Немагнитный чугун
Владельцы патента RU 2449044:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ярославский государственный технический университет" (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к немагнитным аустенитным чугунам с низким коэффициентом линейного расширения. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,1-3,6; кремний 2,1-2,5; марганец 8-10; медь 0,8-2,5; хром 0,07-0,1; алюминий 0,3-0,8; редкоземельные металлы 0,02-0,06; барий 0,03-0,06; сера 0,02-0,06; бор 0,002-0,02; железо - остальное. Полученный чугун обладает пониженной твердостью в литом состоянии, низкими остаточными термическими напряжениями и высокой обрабатываемостью чугуна резанием. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к немагнитным аустенитным чугунам с низким коэффициентом линейного расширения, используемым в электротехнической промышленности и точном машиностроении и обладающим хорошей обрабатываемостью на металлорежущих станках.
Известен легированный немагнитный чугун (Патент Великобритании №14752292, МПК C22C 37/08, 1971) содержащий, мас.%:
| Углерод | 3,2-3,6 |
| Марганец | 1,77-2,23 |
| Титан | 1,15 |
| Ниобий | 1,15 |
| Ванадий | 1,15 |
| Фосфор | 0,01 |
| Сера | 0,03-0,1 |
| Железо | Остальное |
Известный чугун имеет высокий коэффициент линейного расширения и не обеспечивает получения в отливках мелкозернистой аустенитной структуры со стабильными немагнитными, физико-механическими и эксплуатационными свойствами.
Известен также легированный аустенитный марганцевый чугун (Галдин Н.М. Отливки в точном машиностроении. - М: Машиностроение, 1983. - С.9) содержащий, мас.%:
| Углерод | 3,54 |
| Кремний | 3,31 |
| Марганец | 10,06 |
| Фосфор | 0,124 |
| Сурьма | 0,3-0,4 |
| Сера | 0,02 |
| Железо | Остальное |
Этот чугун имеет в отливках более однородную аустенитную структуру, удовлетворительно обрабатывается на металлорежущих станках, но высокие концентрации кремния, сурьмы и углерода увеличивают коэффициент линейного расширения и снижают трещиностойкость, технологические и физико-механические свойства.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является немагнитный чугун (А.с. СССР №1216239, МПК C22C 37/10, 1986) следующего химического состава, мас.%:
| Углерод | 2,8-3,6 |
| Кремний | 1,5-2,3 |
| Марганец | 8-10 |
| Медь | 0,8-2,5 |
| Хром | 0,08-0,5 |
| Алюминий | 0,6-0,8 |
| Редкоземельные металлы | 0,01-0,1 |
| Железо | Остальное |
Известный чугун обладает следующими свойствами:
| Предел прочности при изгибе, МПа | 760-870 |
| Твердость в литом состоянии, HRC | 51-57 |
| Коррозийная стойкость, г/м2·ч | 0,040-0,048 |
| Коэффициент линейного расширения | |
| от 20 до 100°C, α·106, 1/°C | 12-15 |
| Величина остаточных термических напряжений, МПа | 28-40 |
| Магнитная проницаемость, μ·106, Гн/м | 2,8-3,5 |
Недостатками известного чугуна являются повышенные значения твердости в литом состоянии, магнитной проницаемости и остаточных термических напряжений в отливках. Повышенные значения твердости и остаточных термических напряжений ухудшают обрабатываемость чугуна резанием.
Задачей данного технического решения является снижение твердости в литом состоянии, остаточных термических напряжений и улучшение обрабатываемости чугуна резанием.
Поставленная задача решается тем, что немагнитный чугун, содержащий углерод кремний, марганец, медь, хром, алюминий, редкоземельные металлы и железо, дополнительно содержит барий, серу и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 3,1-3,6 |
| Кремний | 2,1-2,5 |
| Марганец | 8-10 |
| Медь | 0,8-2,5 |
| Хром | 0,07-0,1 |
| Алюминий | 0,3-0,8 |
| Редкоземельные металлы | 0,02-0,06 |
| Барий | 0,03-0,06 |
| Сера | 0,02-0,06 |
| Бор | 0,002-0,02 |
| Железо | Остальное |
Дополнительное введение в чугун бария (0,03-0,06 мас.%) обусловлено существенным графитизирующим и микролегирующим влиянием его на структуру, снижение твердости, остаточных термических напряжений и улучшение обрабатываемости резанием. При увеличении содержания бария более 0,06% снижается магнитная проницаемость чугуна, ухудшается усвояемость бария расплавленным металлом и увеличиваются его потери.
При концентрации бария до 0,03% его влияния на структуру и технологические свойства чугуна недостаточно.
Дополнительное введение 0,02-0,06% серы обусловлено ее влиянием на снижение твердости чугуна в отливке, повышение обрабатываемости резанием и снижение коэффициента линейного расширения. При увеличении содержания серы более 0,06% увеличивается неоднородность структуры и снижается стабильность механических и технологических свойств. При концентрации серы менее 0,02% повышаются коэффициент линейного расширения, твердость чугуна в отливках и ухудшается обрабатываемость резанием.
Дополнительное введение в чугун бора обусловлено его влиянием на снижение магнитной проницаемости и повышение стабильности механических и технологических свойств. При увеличении концентрации бора более 0,02% повышается твердость чугуна в отливках и ухудшается обрабатываемость резанием. При концентрации бора менее 0,002% повышается магнитная проницаемость чугуна, увеличиваются остаточные термические напряжения в отливках.
Применение состава предложенного немагнитного чугуна позволяет снизить твердость в литом состоянии, остаточные термические напряжения и улучшить обрабатываемость чугуна резанием. 2 табл.
Опытные плавки чугунов проводили в открытых индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-95), передельного чугуна марки ПЛПБ2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А, чугунного лома марки 17А, ферромарганца ФМн78, катодной меди, ферробора, силикобария и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна составляла 1430-1480°C. Микролегирование чугуна медью и ферробором производили после рафинирования расплава в печи, а модифицирование селикобарием, редкоземельными металлами и алюминием - в ковше, с использованием экзотермических присадок. Заливку чугуна производили в литейные формы из холоднотвердеющих смесей (ХТС). В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.
Для исследования структуры и свойств чугуна отливали стандартные образцы (диаметр 30 мм) для механических испытаний, технологические пробы, отливки крышек масляных выключателей, нажимных колец электромашин и концевых коробок трансформаторов.
В таблице 2 приведены механические, технологические и физические свойства чугунов опытных плавок. Исследования остаточных термических напряжений чугунов в отливках проводились на решетчатых технологических пробах, склонных к трещинообразованию - на звездообразных пробах высотой 146 мм. Механические испытания проводились в соответствии с ГОСТ 24805 и ГОСТ 27208. Обрабатываемость резанием и оптимальную скорость резания определяли на токарных полуавтоматах с ЧПУ модели СА562Ф3 при механической обработке нажимных колец электромашин. В качестве эталона при сравнении обрабатываемости чугунов опытных плавок использовали антифрикционный чугун марки АЧС-5, имеющий аустенитную структуру и твердость 180 НВ. Склонность к трещинообразованию оценивали по количеству трещин в технологической пробе.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун обладает более низкими характеристиками магнитной проницаемости, твердости и остаточных термических напряжений в отливках и более высокими значениями обрабатываемости резанием и трещиностойкости, чем известный чугун.
| Таблица 1 | ||||||
| Химические составы литейных сталей опытных плавок | ||||||
| Компоненты | Содержание компонентов в чугунах, мас.% | |||||
| 1 (Изв.) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Углерод | 3,2 | 2,8 | 3,1 | 3,4 | 3,6 | 3,8 |
| Кремний | 1,9 | 1,9 | 2,1 | 2,3 | 2,5 | 2,6 |
| Марганец | 9,8 | 7,5 | 8 | 9,1 | 10 | 11 |
| Медь | 1,2 | 0,6 | 0,8 | 1,4 | 2,5 | 3 |
| Алюминий | 0,7 | 0,1 | 0,3 | 0,6 | 0,8 | 1,2 |
| Хром | 0,3 | 0,05 | 0,07 | 0,09 | 0,1 | 0,3 |
| Редкоземельные металлы | 0,1 | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,06 | 0,07 |
| Барий | - | 0,02 | 0,03 | 0,05 | 0,06 | 0,08 |
| Сера | - | 0,01 | 0,02 | 0,04 | 0,06 | 0,07 |
| Бор | - | 0,001 | 0,002 | 0,01 | 0,02 | 0,03 |
| Железо | Остальн. | Ост. | Ост. | Ост. | Ост. | Ост. |
| Таблица 2 | ||||||
| Механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавок | ||||||
| Свойства чугунов | Показатели свойств для составов чугунов | |||||
| 1 (Изв.) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Предел прочности при изгибе, МПа | 790 | 805 | 860 | 875 | 880 | 845 |
| Твердость, HRC | 55 | 51 | 47 | 43 | 42 | 48 |
| Магнитная проницаемость, μ·106, Гн/м | 3,2 | 3,0 | 2,8 | 2,6 | 2,5 | 2,9 |
| Величина остаточных термических напряжений, МПа | 31 | 29 | 27 | 25 | 26 | 30 |
| Коэффициент линейного расширения, α·106,1/°C | 13 | 12 | 9,2 | 8,6 | 8,1 | 11 |
| Оптимальная скорость обработки резанием, об/мин | 1100-1200 | 1200-1300 | 1800-2000 | 2200-2500 | 2000-2200 | 1500-1650 |
| Обрабатываемость резанием, % | 100 | 105 | 116 | 124 | 120 | 108 |
| Количество трещин в технологической пробе, n | 8 | 7 | 3 | 2 | 5 |
Немагнитный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, хром, алюминий, редкоземельные металлы и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит барий, серу и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 3,1-3,6 |
| кремний | 2,1-2,5 |
| марганец | 8-10 |
| медь | 0,8-2,5 |
| хром | 0,07-0,1 |
| алюминий | 0,3-0,8 |
| редкоземельные металлы | 0,02-0,06 |
| барий | 0,03-0,06 |
| сера | 0,02-0,06 |
| бор | 0,002-0,02 |
| железо | остальное |
