.
Фосфор в чугуне является вредной примесью. При повышении его содержания свыше 0,06% возможно образование фосфидной эвтектики, которая снижает пластические свойства и ударную вязкость чугуна. Помимо этого фосфор, являясь сильноликвирующей примесью, может в процессе кристаллизации приводить к возникновению участков микроструктуры, насыщенных карбидообразующими элементами. В таких участках формируется легированный цементит и специальные карбиды, обладающие высокой устойчивостью, которые сохраняются в конечной структуре изделий после графитизирующего отжига.
Сравнительно низкая температура сфероидизирующего модифицирования 1370-1400°С способствует получению в чугуне дисперсной графитной фазы. Низкотемпературная разливка в сырые песчано-глинистые формы обеспечивает существенное переохлаждение на начальной стадии кристаллизации, что приводит к формированию половинчатых структур чугуна.
Получение на начальной стадии из литого состояния половинчатой структуры очень важно, так как последующая стадия термической обработки заготовок формирует дифференцированные концентрационные области в структуре чугуна. Разное содержание основных легирующих элементов (Ni, Mo и Si) в металлической матрице приводит к формированию аустенитно-ферритных структур после термической обработки. В областях с повышенным содержанием никеля, которые ранее были заняты аустенитом, и после термообработки сохраняется аустенитная металлическая матрица. В областях, возникающих в местах диссоциации карбидов и мартенсита, образуется феррит. Диссоциация карбидов, происходящая при графитизирующем отжиге, приводит к выделению мелкодисперсных включений графита компактной и шаровидной формы, которые понижают плотность чугуна, и в связи с малыми размерами способствуют увеличению ударной вязкости.
Графитизирующий отжиг необходимо проводить в термических печах с нейтральной или восстановительной атмосферой, в таком случае структура получается более однородной по сечению.
Технический результат, реализуемый при осуществлении изобретения, заключается в получении заготовок со структурой, состоящей из дисперсных графитных включений сфероидальной формы и аустенитно-ферритной матрицы, которые в сочетании с перечисленными технологическими приемами и составом чугуна обеспечивают высокую пластичность и ударную вязкость при сравнительно высокой прочности. Отливки, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств по сечению и могут широко использоваться в различных отраслях машиностроения.
Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов и средств.
Плавку чугуна проводят в индукционных плавильных электропечах, а его модифицирование комплексной лигатурой, при сливе расплава в ковш. Отливки получают путем заливки расплава чугуна в сырые песчано-глинистые формы. Отливки охлаждают до комнатных температур и выбивают из форм. Далее их подвергают графитизирующему отжигу в термических печах с нейтральной или восстановительной атмосферой.
Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок с заявленными микроструктурой и свойствами.
Пример. В индукционной электропечи расплавляли шихтовые материалы и получали легированный чугун. При температуре расплава 1390°C его сливали в 25-ти кг ковш, в который предварительно засыпали мелкофракционную комплексную лигатуру (2,5% от массы расплава), состоящую из 70% магнийсодержащего модификатора ФСМг-7 (ТУ 14-5-134-86) и 30% силикобария SIBAR22 (ТУ 082-001-72684889-06). Лигатуру в ковше для предотвращения всплытия и снижения шлакообразования нагружали стальной высечкой.
Из модифицированного чугуна получали пробные заготовки с различной толщиной стенки по сечению от 10 до 45 мм, путем заливки его в сырые песчано-глинистые формы.
После трех исследований химического состава различных заготовок было определено, что чугун имел следующее содержание элементов, (в мас.%):
углерод
3,1-3,2
кремний
3,2-3,3
марганец
0,25
магний
0,05-0,055
молибден
1,5-1,55
никель
2,7
сера
0,01
фосфор
0,06
железо
остальное.
Из заготовок изготавливались шлифы, по которым изучали микроструктуру. Исследование показало, что во всех исследуемых шлифах наблюдается структура половинчатого чугуна с равномерно распределенными эвтектическим цементитом и мелкими графитными включениями шаровидной формы (средний диаметр включений 10-20 мкм). Металлическая матрица состояла из 45-55% аустенита и 45-55% мартенсита.
После этого производили графитизирующий отжиг заготовок в печи при температуре 1000°C с выдержкой 4,5 час и последующим охлаждением в печи вплоть до комнатных температур. Исследование микроструктуры показало, что во всех частях заготовок после термической обработки произошла диссоциация цементита и сформировалась аустенитно-ферритная структура с мелкодисперсными графитными включениями.
За счет уменьшения длительности термической обработки удалось сократить технологический процесс производства на 3-4 часа по сравнению с прототипом, что благоприятно сказалось и на снижении себестоимости полученных заготовок.
в
0,2
+20°C
2
Механические свойства чугуна с аустенитно-ферритной матрицей: σ=560-610 МПа; σ=420-450 МПа; δ=22-28%; КС=150-170 Дж/см; 277-286 НВ.
в
+20°C
2
Механические свойства ферритного чугуна, принятого в качестве прототипа: σ=510-660 МПа; δ=21-25%; KCU - 125-140 Дж/см.
Как видно из сравнения характеристик, пластические свойства чугуна с аустенитно-ферритной матрицей превосходят свойства чугуна прототипа с упрочненной ферритной матрицей.
Кроме того, заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получить дифференцированную мелкодисперсную микроструктуру, что положительно сказывается на эксплуатационных свойствах чугуна. Присутствие в структуре метастабильного аустенита позволяет при эксплуатации изделий из такого чугуна использовать эффект деформационного упрочнения остаточного аустенита, для улучшения прочностных показателей.
Источники информации
1. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом / Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г. Вареник П.А. - Киев: Наук. думка, 1986. - 248 с.
2. Способ получения отливок из половинчатого чугуна с аустенитно-бейнитной структурой. Макаренко К.В. Патент №2250268 РФ. Бюл. №11, 20.04.2005. МКИ C21C 1/10, C22C 37/04, C21D 5/00.
3. Чугун, способ его получения и способ термической обработки отливок из него. Сильман Г.И., Камынин В.В., Харитоненко С.А. Патент №2267542 РФ. Бюл. №01 10.01.2006. МКИ C21C 1/10, C21D 5/00.