Способ термообработки чугуна с шаровидным графитом, включениями эвтектического цементита и бейнитно-аустенитной металлической основой

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам термической обработки чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано для получения износостойких изделий. Способ термообработки чугуна, содержащего в качестве легирующих элементов кремний и марганец, с получением структуры с шаровидным графитом, включениями эвтектического цементита и бейнитно-аустенитной металлической основой включает термическую обработку в два этапа, при этом на первом этапе заготовку нагревают до температуры 940-960°C, выдерживают в течение 1,0-1,5 ч и подвергают закалке путем охлаждения в воде до 450-500°C, а затем на воздухе, на втором этапе заготовки нагревают в соляной ванне до температуры 1150-1160°C, выдерживают в ней 1,0-1,5 мин, переносят их в соляную ванну с температурой 360-380°C, в которой выдерживают в течение 1,0-1,5 ч, с последующим охлаждением в воде и отпуском при температуре 200-220°C в течение 1,5-2 ч. Техническим результатом изобретения является получение чугуна с высоким уровнем прочности, ударной вязкости и износостойкости за счет создания в нем матричной структуры дисперсионно-упрочненного макроструктурированного композита, которая состоит из равномерно расположенных в бейнитно-аустенитной матрице шаровидных частиц графита, заключенных в твердую оболочку ледебурита. 1 ил., 3 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам термической обработки чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано для получения износостойких изделий, высокими прочностными и пластическими свойствами, ударной вязкостью.

Изделия, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств в широком диапазоне сечений, хорошей обрабатываемостью резанием в литом состоянии и могут широко использоваться для получения деталей в различных отраслях машиностроения.

Высокие износостойкость, антифрикционные, прочностные свойства и ударная вязкость, а также стойкость в условиях теплосмен и многие другие эксплуатационные характеристики металлических сплавов в наилучшей степени обеспечиваются микроструктурами, соответствующими принципу Шарли, в которых твердые включения равномерно располагаются в вязкой сплошной матрице и при этом должны быть полностью инверсированы, т.е. изолированы друг от друга [Жуков А.А. Микроструктура стали и чугуна и принцип Шарпи / А.А. Жуков, Л.З. Эпштейн, Г.И. Сильман // Изв. АН СССР. Металлы, 1971, №2. - С. 163-168], аналогичный принцип формирования структуры используется при создании дисперсионно-упрочненных композитных материалов.

Известен способ изготовления отливок из чугуна с шаровидным графитом, в котором формирование бейнитной структуры матрицы осуществляется за счет легирования. Легирующие компоненты содержатся в этом чугуне в следующем соотношении (в мас.%):

[Чугун. Крестьянов В.И., Вестфальский Е.А., Бакума С.С., Степанцов Э.В. Патент №2138578 РФ. Опубликован: 27.09.1999. МПК С22С 37/10].

Недостатки способа состоят в относительно низкой износостойкости чугуна, особенно, в абразивной среде, использовании дорогостоящих легирующих элементов и неоднородности структуры и свойств в разных сечениях изделий сложной конфигурации.

Известен способ получения в половинчатом чугуне, содержащем легирующие компоненты в следующем соотношении, мас.%:

С 3,5-4,0
Si 3,0-4,2
Mn До 0,5
Cr До 0,05
V 1,5-4,5
Cu 0,5-1,2

[Жуков А.А. Ванадиевые и некоторые другие легированные чугуны, удовлетворяющие принципу Шарли / А.А. Жуков, Г.И. Сильман // В кн. Справочник по чугунному литью. / Подред. д-ра техн. наук Н.Г. Гиршовича - 3-е изд., перераб. и доп. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1078. - 758 с.]

В структуре этого чугуна, модифицированного лигатурой ЖКМК, наряду с шаровидным графитом содержатся эвтектические карбиды, инверсированные в металлической основе. После закалки на мартенсит и отпуска отливки приобретают твердость HRC 56-60 и прочность σв=1500МПа

К недостаткам способа следует отнести необходимость использования дорогостоящих легирующих элементов и пониженное сопротивление ударным нагрузкам, плохую обрабатываемость резанием.

1. Известен способ получения чугуна CADI с шаровидным графитом, бейнитной матрицей и эвтектическими карбидами в количестве до 37 об. %, соотношение компонентов в котором, мас.%:

С 1,6-3.55
Si 1,9-2,07
Mn 0,53-0,68
Cr 2,26-3,00
Cu 0,60-0,68
Ni 0,44-0,49
Ti 0,008-0,012
Mg 0,041-0,050
S 0,006-0,009
P 0,025-0,027

[Hayrynen K.L. Carbidic austempered ductile iron (CADI)-the new wear material" / K.L. Hayrynen, K.R. Brandenberg // Am. Foundry Soc. 111 (2003), - p. 845-850.]

Заданные микроструктура и высокая износостойкость в чугуне данного химического состава достигаются после изотермической закалки от температуры 950-975°С с выдержкой в соляной ванне при температуре 320°С в течение 1-3 часов.

Недостатком данного способа является, плохая обрабатываемость отливок резанием из-за присутствия в структуре эвтектических карбидов, склонность к хрупкому разрушению, обусловленная неблагоприятной морфологией карбидной фазы в виде сетки или крупных включений с острыми кромками, которые действуют как концентраторы напряжений, а также повышенная себестоимость отливок из-за использования легирующих элементов.

Наиболее близок к предлагаемому выбранный в качестве прототипа способ получения заготовки из половинчатого чугуна с шаровидным графитом и бейнитно-аустенитной структурой в литом состоянии, включающий выплавку, легирование, модифицирование чугуна, получение отливки в песчаной форме, извлечение ее из формы при заданной температуре и последующее регулируемое охлаждение, отличающийся тем, что расплав при заливке в песчано-глинистую форму дополнительно подвергают инокулирующему модифицированию, отливки после кристаллизации выбивают из формы при температуре 900-1000°С, перемещают в печь с температурой 950-1000°С и выдерживают в течение 10-30 мин, затем закаливают в изотермической ванне при температуре 300-320°С в течение 1-1,5 ч, при этом используют чугун, содержащий, мас.%:

углерод 3,2-3,4

кремний 3,0-3,3

марганец 0,3-0,4

магний 0,04-0,07

молибден 1,5-1,7

никель 2,2-2,6

сера 0,01-0,012

фосфор 0,06-0,08

железо остальное.

[Макаренко К.В. Способ получения отливок из половинчатого чугуна с аустенитно-бейнитной структурой / К.В. Макаренко // Пат. 2250268 РФ, МКИ С21С 1/10, С22С 37/04, C21D 5/00].

Однако этот способ имеет следующие недостатки. Применение в составе чугуна повышенного содержания молибдена, никеля и меди значительно увеличивает себестоимость изделий. Половинчатый характер литой структуры чугуна, содержащей большое количество эвтектических карбидов, затрудняет обработку отливок резанием. Неблагоприятная морфология ледебуритной составляющей, включения которой распределены по границам аустенитно-графитовых эвтектических ячеек, образуя сетку большей или меньшей степени сплошности, не соответствует принципам формирования композитов, армированных дисперсными частицами и, как следствие, повышает хрупкость и снижает износостойкость чугуна.

Задачей изобретения является разработка способа получения износостойких отливок повышенной прочности, пластичности и ударной вязкости из нелегированного чугуна с шаровидным графитом путем термической обработки.

Техническим результатом, реализуемым при осуществлении изобретения, является обеспечение в отливках из нелегированного чугуна структуры, высокого уровня прочностных и пластических свойств, ударной вязкости и износостойкости за счет создания в нем матричной структуры дисперсионно-упрочненного макроструктурированного композита, которая состоит из равномерно расположенных в бейнитно-аустенитной матрице шаровидных частиц графита, заключенных в твердую оболочку ледебурита.

Технический результат достигается тем, что для изготовления отливок используют нелегированный чугун, содержание основных компонентов в котором соответствует стандартным рекомендациям [ГОСТ 7293-85 Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки / Чугун. Марки. Технические условия. Методы анализа: Сб. ГОСТОв. - М.: ИПК Издательство стандартов, 2004], а для получения эвтектического цементита в форме ледебуритной оболочки вокруг шаровидных включений графита и бейнитно-аустенитной матрицы применяют термическую обработку, осуществляемую в два этапа, при этом на первом этапе отливки нагревают до температур 940-960°С, выдерживают в течение 1,0-1,5 ч и подвергают закалке путем охлаждения в воде до 450-500°С, а затем на воздухе, на втором этапе охлажденные заготовки нагревают в соляной ванне до температур 1150-1160°С, выдерживают 1,0-1,5 мин, осуществляют перенос в соляную ванну с температурой 360-380°С, где выдерживают в течении 1,0-1,5 ч с последующим охлаждением в воде и отпуском при температуре 200-220°С в течение 1,5-2 ч.

Первая закалка от температуры 940-960°С с охлаждением в воде и на воздухе необходима для предотвращения образования феррита и снижения твердости в зонах сегрегации кремния в металлической основе чугуна.

В процессе второй закалки под действием высокоскоростного краткосрочного нагрева в соляной ванне до эвтектической температуры 1150-1160°С происходит частичное оплавление эвтектики на границе раздела графит-аустенит, образовавшаяся жидкая фаза затвердевает с образованием ледебурита в результате сильного переохлаждения при последующем переносе отливки в соляную ванну с температурой 360-380°С. Высокая скорость и температура нагрева 1150-1160°С (температура эвтектического превращения чугуна) создают условия для развития эффекта контактного плавления на границе раздела эвтектических фаз графит-аустенит, а краткость выдержки при этой температуре (1-1,5 мин) не позволяет эвтектике расплавится во всем ее объеме.

В основной не расплавлявшейся части металлической основы аустенит в процессе изотермической выдержки при 3860-380°С претерпевает промежуточное превращение с образованием бейнита, при этом часть аустенита остается непревращенной - фиксируется последующим охлаждением в воде. В результате металлическая матрица приобретает бейнитно-аустенитную структуру.

Остаточный аустенит, присутствующий в металлической основе чугуна наряду с бейнитом, является метастабильной структурной составляющей, которая под действием эксплуатационных напряжений претерпевает мартенситное превращение, с соответствующим повышением твердости и износостойкости и таким образом обеспечивает самоупрочнение материала в процессе эксплуатации.

Отпуск при 200-220°С проводится для снятия внутренних напряжений и заметных структурных изменений не производит.

В результате термической обработки по предлагаемому способу в чугуне с шаровидным графитом даже в отсутствии специального легирования формируется структура дисперсионно-упрочненного композита: бейнитно-аустенитная матрица, обладающая высокой прочностью, пластичностью и повышенной вязкостью, которая упрочнена равномерно расположенными в ней твердыми включениями графита, заключенными в оболочку ледебурита. Полученная структура обеспечивает высокую износостойкость и другие эксплуатационные качества изделий.

Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов и средств.

Жидкий чугун получают путем расплавления шихты заданного расчетного состава в плавильных электропечах, его модифицирование проводят магнийсодержащими лигатурами при сливе расплава в ковш. Отливки получают заливкой жидкого чугуна в одноразовые песчаные формы.

После охлаждения и выбивки из форм отливки для придания им конфигурации и размеров готовых изделий могут подвергаться механической обработке, так как в состоянии после литья они имеют перлитно-ферритную структуру металлической основы с шаровидными графитовыми включениями и хорошую обрабатываемость резанием.

Термическую обработку проводят путем закалки и отпуска.

Изделия нагревают в камерных электрических или газовых печах для аустенитизации под первую закалку и для отпуска.

При первой закалке после извлечения из печи изделия охлаждают в воде до 450-500°С, затем на воздухе до температуры окружающей среды.

Нагрев для второй закалки производят в соляной ванне с температурой 1150-1160°С и выдерживают в ней 1-1,5 мин. Затем осуществляют путем переноса изделия в соляную ванну с температурой 380-360°С и выдерживают в ней в течение 1,0-1,5 часов, далее охлаждают в воде до температуры окружающей среды.

После второй закалки изделия подвергают отпуску при 200-220°С в течение 1,5-2,0 часов с последующим охлаждением на воздухе.

Пример. Сравнительные испытания известного (прототипа) и предлагаемого способов термической обработки чугуна с шаровидным графитом проводили на экспериментальных отливках из легированного чугуна, соответствующего прототипу, и из нелегированного чугуна ВЧ50. Содержание компонентов в химическом составе чугунов приведено в таблице 1.

• Железо - остальное

Экспериментальные отливки подвергали термической обработке по известному и предлагаемому способам.

Основные параметры режимов термической обработки экспериментальных отливок приведены в таблице 2.

Термическую обработку отливок по известному способу проводили непосредственно после литья, путем выбивки их из формы при температуре 1000°С и перемещения в электропечь с температурой 990°С, где выдерживали в течение 15 мин для выравнивания температуры по сечению, затем осуществляли изотермическую закалку в соляной ванне.

По предлагаемому способу термическую обработку проводили по режимам с тремя вариантами основных параметров, охватывающими весь заявленный диапазон их изменений. При этом нагрев под первую закалку производили в электропечи, а охлаждение осуществляли по ступенчатому режиму в двух средах сначала в воде, а затем на воздухе.

Нагрев под вторую закалку проводили в соляной ванне (расплаве BaCl2), после выдержки в которой в течение 1-1,5 мин осуществляли перенос отливок в селитровую ванну с температурой 360-380°С, где выдерживали от 90 до 120 мин, а затем охлаждали в воде. Закаленные отливки подвергали отпуску в электропечи при температуре 200-220°С в течение 90-120 мин, охлаждали на воздухе.

После термической обработки из отливок изготавливали образцы для механических испытаний и металлографических исследований.

Металлографическим исследованием установлено, что образцы чугуна химического состава №1, после термической обработки по режиму «а», соответствующие известному способу (прототипу) имели микроструктуру половинчатого чугуна с шаровидным графитом и включениями ледебурита в виде разорванной сетки, металлическая основа - бейнит.

Микроструктура образцов нелегированного чугуна, имеющего состав 2 (см табл. 1), после термической обработки по предлагаемому способу (режимы «б, в, г» см. табл. 2), представляет собой бейнитно-аустенитную металлическую матрицу, в которой равномерно распределены шаровидные включения графита, покрытые оболочкой ледебурита. На рисунке 1 представлена микроструктура чугуна химического состава №2 (см. табл. 1), на врезке графитовое включение в оболочке ледебурита при большем увеличении. Микротвердость ледебуритной оболочки составила 7800-8300 МПа.

Результаты механических испытаний представлены в таблице 3.

*1-4 химический состав чугунов по таблице 1;

а-г режимы термической обработки по таблице 2

Как видно из результатов испытаний, приведенных в таблице 3, реализация предлагаемого способа термической обработки позволяет получить в чугунном литье лучший, чем у прототипа комплекс стандартных механических свойств (σв, δ, KC, НВ), а именно, при близких значениях предела прочности и твердости, заметно более высокий уровень пластичности и ударной вязкости.

Сравнительные испытания на износ, которые проводили путем перемещения образцов по закрепленному абразиву зернистостью 200-250 мкм с линейной скоростью 1,31 м/с при давлении 250 МПа, показали, что износостойкость чугуна, полученного по предлагаемому способу, на 55% выше, чем у прототипа.

Себестоимость полученных отливок на 30% ниже себестоимости отливок прототипа.

Способ термообработки чугуна, содержащего в качестве легирующих элементов кремний и марганец, с получением структуры с шаровидным графитом, включениями эвтектического цементита и бейнитно-аустенитной металлической основой, включающий нагрев, выдержку и закалку, отличающийся тем, что термическую обработку осуществляют в два этапа, при этом на первом этапе заготовку нагревают до температуры 940-960°C, выдерживают в течение 1,0-1,5 ч и подвергают закалке путем охлаждения в воде до 450-500°C, а затем на воздухе, на втором этапе заготовки нагревают в соляной ванне до температуры 1150-1160°C, выдерживают в ней 1,0-1,5 мин, переносят их в соляную ванну с температурой 360-380°C, в которой выдерживают в течение 1,0-1,5 ч, с последующим охлаждением в воде и отпуском при температуре 200-220°C в течение 1,5-2 ч.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к чугунному сплаву со сферическим графитом и может быть использовано для изготовления зубчатых колес и зубчатых шестерен. Чугун со сферическим графитом содержит, в мас.%: углерод от 2,5 до 4, кремний от 1,5 до 4,4, магний от 0,02 до 0,1, никель от 3,5 до 7, медь от 0,5 до 3, молибден от 0,15 до 1, железо и неизбежные примеси - остальное.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения различных марок легированных чугунов для изготовления быстроизнашиваемых деталей, работающих в условиях значительных нагрузок, например защитных втулок подшипников, валов, гильз цилиндров.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для модифицирования отливок из ковкого чугуна. Модификатор содержит смесь порошков, мас.

Изобретение относится к металлургии, а именно к износостойким чугунам с шаровидным графитом для производства литьем деталей, предназначенных для работы в условиях ударно-абразивного износа при температуре до 500°C, в частности деталей машин для изготовления асфальта, бетона и т.п.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для получения высокопрочного чугуна, пригодного для производства изделий с высоким пределом прочности.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам износостойких чугунов, и может быть использовано для изготовления деталей гидромашин, перекачивающих абразивные смеси.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к аустенитным чугунам с шаровидным графитом для производства деталей, предназначенных для работы в агрессивной среде при температуре от -60° до +90°С, в частности для изготовления рабочих органов погружных центробежных насосов для добычи нефти.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам получения алюминиевого чугуна с измельченной структурой из исходного, который используют при массовом производстве отливок.

Изобретение относится к металлургии и может быть использован для получения модифицированного чугуна с высокими качественными показателями. В способе используют пыль газоочистки электротермического производства кремния, содержащую компоненты в следующем соотношении, мас.

Изобретение относится к металлургии и литейному производству, в частности к способам получения высокопрочного чугуна с шаровидной формой графита, и может быть использовано при производстве средних и крупногабаритных отливок с толщиной стенки 50 мм и выше.

Изобретение относится к области атомной теплотехники. Гибридная АЭС содержит последовательно соединенные ядерный реактор, низкотемпературный реакторный парогенератор, низкотемпературную паровую турбину с сепаратором-пароперегревателем, конденсатор, конденсатный насос, регенеративные подогреватели низкого давления, деаэратор, питательный насос и подогреватель высокого давления.
Изобретение относится к металлургии, в частности к способам получения высокопрочных чугунов, и может быть использовано при изготовлении изделий с высокой прочностью, пластичностью, ударной вязкостью и хорошей обрабатываемостью.

Изобретение относится к металлургии, в частности к термической обработке отливок из белого нелегированного чугуна, и может быть использовано при графитизирующем отжиге отливок из белого нелегированного чугуна, а также при отжиге отбеленного, половинчатого, высокопрочного и серого нелегированного чугуна.

Изобретение относится к термической обработке металлов и сплавов, в частности, может быть использовано для графитизирующего отжига чугунных отливок с целью снятия отбела.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для термической обработки чугуна. .

Чугун // 692889

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам термической обработки чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано для получения износостойких изделий. Способ термообработки чугуна, содержащего в качестве легирующих элементов кремний и марганец, с получением структуры с шаровидным графитом, включениями эвтектического цементита и бейнитно-аустенитной металлической основой включает термическую обработку в два этапа, при этом на первом этапе заготовку нагревают до температуры 940-960°C, выдерживают в течение 1,0-1,5 ч и подвергают закалке путем охлаждения в воде до 450-500°C, а затем на воздухе, на втором этапе заготовки нагревают в соляной ванне до температуры 1150-1160°C, выдерживают в ней 1,0-1,5 мин, переносят их в соляную ванну с температурой 360-380°C, в которой выдерживают в течение 1,0-1,5 ч, с последующим охлаждением в воде и отпуском при температуре 200-220°C в течение 1,5-2 ч. Техническим результатом изобретения является получение чугуна с высоким уровнем прочности, ударной вязкости и износостойкости за счет создания в нем матричной структуры дисперсионно-упрочненного макроструктурированного композита, которая состоит из равномерно расположенных в бейнитно-аустенитной матрице шаровидных частиц графита, заключенных в твердую оболочку ледебурита. 1 ил., 3 табл., 1 пр.

Наверх