Чугун

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам, предназначенным для изготовления валков горячей прокатки. Предложен чугун, содержащий следующие компоненты, мас.%: углерод 2,5-3,2; кремний 2,0-2,8; марганец 0,5-1,0; фосфор 0,1-0,2; серу 0,01-0,03; хром 5,5-8,0; никель 2,0-3,0; алюминий 1,1-1,5; молибден 0,2-0,4; церий 0,005-0,05; ванадий 0,05-0,30; магний 0,03-0,10; железо - остальное, отношение содержания хрома к содержанию углерода должно составлять 2,1-2,8, а отношение суммы содержания хрома и марганца к сумме содержания кремния и алюминия должно быть в пределах 1,4-2,3. Чугун по данному изобретению обеспечивает экономию хрома, имеет равномерно распределенную эвтектику и карбиды, сфероидизированный графит, а также высокую твердость, износостойкость, вязкость, термостойкость и технологичность.

Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам, предназначенным для изготовления валков горячей прокаткой, работающих при повышенных температурах, больших удельных нагрузках и высоких скоростях прокатки, в частности для валков чистовых и предчистовых клетей листовой горячей прокатки непрерывных станов и для изготовления обечаек, предназначенных для бандажирования опорных валков горячей прокатки.

Наиболее близким, принятым за прототип, является чугун (а.с. 1025751 A), который используется для изготовления рабочих валков и содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%: Углерод - 2,5-3,2 Кремний - 2,8-3,5 Марганец - 0,2-0,8 Фосфор - 0,1-0,20 Сера - 0,02-0,09 Хром - 4,2-5,0 Никель - 0,6-1,5 Алюминий - 0,2-1,0 Церий - 0,005-0,05
Ванадий - 0,08-0,6
Железо - Остальное
Недостатком данного чугуна является, то, что в его структуре большей частью преобладают карбиды цементитного типа, а также структурно свободный графит. Все это снижает износостойкость и механические свойства отливок. В структуре чугуна цементит формирует сплошной карбидный каркас, внутри которого расположена металлическая составляющая. Подобная структура сплавов является неблагоприятной, поскольку включения Ме₇С₃ нарушают связь между отдельными участками металлической основы. В результате этого сплавы приобретают повышенную хрупкость.

Предложен чугун, содержащий компоненты при следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 2,5-3,2
Кремний - 2,0-2,8
Марганец - 0,5-1,0
Фосфор - 0,1-0,20
Сера - 0,01-0,08
Хром - 5,5-8,0
Никель - 2,0-3,0
Алюминий - 1,1-1,5
Церий - 0,005-0,05
Ванадий - 0,05-0,30
отличающийся тем, что в состав дополнительно введены молибден 0,2-0,40 мас.% и магний 0,03-0,10 мас.% - остальное железо.

Отношение содержания хрома к содержанию углерода должно составлять 2,1-2,8, а отношение суммы содержания хрома и марганца к сумме содержания кремния и алюминия составляет 1,4-2,3.

Углерод в указанных пределах обеспечивает получение аустенитохромистокарбидной эвтектики и карбидов типа Мe₇С₃, увеличивает количество карбидной фазы чугуна, что увеличивает твердость чугуна. Однако повышение содержания углерода в чугуне свыше 3,2% препятствует образованию аустенитохромистокарбидной эвтектики, возрастает вероятность образования крупных хрупких карбидов цементитного типа, что приводит к снижению пластичности, вязкости и к охрупчиванию. Хром при оптимальном сочетании его количества с содержанием углерода обеспечивает образование эвтектики пластинчатого строения, при наличии которой значительно повышается пластичность, вязкость и термостойкость. При этом карбидная фаза такого чугуна состоит из смеси кубического легированного цементита и хромистого карбида тригонального типа, что приводит к значительному повышению твердости, прочности, термостойкости и износостойкости. Экспериментальным путем было установлено, что для получения эвтектики чугуна пластинчатого строения с мелкими равномерно распределенными карбидами, увеличения количества эвтектики при наличии смеси цементита и хромистого карбида с целью повышения его твердости, прочности, износостойкости, пластичности, вязкости и термостойкости необходимо обеспечить оптимальное сочетание хрома и углерода в соответствии со следующим выражением:
2,1≤Cr/C≤2,8,
где Cr - содержание хрома, мас.%; C - содержание углерода, мас.%.

При снижении Cr/C менее 2,1 в структуре чугуна появляется эвтектика сотового строния с выделением цементита между ветвями дендритов, хромистый карбид отсутствует, уменьшается твердость, прочность, износостойкость, пластичность, вязкость и термостойкость, возрастает чувствительность к образованию трещин при отливке и ковке.

Повышение отношения Cr/C более 2,8 при соблюдении эвтектичности чугуна, равной единице (S_c= 1), является нецесообразным, так как может вызвать образование более сложных карбидов.

Марганец, кремний и алюминий являются активными раскислителями при выплавке чугуна, однако эти элементы совершенно по-разному влияют на его структуру и свойства. Марганец препятствует выделению графита и способствует образованию карбидов. Марганец повышает устойчивость переохлажденного аустенита, замедляет распад в перлитной области и способствует при охлаждении чугуна превращению в бейнитной области. Все это в совокупности повышает твердость, прочность, износостойкость и термостойкость чугуна.

Кремний при высоком содержании углерода измельчает эвтектику чугуна, однако он способствует выделению графита и уменьшает количество карбидной фазы. Наличие графита снижает твердость, прочность, износостойкость и термостойкость чугуна. Содержание кремния в пределах 2,0-2,8% способствует увеличению содержания хрома в карбидах, что стимулирует образование эвтектики на основе тригонального карбида вместо ледебурита. Кремний способствует графитизации и связанному с ней перераспределению концентрации хрома между карбидами цементитного и тригонального типа. Одновременно кремний значительно ускоряет распад аустенита при охлаждении в перлитной области и это приводит к снижению твердости матрицы чугуна. В целом это снижает прочность, износостойкость и термостойкость чугуна.

Влияние алюминия проявляется через графитизацию и приводит к увеличению концентрации хрома в карбидах и матрице из-за уменьшения количества карбидов в структуре чугуна.

Алюминий, введенный в чугун в оптимизированных соотношениях, препятствует диффузии углерода при кристаллизации чугуна, и это обеспечивает образование первичных карбидов в мелкой и равномерно распределенной форме. Алюминий способствует выделению вторичных карбидов в сфероидальной форме и увеличивает стабильность этих карбидов при последующем нагреве. Это в совокупности повышает твердость, износостойкость, вязкость, термостойкость и устойчивость чугуна против образования трещин при отливке и ковке.

При содержании алюминия менее 1,1% положительное влияние алюминия на структуру и свойства чугуна не проявляется вследствие его недостаточного количества. При содержании в чугуне алюминия более 1,5% возрастает степень эвтектичности и становится более единицы (S_c=1), что несмотря на повышенное содержание алюминия в чугунах не обеспечивает графитизации, равноценной эвтектическим чугунам. Это вызвано уменьшением эффективности действия алюминия на графитизацию, что объясняется фактом появления в структуре заэвтектических чугунов фазы Fе_хАlС₃, обогащенной алюминием.

Таким образом, влияние алюминия на увеличение концентрации хрома в карбидах и, следовательно, на изменение морфологии эвтектических карбидов связано со степенью развития графитизации, в этом случае уменьшается количество карбидов, а концентрация хрома в матрице увеличивается, что приводит к преимущественному образованию карбидов (Сr, Fе)₇С₃ вместо карбидов (Fе, Сr)₃С.

Экспериментальным путем было определено, что для предотвращения образования графита и перлита в чугуне и получения структуры бейнита с целью повышения твердости, микротвердости эвтектики, износостойкости и термостойкости необходимо обеспечить оптимальное сочетание хрома, марганца, кремния и алюминия в соответствии со следующим выражением:
1,4≤Cr+Mn/Si+Al≤2,3.

При снижении Сr+Мn/Si+Аl менее 1,4 в структуре чугуна появляется эвтектика сотового строения с выделением цементита, хромистый карбид отсутствует, уменьшается твердость, прочность, износостойкость, пластичность, вязкость и термостойкость, возрастает чувствительность к образованию трещин при отливке.

Повышение выражения Сr+Мn/Si+Аl более 2,3 приводит к тому же, что и при снижении этого соотношения 1,4.

Наличие в составе чугуна никеля способствует превращению аустенита в мартенсит и, следовательно, снижению его содержания ниже нижнего предела, равного 2,0 мас.%, приводит к появлению в структуре чугуна продуктов высокотемпературного распада аустенита и затрудняет графитизацию углерода. При содержании никеля выше верхнего предела, который равен 3,0 мас.%, увеличивается устойчивость аустенита, благодаря чему металлическая основа чугуна может стать полностью аустенитной. В этом случае для получения мартенситной структуры чугун необходимо подвергать высокотемпературной термообработке, что является дополнительной операцией, увеличивающей технологический процесс.

С целью получения графита шаровидной формы, состав чугуна должен иметь магний и церий, сумма которых должна находиться, как было нами установлено, в следующих пределах от 0,035 до 0,15 мас.%.

Суммарное содержание магния и церия в чугуне менее нижнего предела, равного 0,035 мас.%, приводит к появлению в структуре чугуна не только графита шаровидной формы, но и графита вермикулярной и пластинчатой формы, что резко снижает прочностные свойства материала. Избыток суммы содержания магния и церия приводит к перемодифицированию чугуна, в результате чего получается тот же отрицательный эффект, что и при недостаточном содержании их в чугуне, поэтому содержание магния и церия не должно превышать суммы их верхнего предела, который равен 0,15 мас.%.

Молибден, вводимый в указанных пределах, почти не изменяет соотношения структурных составляющих, способствует получению плотной мелкозернистой структуры по всему сечению валка. При этом отмечается повышение износостойкости и термостойкости валка, прочности и долговечности валка в целом. Молибден, растворясь в форме перлита и упрочнив его, повышает прочность матрицы, а следовательно, и общую прочность валка.

Содержание молибдена менее 0,2% не обеспечивает получения мелкозернистой структуры, что снижает прочностные свойства валка.

При содержании молибдена свыше 0,4% он выступает как карбидообразующий, образующий собственный карбид, что может привести к повышенной хрупкости валка.

Ввод ванадия в количестве 0,05-0,30% измельчает первичную структуру по всему сечению валка, очищает структуру валка от мелких включений графита и повышает его износостойкость. Кроме того, ванадий способствует получению инверсионной структуры валка, т.е. наиболее твердые структурные составляющие залегают в виде изолированных друг от друга включений, а наиболее вязкие образовывали сплошную матрицу, что в наилучшей степени обеспечивает не только высокую износостойкость, но и прочность, вязкость, стойкость в условиях теплосмен.

При содержании ванадия менее 0,05% выпадает эвтектический цементит, и принцип Шарпи нарушается.

Содержание ванадия свыше 0,30% нецелесообразно, так как приводит к появлению более сложных карбидов, вызывающих повышенную хрупкость чугуна.

Чугун указанного состава повышает эксплуатационную стойкость рабочих валков за счет исключения образования крупных хрупких выделений ледебурита и образования большого количества эвтектики и хромистых карбидов тригонального типа в мелкой и равномерно распределенной форме, исключает образование пластинчатой формы графита, повышает твердость, износостойкость, вязкость, термостойкость и технологичность валков.

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, алюминий, церий, ванадий, железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит молибден и магний при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 2,5-3,2
Кремний - 2,0-2,8
Марганец - 0,5-1,0
Фосфор - 0,1-0,2
Сера - 0,01-0,03
Хром - 5,5-8,0
Никель - 2,0-3,0
Алюминий - 1,1-1,5
Молибден - 0,2-0,4
Церий - 0,005-0,05
Ванадий - 0,05-0,30
Магний - 0,03-0,10
Железо - Остальное
отношение содержания хрома к содержанию углерода должно составлять 2,1-2,8, а отношение суммы содержания хрома и марганца к сумме содержания кремния и алюминия должно быть в пределах 1,4-2,3.