Серый чугун для металлической литейной оснастки
Владельцы патента RU 2449041:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым чугунам для изготовления металлической литейной оснастки с повышенными характеристиками трещиностойкости, термической и эксплуатационной стойкости. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,2-3,6; кремний 1,6-2,0; марганец 0,7-1,0; хром 0,12-0,5; никель 0,10-0,3; медь 0,10-0,8; цирконий 0,02-0,05; фосфор 0,10-0,3; серу 0,02-0,12; кальций 0,002-0,02; титан 0,06-0,15; барий 0,02-0,05; азот 0,002-0,012; железо остальное. Чугун обладает трещиностойкостью (880-965 циклов), за счет чего повышается термическая и эксплуатационная стойкость литейной оснастки. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым чугунам для изготовления модельных плит, кокилей и нагреваемой литейной оснастки с повышенными характеристиками трещиностойкости, термической и эксплуатационной стойкости.
Известны серые чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 20 и СЧ 25 по ГОСТ 1412-85, рекомендованные для изготовления рабочих стенок кокилей (Справочник «Специальные способы литья» под редакцией В.А.Ефимова, - М: Машиностроение, 1991. - С.98). Однако эти чугуны не обеспечивают нагреваемой оснастке необходимых термической стойкости, трещиностойкости, высоких механических и эксплуатационных свойств.
Известен также серый чугун для металлических форм (Липницкий A.M. Литье в металлические формы. - Ленинград: Машиностроение, 1980. - С.31) следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 3,0-3,3 |
| Кремний | 1,6-1,9 |
| Марганец | 0,7-1,0. |
| Фосфор | до 0,3 |
| Сера | до 0,12 |
| Хром | 0,3-0,4 |
| Никель | 0,1-0,12 |
| Железо | остальное |
Этот чугун обеспечивает в структуре литейной оснастки перлитную металлографическую основу твердостью 212-235 НВ. Предел прочности при изгибе составляет 410-440 МПа. Величина остаточных термических напряжений в отливках - 23-28 МПа. Отмечаются недостаточные характеристики дисперсности металлической основы (ПД 1,0 - ПД 1,4 по ГОСТ 3443-87), трещиностойкости, термической и эксплуатационной стойкости металлических форм.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является серый чугун для металлической оснастки (Патент BY №12524, МПК C22C 37/00, 2009, прототип), содержащий, мас.%:
| Углерод | 3,2-3,6 |
| Кремний | 1,6-2,0 |
| Марганец | 0,7-1,0 |
| Хром | 0,12-0,5 |
| Никель | 0,10-0,3 |
| Медь | 0,10-0,8 |
| Цирконий | 0,01-0,05 |
| Фосфор | 0,10-0,3 |
| Сера | 0,02-0,12 |
| Кальций | 0,002-0,01 |
| Железо | остальное |
Известный чугун обладает следующими механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами:
| Предел прочности при изгибе, МПа | 465-495 |
| Термическая стойкость, циклы | 760-850 |
| Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов | 12,7-13,5 |
| Склонность к трещинообразованию | |
| (общая длина трещин в пробе), мм | 2,5-3,5. |
| Дисперсность структуры | ПД 0,3 - ПД 0,5 |
| Твердость, НВ | 248-260 |
| Остаточные термические напряжения, МПа | 15-19 |
Задачей данного технического решения является повышение термической и эксплуатационной стойкости металлической литейной оснастки.
Поставленная задача решается тем, что серый чугун для металлической литейной оснастки, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, цирконий, фосфор, серу, кальций и железо, дополнительно содержит титан, барий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 3,2-3,6 |
| Кремний | 1,6-2,0 |
| Марганец | 0,7-1,0 |
| Хром | 0,12-0,5 |
| Никель | 0,10-0,3 |
| Медь | 0,10-0,8 |
| Цирконий | 0,02-0,05 |
| Фосфор | 0,10-0,3 |
| Сера | 0,02-0,12 |
| Кальций | 0,002-0,02 |
| Титан | 0,06-0,15 |
| Барий | 0,02-0,05 |
| Азот | 0,002-0,012 |
| Железо | остальное |
Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав эффективных микролегирующих добавок и модифицирующих компонентов - титана, бария, и азота, что существенно повышает трещиностойкость, термическую и эксплуатационную стойкости.
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение в чугун титана в количестве 0,06-0,15% связано с его высоким влиянием на структуру, термическую и эксплуатационную стойкости чугуна. При его концентрации до 0,06% микролегирующее влияние титана на структуру, термическую и эксплуатационную стойкости недостаточно. При увеличении концентрации титана более 0,15% усиливается его графитизирующее влияние на структуру и снижение удароустойчивости и эксплуатационной стойкости.
Дополнительное введение бария связано с его высокой химической, рафинирующей и модифицирующей способностью, что способствует повышению термической и эксплуатационной стойкостей. Его модифицирующее влияние начинает проявляться с концентрации 0,02%. При увеличении содержания бария более 0,05% снижаются усвояемость и влияние на свойства чугуна.
Дополнительное введение в чугун 0,002-0,012% азота обусловлено образованием в структуре нитридов титана, циркония и других нитридообразующих элементов, что способствует измельчению структуры, приводящему к повышению эксплуатационных и механических свойств. Влияние азота на структуру и свойства чугуна начинает проявляться с его концентрации 0,002%. При увеличении его содержания более 0,012% повышается концентрация нитридов по границам зерен.
Опытные плавки чугуна производят в открытых индукционных тигельных печах с использованием в качестве шихтовых материалов литейного чугуна марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-95), передельного чугуна марки ПЛ11Б2 (ГОСТ 805-90), чугунного лома марки 17А, стального лома 1А и 2А, углеродистого феррохрома, катодной меди, азотированного ферромарганца марки ФМн-78Н, доменного феррофосфора ФФ16, никеля НП-3, ферроциркония и силикобария.
После процесса рафинирования расплава в печи при температуре 1430-1460°C производят легирование феррохромом, никелем, медью и азотированным ферромарганцем. Модифицирование расплава чугуна производят в раздаточном ковше с использованием металлотермических присадок на основе ферротитана, ферроциркония, силикокальция и силикобария. Заливку модифицированного чугуна проводят в песчаные формы для получения кокилей, модельных плит, стандартных образцов для механических испытаний и технологических проб на трещиностойкость, жидкотекучесть и остаточные термические напряжения.
Механические испытания проводят в соответствии с требованиями ГОСТ 27208 и ГОСТ 24805. Определение трещиностойкости проводят в условиях термоциклирования с нагревом до 900°C и охлаждением до 20°C, а ударно-усталостной долговечности - на электродинамических ударных стендах типа УУЭ - 20/200. Трещиностойкость определяют на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм и высотой 140 мм.
Эксплуатационные испытания проводят на модельной и кокильной оснастках при изготовлении водопроводной арматуры, крышек, люков и других отливок с использованием оболочкового и кокильного литья.
В таблице 1 приведены химические составы серых чугунов опытных плавок, а в таблице 2 - результаты механических, технологических и эксплуатационных испытаний.
Как видно из таблицы 2, предложенный серый чугун для металлической литейной оснастки обладает более высокими эксплуатационными свойствами и характеристиками термостойкости и трещиностойкости, чем известный.
| Таблица 1 | ||||||
| Компоненты | Содержание компонентов, мас.%, (железо - остальное) в чугуне состава | |||||
| 1 (Изв.) | 2 | о.5 | 4 | 5 | 6 | |
| Углерод | 3,5 | 3,0 | 3,2 | 3,4 | 3,6 | 3,8 |
| Кремний | 1,8 | 1,5 | 1,6 | 1,9 | 2,0 | 2,3 |
| Марганец | 0,8 | 0,5 | 0,7 | 0,9 | 1,0 | 1,2 |
| Хром | 0,2 | 0,1 | 0,12 | 0,3 | 0,5 | 0,6 |
| Никель | 0,2 | 0,05 | 0,10 | 0,2 | 0,3 | 0,5 |
| Медь | 0,5 | 0,07 | 0,1 | 0,6 | 0,8 | 1,1 |
| Цирконий | 0,03 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,05 | 0,1 |
| Фосфор | 0,25 | 0,04 | 0,10 | 0,21 | 0,3 | 0,5 |
| Сера | 0,1 | 0,01 | 0,02 | 0,10 | 0,12 | 0,2 |
| Кальций | 0,01 | 0,001 | 0,01 | 0,01 | 0,02 | 0,04 |
| Титан | - | 0,03 | 0,06 | 0,12 | 0,15 | 0,18 |
| Барий | - | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,05 | 0,06 |
| Азот | - | 0,001 | 0,002 | 0,01 | 0,012 | 0,03 |
| Таблица 2 | ||||||
| Показатели | Свойства серых модифицированных чугунов для составов | |||||
| 1 (Изв.) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Предел прочности при растяжении, МПа | 475 | 468 | 480 | 497 | 484 | 455 |
| Твердость, НВ | 255 | 267 | 249 | 265 | 262 | 238 |
| Ударно-усталостная долговечность, тыс.циклов | 13 | 11 | 14 | 15 | 14,5 | 12,6 |
| Термостойкость, циклы | 830 | 812 | 880 | 965 | 935 | 842 |
| Склонность к трещинообразованию, (общая длина трещин в пробе), мм | 2,8 | 3,5 | 2,2 | 1,8 | 2,3 | 2,7 |
| Эксплуатационная стойкость кокилей, кол-во заливок | 750 | 712 | 870 | 935 | 881 | 762 |
| Стойкость модельной оснастки при изготовлении форм для оболочкового литья, кол-во съемов | 960 | 840 | 1025 | 1310 | 1272 | 1012 |
Серый чугун для металлической литейной оснастки, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, цирконий, фосфор, серу, кальций и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, барий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 3,2-3,6 |
| Кремний | 1,6-2,0 |
| Марганец | 0,7-1,0 |
| Хром | 0,12-0,5 |
| Никель | 0,10-0,3 |
| Медь | 0,10-0,8 |
| Цирконий | 0,02-0,05 |
| Фосфор | 0,10-0,3 |
| Сера | 0,02-0,12 |
| Кальций | 0,002-0,02 |
| Титан | 0,06-0,15 |
| Барий | 0,02-0,05 |
| Азот | 0,002-0,012 |
| Железо | Остальное |
