Немагнитный чугун
Владельцы патента RU 2718849:
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I" (ФГБОУ ВО ПГУПС) (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к немагнитным чугунам. Может использоваться в точном машиностроении и электротехнической промышленности. Немагнитный чугун содержит, мас. %: углерод 2,8-3,5; кремний 2,1-2,5; марганец 8-12; медь 0,8-1,3; алюминий 0,3-0,7; хром 0,02-0,06; РЗМ 0,02-0,05; цирконий 0,05-0,12; барий 0,02-0,06; серу 0,01-0,06; азот 0,01-0,03 и железо – остальное. Чугун обладает низким коэффициентом линейного расширения и хорошей обрабатываемостью резанием. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к немагнитным аустенитным чугунам с низким коэффициентом линейного расширения, используемым в точном машиностроении и электротехнической промышленности и обладающим хорошей обрабатываемостью на металлорежущих станках - полуавтоматах и автоматах.
Известен легированный аустенитный марганцевый немагнитный 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 |
Высокие концентрации в этом чугуне кремния, фосфора, сурьмы и углерода увеличивают в отливках неоднородность крупнозернистой аустенитной структуры и коэффициент линейного расширения, снижают стабильность магнитной проницаемости, обрабатываемость резанием на станках-автоматах и физико-механические свойства.
Известен также легированный немагнитный автоматный чугун (Патент Великобритании №14752292, МПК С22С 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 не обеспечивает получения в отливках мелкозернистой аустенитной структуры со стабильными немагнитными, физико-механическими и эксплуатационными свойствами, обладает высокими остаточными термическими напряжениями и коэффициентом линейного расширения.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является немагнитный чугун (А.с. СССР №1216239, МПК С22С 37/10, 1986, прототип) 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 (РЗМ) | 0-0,1 |
| Железо | Остальное. |
Известный чугун обладает следующими свойствами:
| Предел прочности при изгибе, МПа | 760-870 |
| Твердость в литом состоянии, HRC | 51-57 |
| Величина остаточных термических напряжений, МПа | 28-40 |
| Коэффициент линейного расширения от 20 до 100°С, 106×1/°С | 12-15 |
| Магнитная проницаемость μ×106, Гн/м | 2,8-3,5 |
| Коррозионная стойкость, г/м2⋅ч | 0,040-0,048 |
Недостатками известного чугуна являются повышенные значения твердости, остаточных термических напряжений и магнитной проницаемости. Отмечается также склонность чугуна к трещинам, особенно наблюдаемая при изготовлении чугунных крышек масляных выключателей, концевых коробок трансформаторов и нажимных колец электромашин.
Задачей данного технического решения является снижение магнитной проницаемости и остаточных термических напряжений, повышение трещиностойкости и обрабатываемости чугуна резанием.
Поставленная задача решается тем, что немагнитный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, алюминий, хром, РЗМ и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, барий, серу и азот при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| Углерод | 2,8-3,5 |
| Кремний | 2,1-2,5 |
| Марганец | 8-12 |
| Медь | 0,8-1,3 |
| Алюминий | 0,3-0,7 |
| Хром | 0,02-0,06 |
| РЗМ | 0,02-0,05 |
| Цирконий | 0,05-0,12 |
| Барий | 0,02-0,06 |
| Сера | 0,01-0,06 |
| Азот | 0,01-0,03 |
| Железо | Остальное |
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны 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 0,05-012% циркония обусловлено существенным микролегирующим влиянием его на структуру, повышением ее однородности, обрабатываемости резанием, снижением дисперсности структуры и магнитной проницаемости. При увеличении содержания циркония более 0,12% увеличивается коэффициент линейного расширения и снижаются характеристики трещиностойкости, обрабатываемости резанием и удароустойчивости. При концентрации циркония менее 0,05% дисперсность структуры, обрабатываемость резанием и другие технологические свойства недостаточны.
Дополнительное введение 0,02-0,06% бария обусловлено его модифицирующей и графитизирующей активностью, значительным влиянием на дисперсность структуры, который очищает границы зерен, существенно повышает обрабатываемость резанием, трещиностойкость и упруго-пластические свойства. При увеличении содержания бария более 0,06% увеличивается его угар, повышаются неоднородность структуры и магнитная проницаемость, снижаются трещиностойкость и удароустойчивость. При концентрации бария менее 0,02% модифицирующий эффект, трещиностойкость, обрабатываемость резанием и эксплуатационные свойства недостаточны.
Дополнительное введение в чугун серы в количестве от 0,01 до 0,06% обусловлено существенным ее влиянием на снижение коэффициента линейного расширения и стабилизацию немагнитных свойств, улучшение обрабатываемости и технологических свойств чугуна. При увеличении содержания серы более 0,06% увеличивается неоднородность структуры, что снижает стабильность немагнитных свойств, характеристики трещиностойкости и удароустойчивости. При концентрации серы менее 0,01% усложняется технология плавки чугуна и ухудшаются технологические процессы обработки отливок и их трещиностойкость.
Дополнительное введение азота в количестве 0,01-0,03% обусловлено тем, что он является эффективной нитридообразующей добавкой, повышающей дисперсность структуры, обрабатываемость резанием, немагнитные и упруго-пластические свойства и снижающей термические напряжения в отливках. Верхний предел концентрации азота (0,03%) обусловлен образованием по границам зерен нитридов и карбонитридов при более высоких его концентрациях, снижением трещиностойкости, ударной вязкости и обрабатываемости резанием. При уменьшении концентрации азота менее 0,01% укрупняется структура, повышается магнитная проницаемость, ухудшаются механические, эксплуатационные свойства и обрабатываемость резанием.
Опытные плавки чугунов проводили в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-95), передельного чугуна марки ПЛ11Б2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А (ГОСТ 2787-75), чугунного лома марки 17А (ГОСТ 2787-75), катодной меди, азотированного ферромарганца, цирконийсодержащего рудного сырья, силикобария и других ферросплавов. Для науглероживания чугуна использовали бой электродов. Температура выплавляемого чугуна не ниже 1430-1480°С. икролегирование медью производили после рафинирования расплава в печи, а модифицирование РЗМ, силикобарием и алюминием - в ковше с использованием экзотермических присадок. Заливку чугуна производили в литейные формы из холоднотвердеющей смеси.
Для определения свойств чугуна заливали решетчатые и ступенчатые технологические пробы. Остаточные термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Обрабатываемость резанием и оптимальную скорость резания определяли на токарных полуавтоматах с ЧПУ модели СА562Ф3и специализированных металлорежущих станках повышенной точности модели СА665Ф3станкостроительного завода ОАО «САСТА» в сравнении с обрабатываемостью литых заготовок из АЧС- 5 с аустенитной структурой и твердостью 180 НВ. Механические испытания (по ГОСТ 27208) проводились на стандартных образцах, а определение склонности к трещинообразованию проводилось на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм и высотой 140 мм. Определение твердости по Бринеллю производилось шариком диаметром 10 мм при нагрузке 30 кН по ГОСТ 24805.
В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 их технологические и эксплуатационные свойства.
Как видно из таблицы 2, предложенный немагнитный чугун обладает более высокими технологическими и эксплуатационными свойствами.
Немагнитный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, алюминий, хром, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий, барий, серу и азот при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| углерод | 2,8-3,5 |
| кремний | 2,1-2,5 |
| марганец | 8,0-12,0 |
| медь | 0,8-1,3 |
| алюминий | 0,3-0,7 |
| хром | 0,02-0,06 |
| редкоземельные | |
| металлы (РЗМ) | 0,02-0,05 |
| цирконий | 0,05-0,12 |
| барий | 0,02-0,06 |
| сера | 0,01-0,06 |
| азот | 0,01-0,03 |
| железо | остальное |
