Чугун и способ термической обработки отливок из него
Владельцы патента RU 2307875:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянская государственная инженерно-технологическая академия" (RU)
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. Может использоваться при производстве литых изделий, обладающих высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,28-4,03; кремний 2,34-3,62; марганец 0,22-0,53; медь 1,16-2,34; молибден 0,21-0,52; магний 0,02-0,05; барий 0,03-0,08; РЗМ 0,02-0,06; железо и примеси - остальное. Отливки из чугуна подвергают термообработке, включающей ступенчатую аустенизацию путем нагрева до 820-830°С с выдержкой 0,5 ч и последующего нагрева до 870-900°С с выдержкой 0,5-1,5 ч. Затем отливки охлаждают до температур ниже 500°С. Скорость охлаждения регулируют в зависимости от толщины стенки отливки: до 20 мм - на воздухе, при 25-40 мм - в воде в течение 4-5 с, более 40 мм - в воде в течение 6-10 с. После чего отливки подвергают термоциклированию в интервале 270-390°С в течение 1,5-3 ч и охлаждают на воздухе. Полученный чугун обладает высокими и стабильными механическими свойствами в отливках с различной толщиной. 2 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью.
Сочетание высоких механических свойств, включая повышенные значения пластичности и ударной вязкости, в чугунах с шаровидным графитом получают путем выбора их необходимого химического состава и способа термической обработки отливок.
Известен чугун [1], содержащий, мас.%:
| Углерод | 3,0-3,8 | Титан | 0,01-0,1 |
| Кремний | 1,6-2,8 | Магний | 0,04-0,08 |
| Марганец | 0,06-0,4 | Сера | 0,006-0,02 |
| Медь | 0,5-1,8 | Фосфор | менее 0,1 |
| Хром | 0,05-0,15 | Железо | остальное |
| Ванадий | 0,04-0,2 |
Этот чугун кристаллизуется в отливках без структурно свободного цементита, обладает в литом состоянии стабильной перлитно-ферритной структурой при повышенных механических свойствах.
Недостатком чугуна является нестабильность механических свойств (в литом состоянии временное сопротивление разрыву σв от 500 до 1000 МПа).
Наиболее близким к предлагаемому является чугун [2], содержащий, мас.%:
| Углерод | 3,0-4,0 | Хром | менее 0,1 |
| Кремний | 1,5-3,0 | Фосфор | менее 0,06 |
| Марганец | 0,3-0,6 | Сера | менее 0,02 |
| Медь | 0,3-1,0 | Магний | 0,02-0,06 |
| Молибден | 0,3-0,6 | Железо | остальное |
| Никель | до 1,5 |
Для этого чугуна предложен способ термической обработки, включающий нагрев (аустенитизацию) до 850-950°С, выдержку 0,5-4 ч, охлаждение до 250-450°С со скоростью, обеспечивающей подавление перлитного превращения, выдержку 1-4 ч при 250-450°С для завершения бейнитного превращения и охлаждение на воздухе.
После такой термообработки структура чугуна состоит из бейнита, остаточного аустенита и шаровидного графита. Чугун обладает повышенными механическими свойствами (σв=950-1050 МПа).
К недостаткам чугуна относятся сохранение в структуре большого количества остаточного аустенита и обусловленное этим ограничение верхнего предела прочностных свойств приведенной выше величиной σв.
Известен способ термической обработки высокопрочного чугуна, обеспечивающий сочетание высоких механических свойств, в виде изотермической закалки, включающей аустенитизацию при 850-900°С, охлаждение в щелочной или соляной ванне с изотермической выдержкой 0,5-1 ч при 350-400°С и охлаждение на воздухе [3]. Такая обработка обеспечивает получение бейнитно-аустенитной структуры и высокие прочностные свойства при сравнительно высокой пластичности и вязкости чугуна.
Недостаток способа заключается в необходимости использования специального оборудования и жидких охлаждающих сред в виде расплавов солей и щелочей с вредными выделениями.
Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки [4], включающий аустенитизацию при 870-900°С, кратковременное (в течение 4 с) охлаждение в воде ("замачивание"), изотермическую выдержку в печи при 350-380°С и окончательное охлаждение на воздухе.
Этот способ позволяет во многих случаях получать необходимую структуру и высокие механические свойства чугуна, но при этом не учитываются возможные различия в химическом составе чугуна и толщине стенки отливки, что может приводить к формированию неблагоприятных структур с недостаточно высокими механическими свойствами чугуна в отливках.
Задачей изобретения является создание в чугуне дисперсной структуры, состоящей из бейнита, ограниченного количества аустенита (до 30-35%) и шаровидного графита.
Технический результат - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств чугуна (прочности, пластичности и ударной вязкости) в отливках с различной толщиной стенки.
Это достигается тем, что:
1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден, магний, примеси и железо, дополнительно содержит барий и РЗМ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 3,28-4,03 | Магний | 0,02-0,05 |
| Кремний | 2,34-3,62 | Барий | 0,03-0,08 |
| Марганец | 0,22-0,53 | РЗМ | 0,02-0,06 |
| Медь | 1,16-2,34 | Железо и примеси | остальное |
| Молибден | 0,21-0,52 |
В качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0, 04, сера до 0,02, хром до 0,08.
2. В способе термической обработки отливок из чугуна, включающем аустенитизацию, охлаждение до температур ниже 500°С, выдержку в печи и окончательное охлаждение на воздухе, термической обработке подвергают чугун по п.1, при этом аустенитизацию проводят ступенчато по режиму 820-830°С, 0,5 ч → 870-900°С, 0,5-1,5 ч, скорость охлаждения регулируют в зависимости от толщины стенки отливки: до 20 мм - на воздухе, при 25-40 мм - в воде в течение 4-5 с, более 40 мм - в воде в течение 6-10 с, а выдержку в печи проводят в течение 1,5-3 ч с термоциклированием 270-390°С.
Изменения в химический состав чугуна введены с целью стабильного получения без отбела отливок с разной толщиной стенки, увеличения прокаливаемости чугуна, упрощения термической обработки отливок и обеспечения необходимых свойств чугуна после термической обработки.
Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений.
В чугуне увеличено содержание кремния, который является основным элементом-графитизатором и способствует получению бейнитной структуры при термической обработке. При содержании кремния менее 2,34% в структуре чугуна в тонкостенных отливках возможно появление структурно свободного цементита (частичный отбел); при этом затрудняется также получение измельченной бейнитной структуры, обеспечивающей высокие механические свойства термообработанного чугуна. При увеличении содержания кремния более 3,62% в структуре термообработанного чугуна появляется значительное количество феррита (в частности, силикоферрита), что приводит к снижению его механических свойств.
Содержание марганца не должно превышать 0,53%, т.к. при большем содержании увеличивается склонность чугуна к отбелу в отливках, что затрудняет полную графитизацию, увеличивает неоднородность структуры при термической обработке и приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна. Минимальное количество марганца в чугуне, составляющее 0,22%, соответствует его содержанию в качестве технической примеси; дальнейшее снижение содержания марганца затруднено при использовании обычных шихтовых материалов.
Содержание меди в составе чугуна увеличено с целью уменьшения склонности чугуна к отбелу, увеличения его прокаливаемости и повышения прочностных свойств чугуна за счет дополнительного дисперсионного упрочнения при термической обработке. Медь также является заменителем более дорогостоящего никеля и позволяет снизить себестоимость чугуна по сравнению с прототипом. При содержании меди менее 1,16% это комплексное действие меди проявляется недостаточно, что сказывается на механических свойствах чугуна. Содержание меди более 2,34% не приводит к повышению свойств чугуна, но вызывает его удорожание.
Молибден используется для увеличения бейнитной прокаливаемости и устранения отпускной хрупкости чугуна. При содержании менее 0,21 мас.% молибдена эта его роль недостаточно проявляется в отливках с толщиной стенки более 25 мм, а при содержании более 0,52 мас.% происходит удорожание чугуна и появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость.
Содержание магния рекомендуется в пределах 0,02-0,05 мас.%. Если остаточное содержание магния менее 0,02 мас.%, то результаты модифицирования нестабильны. Увеличение содержания магния более 0,05 мас.% нецелесообразно, так как это не повышает свойства чугуна.
РЗМ вводятся с целью нейтрализации элементов, оказывающих на графит десфероидизирующее действие (например, меди и различных микропримесей). При содержании менее 0,02 мас.% РЗМ полная сфероидизация графита не обеспечивается. Повышение содержания РЗМ более 0,06 мас.% нецелесообразно, так как не оказывает положительного эффекта, но удорожает чугун.
Дополнительно в состав чугуна введен барий (в виде силикобария в составе комплексного модификатора). Совместно с другими компонентами комплексного модификатора он обеспечивает глубокое рафинирование чугуна, повышает стабильность модифицирующей обработки чугуна и полное устранение отбела даже в тонкостенных отливках. Для этого достаточно содержание бария в заявляемых пределах. При остаточном содержании бария более 0,08% его модифицирующий эффект не усиливается, но стоимость чугуна возрастает. При содержании бария менее 0,03% его действие проявляется незначительно.
Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна. При содержании углерода менее 3,28 мас.% уменьшается склонность чугуна к графитизации и становится возможным образование отбеленных участков структуры с повышенной твердостью. Если в чугуне содержится более 4,03 мас.% углерода, то в его структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации) и их локализация в виде спели, что может проявляться в снижении всех механических свойств чугуна.
Термическая обработка чугуна состоит из трех стадий. Первую стадию проводят с целью полной аустенитизации, обеспечивая при этом склонность аустенита к частичной ферритизации при охлаждении (до 20-30%) и гомогенизацию остальной части аустенита, что достигается ступенчатым нагревом до 820-830°С с выдержкой 0,5 ч (первая ступень) и дальнейшим нагревом до 870-900°С с выдержкой 0,5-1,5 ч в зависимости от толщины стенки отливки (вторая ступень).
Вторая стадия заключается в охлаждении чугуна до 450-400°С со скоростью выше критической (с целью предотвращения образования перлитных структур), для чего тонкостенные отливки (до 20 мм) охлаждают на воздухе, а более массивные отливки (с толщиной стенки 25 мм и более) "замачивают" в воде с различной выдержкой, зависящей от толщины стенки отливки (при толщине стенки 25-40 мм в течение 4-5 с, а при толщине более 40 мм - в течение 6-10 с).
Третью стадию термической обработки проводят в обычной термической печи путем термоциклирования в интервале температур 270-390°С с общей длительностью 1,5-3 часа. Эта стадия проводится с целью формирования измельченной бейнитной ("аусферритной") структуры и ее упрочнения путем искусственного старения. После проведения третьей стадии изделия охлаждают на воздухе до комнатной температуры.
Плавку чугуна проводили в индукционных тигельных печах емкостью 50 и 150 кг с кислой футеровкой. Использовали шихту, состоящую из литейного чугуна, ферросплавов (ферросилиция и ферромолибдена) и отходов меди. Модифицирование проводили смесью комплексной лигатуры и силикобария в разливочных ковшах емкостью от 50 до 100 кг при температуре 1390-1430°С. По каждому варианту химического состава чугуна в сухие песчано-глинистые формы отливали пластины толщиной 20, 30 и 50 мм. Из пластин после их термической обработки вырезали стандартные образцы для механических испытаний.
Химические составы чугунов по всем вариантам приведены в табл.1, а результаты механических испытаний - в табл.2.
Видно, что предлагаемое сочетание химического состава чугуна и способа термической обработки обеспечивает по сравнению с прототипом более высокие значения предела прочности чугуна, особенно в толстостенных отливках, при сохранении достаточно высоких значений пластичности и ударной вязкости; важно также, что твердость чугуна не является чрезмерно высокой, что позволяет проводить необходимую механическую обработку отливок лезвийным инструментом.
При выходе химического состава чугуна за предлагаемые пределы (сплавы №5 и 6) свойства чугуна существенно ухудшаются. Отклонение способа термической обработки от п.2 формулы изобретения (например, при термической обработке по режиму прототипа [4]) также приводит к снижению некоторых свойств чугуна (относительного удлинения и ударной вязкости) и повышению твердости, особенно в тонкостенных отливках.
| Таблица 1 | ||||||||
| Химические составы чугунов | ||||||||
| Сплав | Содержание элементов, мас.% | |||||||
| С | Si | Mn | Cu | Мо | Mg | Ва | РЗМ | |
| 1 | 3,28 | 3,62 | 0,22 | 1,81 | 0,52 | 0,02 | 0,03 | 0,06 |
| 2 | 3,56 | 3,34 | 0,41 | 2,34 | 0,21 | 0,05 | 0,08 | 0,03 |
| 3 | 3,88 | 2,83 | 0,53 | 1,16 | 0,46 | 0,03 | 0,05 | 0,02 |
| 4 | 4,03 | 2,34 | 0,39 | 1,63 | 0,30 | 0,03 | 0,06 | 0,04 |
| 5 | 3,05 | 4,07 | 0,81 | 2,57 | 0,14 | 0,01 | 0,01 | 0,07 |
| 6 | 4,12 | 2,26 | 0,20 | 0,75 | 0,69 | 0,08 | 0,10 | 0,01 |
| Известный* | 3,44 | 2,21 | 0,53 | 0,58 | 0,56 | 0,05 | - | - |
| * Содержится также 1,2% Ni и 0,1% Cr | ||||||||
| Таблица 2 | ||||||||
| Механические свойства чугунов (средние) | ||||||||
| Сплав | Толщина пластины, мм | Предел прочности σв, МПа | Относительное удлинение δ, % | Ударная вязкость КС, Дж/см2 | Твердость НВ | |||
| 1 | 20 | 1230 | 7 | 59 | 310 | |||
| 30 | 1220 | 7 | 56 | 310 | ||||
| 50 | 1190 | 5 | 50 | 290 | ||||
| 2 | 20 | 1220 | 7 | 52 | 320 | |||
| 30 | 1210 | 8 | 49 | 310 | ||||
| 50 | 1180 | 6 | 45 | 300 | ||||
| 3 | 20 | 1190 | 8 | 50 | 310 | |||
| 30 | 1170 | 7 | 47 | 300 | ||||
| 50 | 1160 | 5 | 45 | 290 | ||||
| 4 | 20 | 1220 | 7 | 55 | 290 | |||
| 30 | 1200 | 6 | 48 | 300 | ||||
| 50 | 1170 | 6 | 46 | 280 | ||||
| 5 | 20 | 910 | 2 | 32 | 290 | |||
| 30 | 890 | 2 | 27 | 280 | ||||
| 50 | 850 | 2 | 23 | 270 | ||||
| 6 | 20 | 1060 | 4 | 46 | 330 | |||
| 30 | 1050 | 4 | 42 | 330 | ||||
| 50 | 1030 | 3 | 40 | 310 | ||||
| Известный* | 20 | 1080 | 5 | 40 | 370 | |||
| 30 | 1060 | 5 | 44 | 360 | ||||
| 50 | 1030 | 4 | 41 | 320 | ||||
| * Термическая обработка проведена по режиму [4] |
Источники информации
1. Патент РФ №2138576, кл. С22С 37/10, заявл. 18.12.1998, опубл. 27.09.1999.
2. Заявка Японии №60-106946, кл. С22С 37/08, С21D 5/00, заявл. 15.11.1983, опубл. 12.06.1985.
3. Чугун: Справ. изд. / Под ред. А.Д.Шермана и А.А.Жукова. - М.: Металлургия, 1991. - 576 с.
4. Жуков А.А. Некоторые вопросы теории и практики бейнитной закалки чугунов // Металловедение и термическая обработка металлов, 1995, №12. - С.26-29.
1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден, магний, железо и примеси, отличающийся тем, что дополнительно содержит барий и РЗМ при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 3,28-4,03 |
| кремний | 2,34-3,62 |
| марганец | 0,22-0,53 |
| медь | 1,16-2,34 |
| молибден | 0,21-0,52 |
| магний | 0,02-0,05 |
| барий | 0,03-0,08 |
| РЗМ | 0,02-0,06 |
| железо и примеси | остальное |
2. Способ термической обработки отливок из чугуна, включающийся аустенизацию, охлаждение до температур ниже 500°С, выдержку в печи и окончательно охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что термической обработке подвергают отливки из чугуна по п.1, при этом проводят аустенизацию ступенчато по режиму: нагрев до 820-830°С с выдержкой 0,5 ч и последующий нагрев до 870-900°С с выдержкой 0,5-1,5 ч, скорость охлаждения регулируют в зависимости от толщины стенки отливки: до 20 мм - на воздухе, при 25-40 мм - в воде в течение 4-5 с, более 40 мм - в воде в течение 6-10 с, а выдержку в печи проводят в течение 1,5-3 ч с термоциклированием в интервале 270-390°С.
