ЧУГУН И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
CAST IRON AND METHOD FOR ITS PRODUCTION

Изобретения относятся к области металлургии, в частности к составам и способам производства высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и могут быть использованы при производстве литых изделий, отличающихся высокими механическими свойствами, в том числе при динамическом нагружении, например валков прокатных станов. В современных условиях прокатного производства повышаются требования к качеству поверхности прокатной продукции и, соответственно, качеству прокатных валков. Индефинитные валки, работающие в чистовых клетях листопрокатных станов, должны обладать высокой износостойкостью и устойчивостью к образованию поверхностных микротрещин. Свойства рабочего слоя индефинитных валков определяются структурой индефинитного чугуна. Повысить свойства индефинитного чугуна можно посредством оптимизации его химического состава и структуры.
Из описания к RU 2403303 [1] известен сплав, который может быть использован для изготовления прокатных валков. Сплав содержит, мас. %: углерод 3,0-5,0; кремний 0,8-1,2; марганец 1,6-2,0; хром 22,0-24,0; никель 42,0-44,0; кобальт 21,2-25,2; железо 3,0-5,0. Недостатками известного сплава являются относительно высокая стоимость, обусловленная высоким содержанием дорогостоящих металлов (хром, никель, кобальт) и недостаточно высокие механические и эксплуатационные характеристики.
Из описания к RU 2153536 [2] известен состав износостойкого чугуна для получения различных литых заготовок деталей, работающих в условиях повышенного износа, а именно двухслойные с рабочим износостойким слоем валки, прокатные станы, дробильное оборудование, строительной (дробилки) и пищевой промышленности, мукомольной, пивоваренной (мельница для размола солода). Чугун содержит компоненты при следующем соотношении мас. %: углерод 3,0-3,3; кремний 0,3-0,6; марганец 0,3-0,6; фосфор 0,3-0,8; ванадий 0,1-0,4; железо и примеси остальное, при этом отношение содержания ванадия к содержанию фосфора составляет 0,3-0,5. Чугун в качестве примесей содержит никель и хром до 0,4% каждого и серу до 0,02%. Недостатками известного сплава являются недостаточно высокие механические характеристики сплава - предел прочности на растяжение (временного сопротивления), предел прочности на изгиб и ударная вязкость рабочего слоя, не позволяющие достигать обусловленные этим увеличение производительности и эксплуатационной надежности валков чистовой группы станов горячей прокатки.
Близким к заявляемому по перечню содержащихся в его составе химических элементов является хромистый чугун, известный из описания к RU 2462527 [3]. Чугун содержит, мас. %: углерод 3,6-4,0; кремний 1,0-1,2; марганец 0,2-0,3; хром 18,0-20,0; никель 0,3-0,5; ниобий 0,3-0,5; цирконий 0,3-0,5; бор 0,9-1,1; теллур 0,002-0,003; железо - остальное. Недостатками известного сплава являются недостаточно высокая износостойкость, обусловленная используемой технологией его получения и относительно высокая стоимость, обусловленная использованием дорогостоящих компонентов, а также недостаточно высокие механические характеристики сплава - предел прочности на растяжение (временного сопротивления), предел прочности на изгиб и ударная вязкость рабочего слоя, не позволяющие достигать обусловленные этим увеличение производительности и эксплуатационной надежности валков чистовой группы станов горячей прокатки.
Наиболее близким к заявляемому по перечню содержащихся в его составе химических элементов и их содержанию в сплаве является известный из описания к RU 2306354 [4] чугун, который может быть использован для изготовления требующих большой износостойкости деталей песковых насосов, струйных и шаровых мельниц. Чугун содержит, мас. %: углерод 3,0-3,8; кремний 0,8-1,2; марганец 1,5-2,5; хром 15,0-20,0; никель 1,0-2,0; ниобий 2,0-3,0; цирконий 0,05-0,1; бор 0,1-0,2; теллур 0,005-0,01; железо - остальное.
Недостатками известного сплава, которые обусловлены не только его составом, но и способом получения, являются недостаточно высокие механические характеристики сплава - предел прочности на растяжение (временного сопротивления), предел прочности на изгиб и ударная вязкость рабочего слоя, не позволяющие достигать обусловленные этим увеличение производительности и эксплуатационной надежности валков чистовой группы станов горячей прокатки. Кроме того сплав имеет относительно высокую стоимость, обусловленную использованием дорогостоящих компонентов.
Известен способ производства графитизированного передельного чугуна литейного класса, который включает ввод в жидкий чугун ферросилиция перед и в процессе разливки в чушки, при этом удельный расход ферросилиция на тонну чугуна устанавливают в зависимости от содержания кремния и марганца в чугуне. Причем 55-65% от общего расхода ферросилиция вводят в чугун перед началом разливки, а оставшуюся часть - после разливки 40-50% чугуна, заканчивая за 10-15 минут до окончания разливки (RU 2093586 [5]). Недостатками известного сплава являются недостаточно высокие механические свойства, обусловленные как используемой технологией его получения так и количеством некоторых введенных в состав компонентов.
Известен способ получения и обработки легированного литейного материала для рабочей части валков, содержащего элементы углерод, кремний, марганец, хром, никель, молибден, ванадий, при необходимости другие элементы V группы Периодической системы, алюминий, остальное железо (RU 2221071 [6]). Способ характеризуются тем, что получают расплав со следующим химическим составом, мас. %:
Углерод
2,0-3,5
Кремний
1,0-2,0
Марганец
0,5-2,0
Хром
1,0-3,0
Никель
3,5-4,9
Молибден
0,2-2,9
Железо и примеси
остальное.
Добавляют более 0,5 мас. % ванадия в количестве до 5,9 мас. %, растворяют в нем и регулируют состав расплава путем легирования за счет установления концентраций углерода и кремния в присутствии никеля и сумму активностей карбидообразующих элементов с возможностью образования при его затвердевании микроструктуры после чего расплав заливают в форму, преимущественно в кокиль для центробежного литья, и дают затвердеть с образованием отливки рабочего тела валка.
Недостатками известного способа являются недостаточно высокие механические свойства, обусловленные как используемой технологией его получения, так и количеством некоторых введенных в состав компонентов. Кроме того, использование известного способа для получения предлагаемого состава сплава не обеспечит достижение желаемых эксплуатационных характеристик сплава.
Наиболее близким к заявляемому по совокупности составляющих его операций и последовательности их выполнения является известный из RU 2109837 [7] способ получения сплава на основе системы железо-углерод, обладающим повышенной твердостью и износостойкостью и применяемым для изготовления деталей, работающих в условиях повышенных ударных нагрузок и абразивного износа, например помольных шаров.
Способ включает выплавку в плавильном агрегате базового расплава, содержащего железо, углерод, кремний, марганец, хром, внепечную обработку, включающую сфероидизирующее модифицирование в ковше магнийсодержащим материалов и заливку литейные формы. При этом в расплав дополнительно вводят алюминий, молибден и титан, модифицирование в ковше производят при расходе магния 0,007-0,2 мас. % и температуре модифицирования 1380-1480°С и дополнительно проводят микролегирование расплава в ковше или на желобе редкоземельными элементами (РЗМ) при их расходе 0,02-0,3 мас. % для стабилизации и измельчения эвтектического зерна, а после извлечения отливки проводят ее термическое упрочнение. Недостатками известного способа являются недостаточно высокие механические свойства, обусловленные как используемой технологией его получения так и количеством некоторых введенных в состав компонентов. Кроме того, использование известного способа для получения предлагаемого состава сплава не обеспечит достижение желаемых эксплуатационных характеристик сплава.
Заявляемая группа изобретений направлена на повышение предела прочности на растяжение (временного сопротивления), предела прочности на изгиб и ударной вязкости чугуна, используемого для изготовления рабочего слоя валков.
Для заявленного чугуна указанный результат достигается тем, что он содержит перечисленные ниже химические элементы при следующем соотношении компонентов (масс. %):
Углерод
2,8-3,6
Кремний
0,8-1,5
Марганец
0,6-1,5
Хром
0,8-2,0
Никель
3,5-5,0
Ниобий
0,1-2,0
Теллур
0,0002-0,001
Бор
0,02-0,08
Железо и неизбежные примеси
остальное.
Для заявленного способа получения чугуна указанный результат достигается тем, что способ предусматривает выплавку в плавильном агрегате базового расплава, содержащего железо, углерод, кремний, марганец, хром и внепечную обработку, включающую сфероидизирующее модифицирование в ковше и литье в литейные формы. Для этого базовый расплав получают со следующим содержанием компонентов (масс. %):
Углерод
2,8-3,6
Кремний
0,8-1,5
Марганец
0,6-1,5
Хром
0,8-2,0
Никель
3,5-5,0
Ниобий
0,1-2,0
Железо и неизбежные примеси
остальное
При этом подбирают состав шихты так, чтобы обеспечивать температуру солидус сплава 1120-1128°С, нагревают шихту до температуры 1480-1500°С, выдерживают при ней в течение 30 минут и осуществляют выпуск в ковш, осуществляя модифицирование ферробором на желобе при выпуске из печи из расчета получения в готовом сплаве 0,02-0,08%., модифицирование в ковше теллуром в количестве 2-10 г/т расплава и при заливке в форму модифицирование ферросилицием ФС65 фракции 0,5-2,0 мм в количестве 1,0-3,0 кг/т заливаемого расплава.
Отличительной особенностью заявляемого сплава для рабочего слоя двухслойного прокатного валка является приведенное в формуле изобретения соотношение компонентов. Повышение механических свойств чугуна достигается за счет комплексного влияния компонентов, входящих в его состав. Кремний и марганец вводятся как легирующие добавки. Причем при содержании кремния менее 0,80 мас. % и марганца менее 0,60 мас. % их упрочняющие свойства незначительны по сравнению с другими легирующими элементами, а при их содержании более 1,5 мас. % снижается вязкость сплава. Применение хрома в качестве легирующего элемента повышает прочность, твердость, износостойкость, жаростойкость и коррозионную стойкость чугуна, сохраняет прочность матрицы при циклических нагревах-охлаждениях. Эти свойства наилучшим образом проявляются при содержании хрома в металле в количестве 0,8-2,0 мас. %. Дальнейшее увеличение содержания хрома приводит к снижению теплостойкости и пластичности. Указанное содержания никеля в составе предложенного чугуна позволяет получать его металлическую основу мартенситной, в результате чего повышается прочность, твердость и износостойкость чугуна.
Добавка в состав предложенного чугуна никеля менее 3,5% не обеспечивает достижения достаточной концентрации никеля в аустените, что способствует частичному распаду аустенита при охлаждении в троостит, в результате чего снижается прочность, твердость и требуемые механические свойства чугуна. Увеличение содержания никеля свыше 5% способствует повышению доли остаточного аустенита в металлической основе чугуна, что приводит к снижению трещиноустойчивости, твердости и износостойкости чугуна.
Введение ниобия в состав чугуна по изобретению способствует измельчению зерна металлической основы и образованию мелкодисперсных тугоплавких карбидов типа МС, обладающих высокой твердостью. Легирование ниобием способствует повышению износостойкости, жаростойкости, коррозионной стойкости чугуна и улучшает механические свойства чугуна. Содержание ниобия менее 0,1% не обеспечивает эффективного измельчения зерна металлической основы и образования необходимого количества тугоплавких карбидов ниобия. Увеличение количества ниобия свыше 2,0% не способствует существенному повышению износостойкости, жаростойкости и коррозионной стойкости чугуна, при этом повышается себестоимость изготовления изделий.
Введение в состав предложенного чугуна бора позволяет обеспечить образование центров зарождения шаровидного графита, способствует формированию мелкодисперсных карбидов. Введение бора менее 0,02% не обеспечивает образования центров зарождения шаровидного графита и формирования мелкодисперсных карбидов, что снижает механические свойства чугуна; повышение содержания бора свыше 0,08% увеличивает количество крупных эвтектических карбидов, что также снижает механические свойства чугуна.
Введение теллура в состав сплава позволяет обеспечить создание адсорбционного слоя вокруг центров зарождения графита, который, в свою очередь, обеспечивает формирование мелкодисперсных включений графита шаровидной формы. При этом при содержании теллура менее 0,0002% не обеспечивается условие модифицирования и включения графита образуются неправильной формы, а превышение содержания в 0,001% приводит к проявлению сильного карбидообразующего влияния теллура и формированию крупных эвтектических карбидов, снижающих механические свойства чугуна.
Для определения оптимального соотношения компонентов, обеспечивающих достижение заявленного результата, были проведены соответствующие эксперименты по выплавке чугунов с вариациями по химическому составу. Из полученных сплавов изготавливались рабочие слои валков и исследовались их механические свойства и эксплуатационные характеристики. С целью изучения влияния химического состава на структуру и твердость рабочего слоя центробежнолитых индефинитных валков была выполнена нейросетевая обработка полученной базы данных. В результате обработки получена нейромодель, прогнозирующая свойства с относительной погрешностью до 10%. Влияние каждого элемента исследовано при постоянных концентрациях остальных элементов. В конечном итоге по результатам обработки подобран оптимальный состав чугуна.
Предложенный состав чугуна обеспечивает в литом состоянии получение мелкозернистой структуры металлической основы и карбидной фазы при небольшом количестве остаточного аустенита и оптимального количества шаровидного графита, которое достигается за счет того, что сплав получают предлагаемым способом. В результате повышается предел прочности на растяжение, предел прочности на изгиб и ударная вязкость чугуна в условиях ударно-абразивного изнашивания и сохраняются высокие показатели литейных свойств.
Отличительными признаками предлагаемого способа являются:
- получение базового расплава с содержанием компонентов, перечисленных в пункте 2 формулы изобретения;
- подбор состава шихты обеспечивающего температуру солидус сплава 1120-1128°С;
- шихту нагревают до температуры 1480-1500°С, выдерживают при ней в течение 30 минут;
- производят выпуск в ковш, осуществляя модифицирование ферробором на желобе при выпуске из печи из расчета получения бора в готовом сплаве 0,02-0,08%;
- проводят модифицирование в ковше теллуром в количестве 2-10 г/т расплава;
- проводят модифицирование ферросилицием ФС65 фракции 0,5-2,0 мм в количестве 1,0-3,0 кг/т заливаемого расплава при заливке в формы.
Получение базового расплава с содержанием компонентов, перечисленных в пункте 2 формулы изобретения, позволяет при последующей внепечной обработке, предусмотренной предлагаемым способом, обеспечить получение чугуна с шаровидным графитом для изготовления рабочего слоя центробежнолитого двухслойного прокатного валка, обладающего повышенными механическими свойствами - пределом прочности на растяжение, пределом прочности на изгиб и ударной вязкостью чугуна
Подбор состава шихты, обеспечивающий температуру солидус сплава 1120-1128°С, так же влияет на повышение перечисленных механических свойств получаемого чугуна. Температура солидус чугуна в указанных пределах является необходимым условием для получения шаровидного графита.
С целью получения шаровидного графита в чугуне по предлагаемому способу необходимо обеспечить условие для зарождения в расплаве вторичного графита, впоследствии подвергаемого модифицированию. Этим условием является температура солидус сплава 1120-1128°С.Указанный температурный интервал выбран эмпирическим путем.
Нагрев расплава до температуры 1480-1500°С и выдержка при ней в течение 30 минут необходимы для того, чтобы обеспечить равномерное распределение всех входящих в состав сплава компонентов по объему, поскольку локальная неоднородность элементов в расплаве может привести к неоднородному распределению структурных составляющих в готовой отливке, а значит и механических свойств чугуна, а это, в свою очередь, может отрицательно сказаться на эксплуатационных характеристиках валков.
Осуществление модифицирования ферробором на желобе при выпуске из печи так же влияет на формирование шаровидного графита и карбидов получаемого чугуна. Бор в индефинитном чугуне образует различные соединения, одни из которых являются центрами зарождения графита шаровидной формы, другие способствуют формированию мелкодисперсных карбидов. Важно произвести обработку ферробором при выпуске из печи, до следующей стадии модифицирования, чтобы в чугуне образовалось необходимое количество центров графитизации и центров формирования карбидов.
При этом ферробор вводят из расчета получения бора в готовом сплаве 0,02-0,08%. Введение бора менее 0,02% не обеспечивает образования центров зарождения шаровидного графита и формирования мелкодисперсных карбидов, что снижает механические свойства чугуна; повышение содержания бора свыше 0,08% увеличивает количество крупных эвтектических карбидов, что также снижает механические свойства чугуна.
Модифицирование в ковше теллуром в количестве 2-10 г/т расплава необходимо для того, чтобы теллур, как поверхностно-активный элемент, создавал адсорбционный слой вокруг центров зарождения графита, обеспечивающий формирование мелкодисперсных включений графита шаровидной формы. При содержании теллура менее 0,0002% не обеспечивается условие модифицирования и включения графита образуются неправильной формы, а превышение содержания в 0,001% приводит к проявлению сильного карбидообразующего влияния теллура и формированию крупных эвтектических карбидов, снижающих механические свойства чугуна. Модифицирование теллуром необходимо осуществлять только после формирования необходимого количества центров зарождения шаровидного графита (после обработки ферробором).
Модифицирование рабочего слоя ферросилицием ФС65 фракции 0,5-2,0 мм в количестве 1,0-3,0 кг/т заливаемого расплава необходимо для дополнительной графитизации и обеспечения количества графита в рабочем слое валков 2-3%. Наиболее целесообразно использовать ФС65, т.к. при применении ФС75 происходит флотация кремния из-за меньшей плотности модификатора. Выбранная фракция ферросилиция наиболее подходит для модифицирования на струю при заливке в форму.
Сущность заявляемых чугуна и способа его получения поясняется примерами реализации.
В самом общем случае предлагаемый способ получения чугуна реализуется следующим образом. В плавильный агрегат, в качестве которого может быть использована индукционная тигельная печь средней частоты, загружается шихта, содержащая лом стали, лом чугуна, возврат собственного производства, никель, феррохром, ферросилиций, ферромарганец, феррониобий, науглероживатель. Компоненты шихты загружаются в таком количестве, чтобы обеспечить содержание в получаемом базовом расплаве содержание углерода 2,8-3,6%, кремния 0,8-1,5%, марганца 0,6-1,5%, хрома 0,8-2,0%, никеля 3,5-5,0%, ниобия 0,1-2,0%. Лом стали в шихту вводится в количестве 68-80% для обеспечения температуры солидус сплава 1120-1128°. Контроль температуры солидус производится прибором термографического анализа Quik-Lab Е. Шихту расплавляют и выдерживают при температуре 1480-1500°С в течение 30 минут. При выпуске расплава из печи в ковш производится модифицирование ферробором на желобе из расчета получения бора в готовом сплаве в количестве 0,02-0,08%. В ковше осуществляется модифицирование теллуром в количестве 2-10 г/т расплава путем погружения навески в расплав с помощью штанги. При заливке расплава производится модифицирование ферросилицием марки ФС65 фракции 0,5-2,0 мм в количестве 1,0-3,0 кг/т заливаемого расплава. При непосредственном использовании расплава для изготовления рабочего слоя двухслойного прокатного валка, литье осуществляется центробежным способом. Из полученного чугуна предлагаемого состава, полученного предлагаемым способом изготавливались образцы для исследования его механических свойств. Определение предела прочности на растяжение (временного сопротивления) осуществлялось в соответствии с ГОСТ 1497 -84 «Металлы. Методы испытаний на растяжение». Для экспериментов изготавливались образцы цилиндрической формы размером - тип 3 №6 по ГОСТ 1497-84 из темплетов, отобранных из тела валка. Испытания проводились с помощью разрывной испытательной машины марки МУП-50. Определение предела прочности на изгиб осуществлялось в соответствии с ГОСТ 14019-2003 «Металлы. Методы испытаний на изгиб» и ГОСТ 27208-87 «Отливки из чугуна. Методы механических испытаний». Для экспериментов изготавливались образцы прямоугольной формы размером 10×10×61 мм из темплетов, отобранных из тела валка. Испытания проводились с помощью универсальной испытательной машины марки МУП-50.
Определение ударной вязкости осуществлялось в соответствии с ГОСТ 9454-70 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах». Для экспериментов изготавливались образцы прямоугольной формы размером 10×10×61 мм. из темплетов, отобранных из тела валка. Испытания проводились на маятниковом копре МК-30А. Проведены исследования на 81 образце различного химического состава. Результаты сравнительных испытаний для некоторых образцов известных чугунов и предлагаемого состава, полученного предложенным способом приведены в таблице. Из таблицы видно, что чугун предлагаемого состава, полученный предложенным способом имеет более высокий предел прочности на растяжение, предел прочности на изгиб и ударную вязкость с сохранением высокие показатели литейных свойств чугуна.