ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ХЛАДОСТОЙКИЙ ЧУГУН
HIGH-STRENGTH COLD-RESISTANT CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке составов высокопрочного хладостойкого чугуна с шаровидным графитом.
Известен высокопрочный хладостойкий чугун [1], при производстве которого делается графитизирующее модифицирование в 2 этапа. Недостатком данного чугуна является резкое падение ударной вязкости при низких температурах (начиная -40°C и ниже) более чем в 2 раза.
Наиболее близким к предлагаемому чугуну является чугун [2]. Химический состав указан в табл. 1.
Благодаря совместному вводу Mg, La, Са, Al и Zr чугун имеет высокие пластические свойства, ферритную металлическую матрицу и стабильность при получении шаровидного графита при минимальном расходе сфероидизирующего модификатора, но имеет недостаточную хладостойкость, т.е. ударную вязкость при отрицательных температурах.
Техническим результатом данного изобретения является повышение ударной вязкости высокопрочного чугуна при отрицательных температурах.
Технический результат достигается тем, что высокопрочный хладостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, магний, лантан, кальций, алюминий, цирконий, серу, фосфор, железо, дополнительно содержит бор, при следующем содержании компонентов, мас. %:
Углерод
3,85-4,05
Кремний
2,2-2,7
Марганец
до 0,06
Хром
до 0,05
Магний
0,03-0,06
Лантан
0,001-0,01
Кальций
0,002-0,007
Алюминий
0,003-0,01
Цирконий
0,01-0,1
Бор
0,005-0,007
Сера
до 0,022
Фосфор
до 0,03
Железо
остальное
Аналогов, содержащих отличительные признаки предлагаемого технического решения, не обнаружено. На ОАО «ГАЗ», в условиях литейной лаборатории, были проведены опытные сравнительные плавки с известным и предложенным чугунами. Чугун выплавлялся в индукционной печи ИСТ-016 с кислой футеровкой. В качестве шихты использовали чушковые передельные чугуны, возврат высокопрочного чугуна, отходы стали и ферросплавы. Лантан, кальций и алюминий вводили в виде модификатора "Lamet", а цирконий и бор вводили в виде ферросплавов. Металл перегревали в печи до 1500°C и заливали чугун в четыре песчаноглинистые формы с реакционными камерами и литыми заготовками для вырезки образцов на механические испытания. Во всех четырех формах количество добавок было одинаковым, кроме бора. В реакционные камеры форм вводили 0,6% "Lamet" + борную кислоту (0,06-0,08%). Цирконий вводили в виде 0,4% ферроциркония марки ФС60Цр5 в ковш. Количество бора варьировалось от 0,003% до 0,1% (табл. 1, варианты 1-4).
Как показали испытания образцов на ударную вязкость (табл. 2), оптимальным содержанием бора в этом чугуне является 0,005-0,007%) (табл. 2, варианты 2-3), оказывающее наибольшее влияние на ударную вязкость.
Изменения в химический состав выплавляемого чугуна введены с целью стабильного получения максимальной ферритизации структуры чугуна в отливках и обеспечения необходимых свойств чугуна.
С понижением содержания углерода возрастает количество перлита, сохраняющегося после отжига. При этом вероятно также наличие структурного свободного цементита и графита нешаровидной формы. Поэтому необходимо иметь повышенное содержание углерода (3,85-4,05%), чтобы обеспечить более высокие литейные свойства и в то же время не снизить механические свойства.
С точки зрения пластичности, наилучшим является содержание кремния в чугуне в пределах 2,2-2,7%. Во избежание отрицательного влияния на ударную вязкость и с целью снижения порога хладноломкости его содержание не должно превышать 2,7%.
Марганец оказывает влияние, противоположное влиянию кремния, уменьшая количество феррита и увеличивая количество перлита, поэтому, с целью снижения порога хладноломкости, его содержание не должно превышать 0,06%.
Хром является еще более сильным карбидостабилизатором, чем марганец, поэтому его содержание ограничено еще больше, до 0,05%.
Увеличение содержания фосфора до 0,025-0,030% вызывает снижение пластических свойств, прочность при растяжении понижается, а твердость возрастает. Для получения высокой ударной вязкости верхний предел содержания фосфора должен быть ограничен 0,03%.
Содержание серы ограничено до 0,02-0,022%. При большем содержании серы стабльного получения шаровидного графита не получается.
Содержание магния рекомендуется в пределах 0,03-0,06%. Если остаточное содержание магния менее 0,03%, то результаты модифицирования нестабильны. Увеличение содержания магния более 0,06% нецелесообразно, так как это не повышает свойства чугуна.
Предлагаемое количество лантана, кальция и алюминия (чугуны 1-4 табл. 1) обеспечивает максимальный эффект повышения температуры расплава за счет их взаимодействия с серой и кислородом чугуна, что улучшает растворимость модификатора. Очищает границы зерен, дает максимальный графитизирующий эффект и минимальную усадку.
При повышении суммарного содержания лантана, кальция, алюминия модификатор плохо усваивается, графита выделяется меньше, увеличивается количество неметаллических включений, увеличивается усадка.
Снижение содержания этих элементов не обеспечивает модификатору хорошей десульфурирующей способности, что также не позволяет получить при обработке высокопрочного чугуна графит полностью сфероидальной формы.
При содержании углерода и кремния в указанных пределах усадка сплава наименьшая.
При меньшем содержании углерода и кремния жидкотекучесть чугуна уменьшается и усадка увеличивается.
При большом содержании углерода и кремния происходит флотация графита и образование плен и усадка чугуна увеличивается.
В известном чугуне без добавок La, Са, Al усадка резко возрастает.
Дополнительное модифицирование циркониевой лигатурой ФС60Цр5 в количестве 0,2-0,6% уменьшает количество вермикулярного графита до нуля и улучшает форму графита от компактного до шаровидного. Количество феррита увеличивается до 95-100%, а твердость уменьшается со 187 до 140 НВ.
Дополнительно в состав чугуна введен бор в количестве 0,005-0,007%. Совместно с комплексным модификатором бор оказывает влияние на процесс кристаллизации высокопрочного чугуна, приводящий к значительному измельчению зерен и повышению устойчивости аустенита к распаду при переохлаждении. Также бор обладает высокой химической активностью по отношению к кислороду и азоту. Более высокое содержание бора (≥0,01%) приводит к карбидостабилизирующему эффекту и резкому снижению пластических характеристик, а небольшое содержание бора (≤0,002%) не оказывает на сплав никакого влияния (табл. 2).
Источники информации
1. Яковлев М.И., Пестов Е.С., Андреев А.Д. «Хладостойкий чугун с шаровидным графитом». Литейное производство №3, 2001.
2. Зиновьев Ю.А. и др. «Высокопрочный чугун» патент №2413026, С22С 37/04, бюллетень №6, 2011.