ЧУГУН
IRON

Заявляемое техническое решение относится к металлургии, к сплавам, в частности к разработке состава серого легированного чугуна для отливок типа «Блок цилиндров» грузовых автомобилей повышенной грузоподъемности.
Известен чугун с пластинчатым графитом для отливок (ГОСТ 1412-85), СЧ 25, следующего химического состава, мас. %:
углерод
3,2-3,4
кремний
1,4-2,2
марганец
0,7-1,0
сера
до 0,015
фосфор
до 0,2
железо
остальное.
Известный чугун имеет средний равномерно распределенный графит и перлитную металлическую основу с небольшим количеством свободных карбидов. Если в исходной структуре перлитного чугуна имеется хотя бы небольшое количество феррита, такая структура нестабильна и при нагреве количество феррита быстро увеличивается, что приводит к снижению износостойкости чугуна.
Наиболее близким к заявляемому является чугун (RU 2365660, С22С 37/08) химического состава, масс. %:
углерод
3,15-3,3
кремний
1,2-1,7
марганец
0,7-1,0
хром
0,4-0,6
никель
0,02-0,2
медь
0,6-0,9
титан
0,03-0,08
цирконий
0,03-0,08
стронций
0,03-0,1
железо
остальное
Указанный чугун имеет низкую жидкотекучесть, недостаточную прочность и износостойкость, что не позволяет изготавливать отливки типа «Блок цилиндров» со стенками от 3 мм.
Заявляемое техническое решение направлено на повышение жидкотекучести чугуна, на повышение прочности и износостойкости чугуна при сохранении удовлетворительной обрабатываемости резанием.
Для решения поставленной задачи предлагается чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, титан, кальций, алюминий, сурьму, серу, фосфор и железо при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод
2,14-2,4
кремний
1,9-2,4
марганец
0,2-0,5
хром
0,01-0,06
никель
0,02-0,2
медь
0,02-0,6
титан
0,02-0,05
кальций
0,01-0,05
алюминий
0,01-0,05
сурьма
0,01-0,1
фосфор
0,06-0,1
сера
до 0,012
железо
остальное.
Содержание углерода в чугуне в наибольшей степени способствует графитизации, повышает пластичность, улучшает литейные свойства. Пределы содержания в чугуне углерода от 2,14 до 2,4 мас. % определены для получения в структуре чугуна большого количества включений графита и уменьшения склонности к усадочным явлениям. Если углерода будет менее 2,14 мас. %, то размер графитовых включений ПГд будет менее 15 мкм. Если углерода будет более 2,4 мас. %, то размер графитовых включений ПГд будет более 150 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.
Содержание кремния в чугуне способствует графитизации чугуна, укрупняет графитовые включения, повышает механические свойства, улучшает литейные свойства. Содержание в чугуне кремния в количестве 1,9 - 2,4 мас. % выбрано по тем же соображениям, что и содержание углерода, а также исходя из получения феррито-перлитной структуры с дисперсностью перлита Пд 0,1-0,3 мкм. При содержании кремния менее 1,9 мас. % в структуре чугуна получаются свободные карбиды железа (цементит), при этом в тонких сечениях образуется «отбел». При содержании кремния более 2, 4 мас. % размер графитовых включений ПГд будет более 150 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.
Содержание в чугуне марганца нейтрализует вредное влияние серы. Марганец переходит в чугун из шихтовых материалов, как постоянный компонент чушковых чугунов. Указанные пределы марганца от 0,2 до 0,5 мас. % определены, как условие получения отливок с низким содержанием серы и с высокими механическими свойствами в литом состоянии как в тонкостенных (при нижнем содержании марганца), так и в толстостенных (при верхнем значении марганца) отливках. При содержании марганца менее 0,2 мас. % размер графитовых включений ПГд будет более 150 мкм, что приведет к резкому снижению твердости, при содержании марганца более 0,5 мас. % размер графитовых включений ПГд будет менее 150 мкм, что приведет к резкому увеличению твердости и ухудшению морфологии графита.
Содержание хрома в количестве 0,01-0,06 мас. % способствует образованию перлита и выбрано для получения необходимой твердости и удовлетворительной обрабатываемости резанием. Хром переходит из шихтовых материалов, как постоянный компонент чушковых чугунов стальных отходов. При содержании хрома менее 0,01 мас. % уменьшается твердость и прочность чугуна, при содержании хрома свыше 0,06 мас. % увеличивается твердость и ухудшается обрабатываемость резанием за счет образования большого количества карбидов хрома.
Медь и никель входят в состав чугуна, как легирующие элементы, присутствующие в шихтовых материалах. Они упрочняют металлическую основу за счет образования перлита. Медь и никель благоприятно влияют на выравнивание механических свойств в отливках со стенками различной толщины, повышают твердость, коррозионную стойкость и обрабатываемость резанием. При содержании меди менее 0,02 мас. % и содержании никеля менее 0,02 мас. % в структуре чугуна образуется феррит, снижающий износостойкость чугуна. Содержание меди свыше 0,6 мас. % и содержание никеля свыше 0,2 мас. % снижается предел прочности и ухудшается обрабатываемость резанием.
Алюминий, являясь графитизирующим элементом, увеличивает количество феррита в структуре чугуна. Обладая большим сродством к кислороду, рафинирует сплав, вызывая повышение пластичности и сопротивление разрушению металла. При содержании алюминия менее 0,01 мас. % влияние его на свойства чугуна незначительно, при содержании алюминия более 0,05 мас. % появляется образование ситовидной водородной пористости.
Титан в количестве 0,02-0,05 мас. % измельчает структуру, повышает прочность чугуна. При содержании менее 0,02 мас. % влияние его на свойства чугуна незначительно, при содержании его более 0,05 мас. % тормозится процесс графитизации углерода, появляется опасность неметаллических включений и снижения механических свойств чугуна.
Кальций в количестве 0,01-0,05 мас. % рафинирует чугун и увеличивает число центров кристаллизации, благодаря чему повышается трещиноустойчивость чугуна. При содержании менее 0,01 мас. % влияние его на свойства чугуна незначительно, при содержании его более 0,05 мас. % кальций очень плохо растворяется из-за большого сродства к кислороду и сере.
Сурьма является сильным стабилизатором перлита. Этот элемент упрочняет металлическую основу за счет образования мелкодисперсного перлита, повышающего прочность и износостойкость чугуна. При содержании сурьмы менее 0,01 мас. % в структуре чугуна образуется феррит, снижающий износостойкость. При содержании более 0,1 мас. % образуется крупнодисперсный перлит, что ведет к уменьшению твердости и прочности чугуна.
Фосфор в количестве 0,06-0,1 мас. % повышает углеродный эквивалент, улучшает жидкотекучесть чугуна в тонких сечениях отливок, характерных для конструкций деталей типа «Блок цилиндров»; позволяет увеличить количество мелких равномерно распределенных включений фосфидной эвтектики, способствует графитизации, препятствует образованию феррита. При содержании фосфора менее 0,06 мас. % уменьшается твердость, прочность и износостойкость чугуна, при содержании его более 0,1 мас. % увеличивается хладноломкость чугуна и происходит резкое снижение прочности при отрицательных температурах.
Сера в составе чугуна в количестве до 0,012 мас. % способствует графитизации. Содержание серы свыше 0,012 мас. %, не сбалансированной марганцем, является разрушительным для структуры и свойств чугуна, так как способствует образованию горячих трещин, снижению механических и литейных свойств.
Для определения эффективности чугуна заявляемого состава в сравнении с известными провели сравнительные исследования.
Чугуны выплавляли в 400 килограммовых индукционных печах переменного тока повышенной частоты. Механические свойства определяли на десятимиллиметровых образцах, изготовленных из вертикальных литых проб, прилитых к отливкам.
Результаты сравнительных исследований приведены в таблицах 1 и 2.
В таблице 1 представлены химические составы заявляемого и известных чугунов. Предлагаемые в качестве известных чугунов составы по содержанию элементов соответствуют серому чугуну, предложенному заявителем в качестве прототипа.
В таблице 2 приведены механические свойства и микроструктура исследуемых чугунов.
Как следует из проведенных испытаний в соответствии с содержанием элементов в заявляемом и известных составах, отраженных в таблицах 1 и 2, предлагаемый состав чугуна при стабильном количестве графитовых включений до 90-150 на 1 мм равномерно распределенной прямолинейной формы позволяет снизить дисперсность перлита, уменьшив размер графитовых включений с 90-120 мкм до 45-90 мкм.
Предлагаемый химический состав позволяет получить в структуре чугуна графит пластинчатой формы размером графитовых включений до 90 мкм с феррито-перлитной металлической матрицей с содержанием перлита 100%, без содержания цементита и карбидов.
Заявляемый чугун позволяет снизить склонности к образованию усадочных дефектов, получить качественные отливки без неметаллических включений, улучшить чистоту поверхности отливок после механической обработки за счет малого размера графитовых включений, обеспечивающих меньшее выкрашивание графита.
Заявляемый состав чугуна в сравнении с известными имеет следующие преимущества:
1. Чугун обладает высокой жидкотекучестью за счет наличия в составе фосфора в количестве 0,06-0,1%, что позволяет получать качественные отливки сложной конфигурации без неметаллических включений, например, отливки типа «Блок цилиндров» со стенками от 3 мм.
2. При сохранении удовлетворительной обрабатываемости резанием чугун обладает высокой прочностью и износостойкостью за счет наличия в составе сурьмы в количестве 0,01-0,1%, что способствует образованию мелкодисперсного перлита, тем самым, упрочняя металлическую основу. 3. Чугун заявленного состава за счет фосфора и сурьмы позволяет снизить брак отливок по усадочным дефектам и неметаллическим включениям при сохранении удовлетворительной обрабатываемости резанием, а также повышает эксплуатационные характеристики, в частности улучшает антифрикционные свойства пары «поршень-блок цилиндров».