Чугун

 

Использование при производстве изпожниц. кокилей Сущность изобретения для повышения теплопроводности, циклической вязкости, термостойкости и разгароустойчипопи чугун содержит. мас%. углерод 4.15 43. кремний 0.6 . 1.1 марганец 02 .. 0,65. хром 021 0.29. титан 0.03 . 0.4. азот 0.021 . 0.035; медь 0.07 019. ванадий 0,01 0.14; алюминий 0,005 . 0,009 остальное - железо. 1 табл.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам е (21) 5033555/02 (22) 2403.92 (46) 15.1 1.93 Бюп. hh 41-42 (71) Донецкий научно-исследовательский институт горной металлургии; Металлургический завод им.

АКСерова (72) Краузе ЛА; Лесовой В.В.; Федорко АА; Курганов ВА. Дворянинов ВА.. Кириллов В.С.; Сопяников

БГ„Касьян В.И. Чертовиков ВА; Чертовикова В.М.;

Амерханов С.З.; Поленов ВП; Левин В.M. (73) Металлургический завод им. АК.Серова (19) RU (и) 2002848 Cl (51) 5 С И С 3 710 (54) ЧУГУН (57) Использование: лри производстве изложниц, кокилей. Сущность изобретения для повь шения теллопроводности, циклической вязкости, термостойкости и разгароустойчияости чугун содержит, мас%: углерод 4.15 .. 4.3; кремний 06 . 1.1: марганец 02 . 0,65; хром 0,21 .. 0,29, титан 0.03 . 0,4; азот 0021 . 0035; медь 007 .. 0,19, ванадий 0,01 ..

0.14; алюминий 0005 ... 0,009, остальное — железо.

1 табтт

2002848

Изобретение относится к металлургии, в частности к изысканию серых чугунов для работы в условиях термоциклирования, и может быть использовано при производстве изложниц, кокилей.

Отечественный и зарубежный опыт производства изложниц и другого литья. работающего в условиях многоразовых термоциклических нагрузок (нагрев — охлаждение), свидетельствует о том, что основными свойствами чугуна, определяющими его долговечность, являются разгароустойчивость, термостойкость, теплопроводность и циклическая вязкость.

С ростом этих показателей растет количество наливов до образования в изложницах отбраковочных дефектов (1), Известно также, что наиболее благоприятной совокупностью указанных свойств обладает серый чугун с крупным изолированным графитом и перлитной тонкодисперсной металлической основой беэ включений свободного цементита.

Известен чугун (2) следующего химического состава, мас.%.

Углерод 3.0-3,6

Кремний 1,6-2.0

Марганец 0,8-1.2

Хром 1,3-1,7

Титан 0,1-0.4

Азот 0.02-0, 1

Медь 0,25 — 1.2

Ванадий 0,2-0,4

Железо Остальное

Этот чугун при достаточно высоких механических показателях (0иэ колеблется в пределах 670-780 МПа) характеризуется низкой термостойкостью, теплопроводностью и циклической вязкостью. В данном случае высокое содержание хрома (1,31,7)7; при высоком марганце(0,8 — 1,2) g способствует образованию даже в толстостенных отливках включений эвтектического цементита, увеличивает хрупкость металла и снижает его термостойкость.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату. является чугун следующего химического состава, мас. Д:

Углерод 2.6-3,8

Кремний 0,6-2,5

Марганец 0,33-1.5

Хром 0,09-1.0

Титан 0,02 — 0,40

Ванадий 0,03-0,30 . Алюминий 0,02-0,30

Медь 0;02-1.0

Азот 0,005-О,О4

Железо Остальное

Механические свойства известного чугуна в основном удовлетворяют требованиям, предъявляемым к серым чугунам.

Предел прочности на разрыв колеблется в пределах (125-150) МПа, твердость — (485—

525) НВ, Однако существенным недостатком этого чугуна при работе в условиях теплосмен является низкая теплопроводность, термостойкость и циклическая вязкость, т.е. те свойства, от которых в первую очередь зависит способность чугуна противостоять термическому удару. Объясняется это низким содержанием углерода, в результате чего в структуре преобладает мелкий . неравномерно распределенный пластинчатый графит. Известно, что теплопроводность, термостойкость и циклическая вязкость в первую очередь определяются состоянием графитной фазы и тем больше, чем больше в чугуне графита, крупнее его размеры, равномернее распределение, В свою очередь состояние графитной ф:зы в большой степени определяется содержанием углерода.

Поэтому для повышения теплопроводности, циклической вязкости, термостойкости, разгароустойчивости предлагается чугун со следующим соотношением компонентов, мас, j,:

Углерод 4,15 — 4,3

Кремний 0.6 — 1,1

Марганец 0,2 — 0,65

Хром 0,21 — 0,29

Титан 0,03-0,4

Азот 0,021-0,035

Медь 0,07 — О, l9

Ванадий 0,01-0,14

Алюминий 0,005-0,009

Сера до 0,05

Фосфор до 0,1

Железо Остальное

Такое соотношение компонентов в предлагаемом чугуне, применяемом, например, для производства изложниц, позволяет не менее чем в 1,5 раза повысить теплопроводность и циклическую вязкость. в 1,8 раза повысить термостойкость, на (20-25) повысить его ростоустойчивость и окалиностойкость. Известно, что углерод укрупняет графит. ликвидирует междендритные формы; причем в первом случае интенсивнее. чем кремний, а во втором кремний вообще не оказывает влияния на распределение графита. По мере увеличения размеров графитовых вклЮчений и степени их изолированности при повышении содержания углерода возрастает демпфирующая способность чугуна, его теплопроводность, термостойкость, сопротивление чугуна

2002848 термическому растрескиванию: причем по данным влияние графита в данном случае превосходит влияние легирования, т,к. указанные свойства в малой степени зависят от структуры матрицы, Чугун с высоким содержанием углерода и крупным графитом характеризуется низким напряжением не только вследствие малого модуля упругости, но и вследствие более высокой теплопроводности. т.е. с укрупнением графита повышается термостойкость чугуна. Именно этим руководствовались при установлении верхнего предела rio содержанию углерода. В то же время увеличение содержания в чугуне углерода более 4,3 мас. сопровождается резким понижением прочностных характеристик. Кроме того, в эвтектоидном интервале углерод при указанных концентрациях способствует ферритизации матрицы и уменьшению дисперсности перлита, что ухудшает разгароустойчивость чугуна и термическую стабильность его структуры.

Кремний. хотя и в меньшей степени, чем углерод. также способствует графитизации. несколько укрупняет графит, уменьшает опасность образования в металлической основе включений свободного цементита, распад которого увеличивает рост чугуна.

Кроме того. наличие цементита увеличивает хрупкость чугуна и опасность образования сквозных трещин на ранней стадии эксплуатации изложниц. Поэтому содержание кремния должно быть не меньше 0.6 мас. .

Увеличение содержания кремния более 1,1 мас. в заэвтектических чугунах. особенно при кристаллизации толстостенных отливок, какими являются изложницы, сопровождается образованием неоднородной ферритоперлитной металлической основы, ростом доли феррита, что снижает показатели разгароустойчивости и повышает склонность чугуна к приварам и остаточным деформациям (короблению). Марганец и хром. перлитизируя при эвтектоидном превращении металлическую основу, способствует образованию в чугуне однородной перлитной тонкодисперсной структуры, термическая стабильность которой при термоциклировании возрастает, особенно благодаря присутствию хрома. В результате этого повышаются не только показатели разгароустойчивости. термостойкости. теплопроводности и циклической вязкости. но и механические свойства. Зтим ограничен нижний предел по содержанию марганца и хрома, ниже которого их влияние не проявляется, Повышение содержания марганца и хрома более 0,65 и 0,29 мас, соответственменее 0,07 мас. она практически полно55 стью входит в твердый раствор и не стабилизирует структуру при многократных нагревах. Избыточное содержание меди (более 0,19 мас. ) сопровождается небла гоприятным понижением прочностных flA3стических свойств. разгароустойчивости и. 10

ЗО

50 но оказывает отрицательное влияние на теплопроводность, термостойкость и циклическую вязкость. Дело в том, что оба элемента. повышают при эвтектической кристаллизации растворимость углерода в аустените, увеличивают количество связанного углерода и не олько уменьшают количество графита и измельчают его, но также ухудшают характер его распределения вплоть до междендритного. Зто, в первую очередь ухудшает показатели теплопроводности, циклической вязкости и термостойкости. Кроме того, при высоком суммарном содержании марганца и хрома (более 0,94 мас. ) в структуре даже толстостенных отливок наблюдается значительное количество свободного цементита, отрицательно влияющего на весь комплекс требуемых свойств.

На примере характера взаимного воздействия на структуру и свойства серого чугуна графитизирующих (углерод, кремний) и карбидизирующих (марганец, хром) добавок видно. что для обеспечения требуемого качества металла при работе в условиях теплосмен целесообразно увеличивать термодинамическую активность углерода при эвтектической кристаллизации и оказывать умеренное стабилизирующее действие при эвтектоидной кристаллизации. Именно такое двойственное влияние оказывает медь при содержании ее в чугуне в пределах

0,07-0,19 мас.%. В результате этого медь в рекомендованных пределах увеличивает количество графита, укрупняет его, перлитизирует металлическую основу и стабилизирует цементит перлита. Положительным моментом является то, что стабилизирующее действие меди не сопровождается, в отличие от марганца и хрома, образованием избыточного цементита. В то же время известно, что эффективность воздействия меди повышается при сочетании с элементами, препятствующими графитиэации (хром, марганец). что предусмотрено в предлагаемом чугуне. Описанный выше характер влияния меди на структурообразование согласуется с характером влияния аго на свойства чугуна — медь в рекомендованных пределах улучшает весь комплекс свойств, определяющих долговечность отливок, работающих в условиях термических нагрузок. При содержании меди

2002848 термостойкости, что вызывается сегрега- фидов и фосфидной эвтектики повышается цией свободной меди по границам зерен. также хрупкость металла и опасность обраАзот в. количестве 0,021 — 0,035 мас.$ эования трещин на ранней стадии эксплуавводится в чугун как эффективный микроле- тации изложниц, . гирующий и модифицирующий элемент, 5 Чугун оптимального состава содержит, связывающий алюминий, титан, ванадий в мас.g: углерод 4.2: кремний 0,85; марганец термостойкие тугоплавкие соединения — 0.4: хром 0,25: титан 0,2; азот 0 028: медь нитриды и карбонитриды, которые являют- 0,13: ванадий 0,075; алюминий 0,007; сера ся дополнительными центрами графитиза- до 0.05: фосфор до 0,1. ции с одной стороны. а с другой стороны, 10 Чугун предлагаемого состава может измельчают эвтектическое зерно и диспер- быть получен путем выплавки в доменной сность перлита. Азот в рекомендованных. печи и последующей внепечной обработки пределах устраняет выделения графита . его в разливочных ковшах феррохромом и междендритной орИентаиии. Азот в сочета- .. карбамидом.в.количестве, обеспечивающем нии с ванадием и фосфором обеспечивает 15 требуемое соотношение компонентов. получениелегированнойванадиемйаэотом П.р .и м е р. Доменный передельный фосфиднойэвтектики(фосфидная эвтектика чугун при выпуске иэ доменной печи содерснитридамиванадия).Этотфосфидмедлен-: . жит, мас.Q: углерод 4.15-4,3; кремний0,6нее распадается при термоциклировании и 1.1: марганец 0,2-0.65; хром 0.02-0.03; упрочняет металл. Растворенный в сплаве 20 титан 0;03-0,4; азот 0.007-0.01: медь 0,07-.. избыточный азот повышает стабйльнрсть .. 0.1S: ванадий0.01-0,14; алюминий-0,005перлитаиупрочняетего,Вреэультатеэтого ...0;009: сера до 0,05; фосфор до 0.1, Чугун азот в рекомендованных пределах повыше- переливают из чугуновоэного ковша в раэет теплопроводность. циклическую. вяз- ливочный. на дно которого предварительно кость, окалино- и ростоустойчивость, . 25., загружают высокоуглеродистый феррохром прочностнйе и пластические характеристи- . ©X800A. Фракция ферросплава до 30 мм; ки, При концентрации азота менее.0.021: расходО;3-.0,5Mac.g.Послеэтогопроводят мас,g его влйяние на структуру и свойства . обработку чугуна порошковой проволокой, чугуна не проявляются. а при концентрации содержащей в качестве наполнителя тонкоаэота более 0,035 мас;7. образуются круп--. 30 дисперсный азотсодержащий реагент - кар: ные скопления нитридов (".нитридная бамид, в результате чего содержание. азота муть"), увеличивается опасность возникно.-.. s чугуне увеличивается в 2-3 раза. Расход вения газовой (азотистой) пористоети и,: карбамида.составляет0,1-0.2 мас; к массе ухудшаются раэгароусгойчивость и, термо- жидкого чугуна. Фракция до 2 мм. стойкость..::35: Сравнительные испытания эксплуата

Содержание алюминия выбрано. таким: ционных свойств чугуна предлагаемого и изобрвзом. чтобы он полностью расходовался вестного составов проведены на образцах, на образование нитридов алюминия. кото- .. вйреаанных из специально отлитых s песчарые обладают. максимальной графитизиру- .но-.глинистые формы массивных проб разющей способностью. при кристаллизации. 40 мером 120 ° 150 250 мм. Чугун плавят в. увеличиваютдолю первичного и эвтектиче- индукционной печи ИСТ060. В качестве скОго графита и укрупняют его размеры.. шихты используют доменный передельный

При содержании алюминия до 0;005 мас.$, чугун. высокоуглеродистый феррохром

его влияние на структуру и-свойства чугуна . ФХ800 А. медь М4; ферроаанадий Ф8д35С. не проявляются, а при концентрации алю- .45 Полученный сплав обрабатывают расчетминия более 0,009 мас.$ усиливается насы- ..: ным количеством карбамида. который подщение металла водородом и появляется . ают на дно ковша в виде порошковой опасность возникновения газовой пористо- — проволоки перед наполнением его металсти. лом. Температура модифицирования соГраничные концентрации вредных при- 50 ставляет.1380 С. месей(сера и фосфор) в предлагаемом чугу- Химический состав опытного чугуна не обусловлены необходимостью приведен в таблице. обеспечения чистоты границ зерен. Повн- Прочность, теплопроводность. цикличешение концентрации серы выше 0,05 мас.$ скую вязкость исследуют по стандартным и фосфора выше 0.1 мас.$ способствует 55 методикам. Окалиностойкость и ростоувеличению количества сульфидов и вклю- устойчивость испытывают в условиях, причений фосфидной эвтектики, располагаю- ближенных к реальным условиям работы щихся по границам зерен, что повышает изложниц. Наоснованииэтоговыбранедиокисляемость чугуна и снижает его жаро- HblA режим термоциклирования; нагрев до стойкость. Приувеличенииколичествасуль- 850 С, выдержка при этой температуре в

2002848

S — полная поверхность образца, м;

2, г — время, ч, 3а количественный показатель роста принято изменение линейных размеров об5 разца в результате термоциклирования, выраженное в процентах. (56) Авторское свидетельство СССР ! т!! 1032035, кл. С 22 С 37/10, 1983.

Авторское свидетельство СССР

10 И 785376. кл. С 22 С 37/10, 1980. течение 2 ч, общее число циклов 100. 3а количественный показатель окалиностойкости принята скорость окисления чугуна, рассчитанная по формуле:

V = (9п 9о)/S t . где V — массовый показатель коррозии, г/м%. 1ЭЧ:

g0 — начальная масса образца, г;

9, — масса образца последнего n-ro количества циклов, т:

) 1епло

i ермостой. к гтс т ь

Гч количество циклов при 850 ь и

Цнкли. Лрелил вчэ сти нл кость, р. стк.,1, . 1Ол » ение гг» Мол интел г»2

Линейныи рост (P) после

1ОО циклов при

850"С, М

Мл чугун посовал

Сг олл элем

7

Вт/мв

38 2600

1эа

3,6

1.0 0.04

О.Э

1.2

0,4

1.5

1.О о.з

2.5

3.7

3,2 з.о

3,4

Э.8 этоо 13 а

38ра 135

4200 130

4200 115

36

4т>

56

74

0.007 0.003

0.01 0.005

1 Э

1.1

0,9

1.0

1.4

О. 15

0.21

0,25

0.29

0.35

О,О2 о,оз

0,20

0,40

0.45

0.013

0,021

0028

0.035

О 04

0,05

0,07

0.13

0,19

021

0.1

0.2

0,4

0.65

0,7

4,0

4,15

4,2

4,3

4.4

0.6

0.85

1,1

1,2

0.075 О.О07

0.14 0.009

0.15 0.012

41СО 90

» до .; до,!

Формула изобрете ния

ЧУГУН, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, азот, медь, ванадий, алюминий и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас, ;

Углерод 4,15 - 4,3

Кремний 0,6-1,1 Составитель С. Деркачева

Техред M,Ìîðãåíòçë Корректор Н. Ревская

Редактор

Заказ 3219

Тираж Подписное

НПО "Поиск" Роспатента

113035. Москва. Ж-35. Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат Патент", г. Ужгород. ул,Гагарина, 101

Иэвастиый

Предлагаемый

2 з

Марганец

Хром

Титан

30 Азот

Медь

Ванадий

Алюминий

Железо

Скоро. сть окисле ниа Ч после

1ОО циклов при

850оС. гм ч

0,2 - 0.65

0.21 - 0,29

0,03 - 0,4

0,021 - 0,035

0,07 - 0.19

0,01 - 0,14

0.005 - 0.009

Остальное