Высокопрочный чугун
Владельцы патента RU 2298048:
Ярославский государственный технический университет (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к составам высокопрочных чугунов. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,3-3,8; кремний 2,3-2,7; марганец 0,2-0,4; алюминий 0,11-0,45; магний 0,03-0,06; церий 0,02-0,04; никель 0,05-0,18; титан 0,03-0,12; кальций 0,01-0,04; железо - остальное. Полученный чугун имеет высокие упругопластические свойства и низкие остаточные термические напряжения. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным чугунам с повышенными упругопластическими свойствами и низкими термическими напряжениями в отливках.
Известен высокопрочный чугун (Высокопрочный чугун для отливок. Под редакцией Н.Н. Александрова. М.: Машиностроение, 1982, с.165), содержащий, мас.%:
| Углерод | 3,5-3,8 |
| Кремний | 0,2-2,0 |
| Марганец | 0,55 |
| Магний | 0,03 |
| Фосфор | 0,05-0,06 |
| Сера | 0,004-0,006 |
| Железо | Остальное |
Известный чугун обладает недостаточными упругопластическими свойствами и повышенными термическими напряжениями в отливках, что обусловлено низким содержанием кремния и повышенным содержанием марганца и примесей.
Известен высокопрочный чугун (Патент Японии №57-89453, С22С 37/06, 1982), содержащий, мас.%:
| Углерод | 3,0-4,0 |
| Кремний | 2,0-3,5 |
| Марганец | до 1,1 |
| Хром | 0,3-0,7 |
| Титан | 0,01-0,15 |
| Ванадий | 0,1-0,3 |
| Фосфор | 0,2-0,4 |
| Сера | до 0,2 |
| Железо | Остальное |
При изготовлении отливок из этого чугуна достигаются удовлетворительные механические свойства, но высокое содержание отбеливающих элементов (хром, ванадий, фосфор и марганец) приводит к увеличению остаточных термических напряжений и снижению пластичности.
По технической сущности и достигаемому эффекту к предполагаемому изобретению наиболее близким является высокопрочный чугун (а.с. СССР №985119, МПК С22С 37/00, 1983), содержащий, мас.%:
| Углерод | 3,2-3,6 |
| Кремний | 1,9-2,2 |
| Марганец | 0,2-0,4 |
| Магний | 0,03-0,07 |
| Алюминий | 0,5-1,0 |
| Церий | 0,01-0,05 |
| Железо | Остальное |
Чугун в качестве примесей может содержать до 0,1 (мас.%) хрома и до 0,06 (мас.%) серы.
Данный чугун выплавляют в электропечах или дуплекс-процессом (вагранка - электрическая печь) с перегревом до 1420°С и модифицируют магнием, церием и алюминием с помощью соответствующих ферросплавов. При литье он обеспечивает получение ферритоперлитной металлической матрицы и следующих механических свойств:
| Временное сопротивление, МПа | 575-605 |
| Твердость, НВ | 180-220 |
| Относительное удлинение, % | 3-4 |
| Предел выносливости при кручении, МПа | 75-120 |
| Ударная вязкость, Дж/см2 | 21-30 |
| Отбел, мм | 3-7 |
Недостатком известного чугуна являются низкие динамические характеристики механических свойств. Отмечаются недостаточные относительное удлинение и высокие термические напряжения в отливках.
Задачей данного технологического решения является повышение упругопластических свойств чугуна и снижение остаточных термических напряжений в отливках.
Поставленная задача достигается тем что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, церий и железо дополнительно содержит никель, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 3,3-3,8 |
| Кремний | 2,3-2,7 |
| Марганец | 0,2-0,4 |
| Алюминий | 0,11-0,45 |
| Магний | 0,03-0,06 |
| Церий | 0,02-0,04 |
| Никель | 0,05-0,18 |
| Титан | 0,03-0,12 |
| Кальций | 0,01-0,04 |
| Железо | Остальное |
Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - никеля и титана и дополнительное микролегирование его кальцием, что существенно повышает упругопластические свойства и снижает остаточные термические напряжения в отливках. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные отличия являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели предлагаемого изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Введение никеля обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей добавкой, повышающей однородность и дисперсность структуры и упругопластические свойства и снижающей термические напряжения в отливках. Верхний предел концентрации никеля (0,18%) обусловлен снижением ударной вязкости при более высоких его концентрациях. При уменьшении концентрации никеля менее 0,05% укрупняется структура и повышаются остаточные термические напряжения в отливках.
Титан введен как микролегирующая и графитизирующая добавка, снижающая термические напряжения в отливках. При его содержании менее 0,03% микролегирующий эффект недостаточен, а при содержании более 0,12% снижаются относительное удлинение и ударная вязкость.
Кальций - графитизирующий модификатор, очищающий границы зерен, существенно повышающий упругопластические свойства. При концентрации кальция менее 0,01% модифицирующий эффект низкий, а при увеличении содержания кальция более 0,04% увеличивается угар, снижаются однородность структуры и упругопластические свойства.
Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального лома, алюминия А91, ферромарганца и других ферросплавов. Микролегирование никелем, алюминием и титаном производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в ковше с использованием металлотермических смесей, включающих никель-магниевую лигатуру, силикокальций СК30 и ферроцерий. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые и ступенчатые технологические пробы. Ударную вязкость определяют на образцах 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм. В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 - механические свойства.
| Таблица 1 | ||||||
| Чугун | Содержание компонентов в чугунах, мас.% | |||||
| 1 /Известный/ | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Углерод | 3,3 | 3,1 | 3,3 | 3,5 | 3,8 | 3,9 |
| Кремний | 2,1 | 2,2 | 2,3 | 2,5 | 2,7 | 2,8 |
| Марганец | 0,4 | 0,1 | 0,2 | 0,3 | 0,4 | 0,6 |
| Алюминий | 0,7 | 0,07 | 0,11 | 0,23 | 0,45 | 0,5 |
| Магний | 0,06 | 0,02 | 0,03 | 0,05 | 0,06 | 0,1 |
| Церий | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,04 | 0,05 |
| Никель | - | 0,02 | 0,05 | 0,12 | 0,18 | 0,21 |
| Титан | - | 0,02 | 0,03 | 0,06 | 0,12 | 0,17 |
| Кальций | - | 0,002 | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,06 |
| Железо | Остальн. | Остальн. | Остальн. | Остальн. | Остальн. | Остальн. |
| Таблица 2 | ||||||
| Показатели | Свойства высокопрочных чугунов | |||||
| 1 /Известный/ | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Временное сопротивление, МПа | 590 | 635 | 720 | 748 | 765 | 687 |
| Ударная вязкость, Дж/см2 | 28 | 30 | 35 | 42 | 40 | 33 |
| Термические напряжения в отливках, МПа | 34 | 21 | 8,9 | 7,3 | 7,6 | 9,7 |
| Относительное удлинение, % | 4,2 | 9,3 | 19,3 | 19,8 | 19,2 | 16,2 |
| Индекс загрязненности НВ, % | 0,0027 | 0,0016 | 0,0012 | 0,008 | 0,0011 | 0,0015 |
Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун имеет более высокие упругопластические свойства и низкие термические напряжения.
Высокопрочный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель, титан и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 3,3-3,8 |
| Кремний | 2,3-2,7 |
| Марганец | 0,2-0,4 |
| Алюминий | 0,11-0,45 |
| Магний | 0,03-0,06 |
| Церий | 0,02-0,04 |
| Никель | 0,05-0,18 |
| Титан | 0,03-0,12 |
| Кальций | 0,01-0,04 |
| Железо | Остальное |
