Чугун

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам чугуна для отливок блоков цилиндров автомобилей повышенной грузоподъемности. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,15-3,30; 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. Чугун обладает высокой износостойкостью. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности к разработке составов чугуна для отливок блоков цилиндров автомобилей повышенной грузоподъемности.

Известен серый чугун, содержащий, маc.%:

углерод	2,8-4,2
кремний	1,3-3,0
марганец	0,3-0,8
фосфор	0,5-1,6
сера	0,03-0,1
хром	0,1-0,3
никель	0,05-0,15
титан	0,01-0,05
алюминий	0,02-0,06
молибден	0,03-0,1
кальций	0,01-0,05
ванадий	0,05-0,15
железо	остальное

(SU 1006531 А, 23.03.1983, МПК С22С 37/10).

Наиболее близким к заявляемому является чугун, содержащий, мас.%:

углерод	3,4-3,9
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
алюминий	0,01-0,05
цирконий	0,03-0,08
стронций	0,03-0,1
сурьма	0,01-0,08
барий	0,01-0,05
кальций	0,01-0,05
сера	не больше 0,06
фосфор	не больше 0,1
железо	остальное

(RU 2281982, С22С 37/10).

Указанный чугун также имеет недостаточную износостойкость.

Заявляемое техническое решение направлено на увеличение износостойкости полученного чугуна с размерами графитовых включений в пределах 90-120 мкм.

Для решения поставленной задачи предлагается чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, титан, медь, цирконий, стронций и железо при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,15-3,30
кремний	1,2-1,7
марганец	0,7-1,0
хром	0,4-0,6
никель	0,0,2-0,2
медь	0,6-0,9
титан	0,03-0,08
цирконий	0,03-0,08
стронций	0,03-0,1
железо	остальное.

Пределы содержания углерода в чугуне определены с целью получения в структуре чугуна большого количества мелких включений графита (ПГд 90-120 мкм). Если содержание углерода будет менее 3,15 маc.%, размер графитовых включений ПГд будет менее 90 мкм, что может привести к повышенному образованию трещин. Если содержание углерода будет более 3,3 маc.%, размер графитовых включений будет более 120 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.

Содержание в чугуне кремния выбрано по тем же соображениям, а также из-за необходимости получения перлитной структуры с дисперсностью перлита Пд 0,1-0,3 мкм. При содержании кремния менее 1,9 маc.% в структуре чугуна получаются свободные карбиды железа (цементит), при этом в тонких сечениях образуется «отбел». При содержании кремния более 2,3 маc.% размер графитовых включений ПГд будет более 120 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.

Марганец в чугун переходит из шихтовых материалов как постоянный компонент чушковых чугунов. При выбранном составе чугуна указанные пределы марганца (0,7-1,0 маc.%) 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 0,7 маc.% уменьшается твердость, при содержании марганца более 1 маc.% ухудшается морфология графита.

Содержание хрома в пределах 0,4-0,6 маc.% выбрано исходя из соображений получения чугуна необходимой твердости и удовлетворительной обрабатываемости резанием. При содержании хрома менее 0,4 маc.% увеличивается дисперсность перлита и увеличивается размер графитовых включений. При содержании хрома в чугуне более 0,6 маc.% увеличивается твердость и ухудшается обрабатываемость резанием.

Медь и никель входят в состав чугуна как легирующие элементы, упрочняющие металлическую основу и с целью выравнивания структуры и свойств чугуна по сечению отливок. Никель, кроме того, способствует повышению растворимости в чугуне меди, обладающей большей перлитизирующей и упрочняющей способностью. При содержании меди менее 0,15 маc.% и содержании никеля менее 0,02 мас.% в структуре чугуна образуется феррит, снижающий износостойкость чугуна. Верхнее содержание меди 0,5 маc.% и никеля 0,2 мас.% ограничено из-за повышения твердости и ухудшения обрабатываемости резанием.

Титан измельчает структуру, повышает прочность чугуна. При количестве менее 0,03 маc.% влияние его на механические свойства незначительно, при содержании более 0,08 мас.% появляется опасность появления неметаллических включений и снижения механических свойств чугуна.

Цирконий в предлагаемых количествах измельчает кристаллическую структуру чугуна, препятствует распространению трещин, рафинирует расплав по азоту, образуя тугоплавкие карбиды циркония. При содержании менее 0,03 маc.% действие его незначительно, повышение содержания циркония более 0,08 мас.% приводит к образованию большого количества карбидов и нитридов циркония, являющимися хрупкими фазами, ухудшающими свойства чугуна.

Стронций способствует графитизации чугуна, значительно снижает образование «отбела» в тонкостенных отливках. При содержании стронция менее 0,03 маc.% действие его незначительно, при содержании стронция более 0,1 маc.% снижается прочность чугуна.

Испытания предлагаемого чугуна произведены на литейном заводе ОАО «КАМА3-Металлургия». Чугун выплавляли в дуговой электропечи, необходимые добавки ферросплавов (ферросилиций, феррохром, ферротитан) и легирующие элементы (никель, медь) вводили в печь, а модифицирование проводили вводом на дно ковша ферросилиция, содержащего стронций и цирконий. Одновременно с этим на дно ковша вводили графит гранулированный и ферромарганец. Отливали вертикальные пробы диаметром 30 мм и высотой 250 мм, из которых изготавливали образцы для изучения структуры, механических свойств и твердости чугуна. Показателем износостойкости является форма, распределение, величина графитовых включений и дисперсность перлита, которые определяли методом количественной металлографии. Структуру чугуна изучали в зоне разрушения образцов после испытаний. Химические составы изученных чугунов приведены в таблице 1. Результаты исследований приведены в таблице 2. Как следует из проведенных испытаний, предлагаемый состав чугуна позволяет стабилизировать размер графитовых включений равномерно распределенной прямолинейной формы и уменьшить дисперсность перлита.

Таблица 1
Состав	Содержание элементов, мас.%
С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	Тi	Zr	Ba	Са	Аl	Sr	Sb	S	P
Предлагаемый
1	3,29	1,99	0,76	0,39	0,028	0,19	0,038	0,038				0,031		0,031	0,044
2	3,2	2,12	0,85	0,48	0,15	0,35	0,052	0,068				0,088		0,032	0,056
3	3,2	2,3	0,92	0,45	0,029	0,48	0,045	0,045				0,058		0,042	0,054
4	3,16	2,22	0,73	0,52	0,045	0,32	0,058	0,052				0,075		0,054	0,063
5	3,18	2,18	0,85	0,58	0,19	0,29	0,078	0,071				0,09		0,028	0,045
6	3,18	2,15	0,66	0,53	0,14	0,22	0,034	0,041				0,081		0,025	0,048
7	3,27	2,22	0,60	0,41	0,13	0,31	0,032	0,064				0,066		0,031	0,049
Известный
8	3,82	1,25	0,85	0,58	0,15	0,75	0,052	0,048	0,038	0,015	0,046	0,07	0,035	0,032	0,056
9	3,66	1,22	0,83	0,52	0,045	0,72	0,058	0,052	0,035	0,037	0,021	0,082	0,032	0,054	0,063
10	3,42	1,68	0,95	0,58	0,19	0,89	0,078	0,071	0,028	0,038	0,038	0,089	0,032	0,028	0,045

Таблица 2
Чугун	Физико-механические свойства	Микроструктура
	Предел прочности, МПа	Твердость НВ, ГПА	Графит	Металлическая основа
Форма	Распределение	Размер ПГд	Перлит	Пд	Феррит
Предлагаемый
1	26	220	ПГф1	ПГр1	90-120	100	0,1	0
2	27	233	ПГф1	ПГр1	90-120	100	0,1	0
3	28	240	ПГф1	ПГр1	90-120	100	0,1	0
4	28	230	ПГф1	ПГр1	90-120	100	0,1	0
5	27	225	ПГф1	ПГр1	90-120	100	0,1	0
6	26	230	ПГф1	ПГр1	90-120	100	0,1	0
7	28	240	ПГф1	ПГр1	90-120	100	0,1	0
Известный
8	27	233	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
9	28	230	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0
10	27	225	ПГф1	ПГр1	250-450	100	0,1	0

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, титан, цирконий, стронций и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:

углерод	3,15-3,30
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.