Высокопрочный чугун

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. с вид-ву (22)Заявлено 01.10.80 (21) 2988981/22-02 с присоеаинением заявки М (23) Приоритет (51)M. К.в.

С 22 С 37/10

1ееуАарстеенные кеинтет

СССР ав делам наебретеннй н открытий (53) УДК 669.15- 196.018.2 (088 ° 8) Опубликовано 07. 05 ° 82 ° Ьтоллетень Рй 17

Дата опубликования описания 09 . 05. 82

В .И. Вакула, С.И. Рудюк, А.А. Маслов ; В.Н. Рябко, С.Б. Вовк, И.Г. Ермолин, В.А. Рямов, Н.Н, Ов4инникба-и Я,.А. Будагьянц

Украинский ордена Трудового Красного.Знамени научноисследовательский институт металлов ! (72) Авторы изобретения (7l) Заявитель (54) ВЦСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН

Изобретение относится к металлур- гии, в частности к производству чугу.на с шаровидным графитом, обладающего высокой твердостью и термостойкостью в литом состоянии и предназначейо для использования при изготовлении валков горячей прокатки.

Известен чугун (1) для отливки прокатных валков следующего химического состава, вес./:

Углерод . 3, 3-3» 5

Кремни и 2,0" 2,2

Марганец . 0,4-0,6

Хром 0,2-0,6

Никель 3,0-3,8

Молибден 0,3-0,5

Магний 0,03-0,06

Железо Остальное

Основным недостатком этого чугуна является невысокий уровень его термостойкости (150-200 термоц клов) из-за наличия в структуре рабочего слоя валков грубого конгломерата .фаэ - эвтектйческих карбидов (25-303) и пер2 лита, а также значительного количест ва крупных включений графита неправильной шаровидной формы; Поэтому в процессе эксплуатации валки из такого чугуна часто выходят иэ строя иэ" за выкрашивания рабочего слоя.

Известен также чугун (2j следующего химического состава, вес.Ж:

Углерод 2,2-3,4

Кремний 1,5-3,5

Марганец 3 5"6,0

Хром 0.,05-0,25

Медь 0 5 2»5

Магний 0 03-0,12

Железо Остальное

Низкий уровень его термической стойкости (15-20 термоциклов) обусловлен наличием в структуре отливок мартенсита и карбидов, расположенных по границам зерен. Поэтому, несмотря на достаточный уровень прочности . (550-580 MPa) и твердости (350 НВ), рн не может быть использован для отеивки валков горячей прокатки.

926058 4 введением в чугун 0,3-0,5r„- молибдена, о- 3,0-3,54 никеля и 1,6-2,5i меди при заданном содержании элементов-графитизаторов.

Состав предлагаемого чугуна сбалансирован таким образом, что при суммарном содержании элементов-графитизаторов (меди, никеля и кремния), находящемся в пределах от 6,0 до 0 6,9 (см. табл. 1), не происходит обеднение твердого раствора углеродом и выделение структурно свободного цементита, значительно снижающего термостойкость чугуна, При этом количество графита в чугуне не превышает

0,5-0,8 вес.l и является оптимальным для достижения высокого уровня его термической стойкости (см. табл. 2).

В тех случаях, когда содержание гра20 фитизирующих элементов превышает оптимальное (более 6,9) структура чугуна состоит из верхнего бейнита и большого количества графита, а твердость, термостойкость чугуна снижают3

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаем му результату является чугун следую щего химического состава, вес.3:

Углерод 3,4-3,7

Кремний 2,4-2,8

Марганец 0,8-1,2

Никель 1,2-1 «5 . Хром 0,35 0,8

Молибден 0,6-1, 1

Магний 0,03-0,1

Медь 0 „3-0,9

Церий 0,001-0,01

Железо Остальное

В качестве примесей чугун содержит, вес.4: сера до 0,03, фосфор до

0,1

В литом состоянии QH обладает вы соким уровнем прочности (710-715 HP и вязкости (150-300 кДж/м )«3).

Однако этот чугун также не может быть использован для отливки валков так как имеет низкую твердость (260

280 НВ) и термостойкость (140-160 т моциклов) из-за наличия в структуре отливок сечением более 200 мм до 503 среднепластинчатого перлита и феррита, расположенного вокруг глобулей графита.

Цель изобретения - повышение твер- 30 рости и термостойкости чугунами

Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод,,кремний, марганец, никель, хром, молибден, магний, медь, церий и железо, имеет следующее соотношение компонентов, вес.4:

Углерод 2,2-2,4

Кремний 1,2-1, 8

Марганец 0,1-.0 3 40

Никель 3,0-3«5

Хром 0,1" 0,3

Молибден 0,3"0«5

Магний 0,03-0,05

Медь 1,6-2,5

Ц ерий 0,01-0, 02

Железо Остальное

При этом сумма элементов - графитизаторов кремния, никеля, меди равна

6,0-6,9 °

Технология выплавки предлагаемого чугуна не изменяется по сравнению с используемой для известного сплава.

Значительное повышение твердости и термостойкости предлагаемого сплава достигается за счет формирования бейнитографитной структуры по всему сечению отливки и обеспечивается ся. Пониженное же содержание этих элементов (менее 6,0) также приводит к ухудшению всех характеристик чугуна, что объясняется выделением по границам зерен цементитной сетки.

Достаточная степень обогащения исходного аустенита предлагаемого чугуна углеродом (при прочих равных условиях) понижает температуру начала бейнитного превращения и позволяет значительно повысить твердость чугуна (см. табл. 2, составы 3-6), не снижая уровень его термостойкости. Это обусловлено тем, что увеличение содержания углерода в аустените приводит к формированию нижнего бейнита с большим количеством бейнитных карбидов, которые в отличие от карбидной фазы верхнего бейнита не выделяются по границам зерен и не имеют ориентационного соотношения с ферритными пластинами.

Предлагаемый чугун имеет пониженное (по сравнению с известным) содержание углерода, что позволяет обеспе" чить однородность структуры металла. по сечению отливки и дает возможность изготовления из него валков с глубокими ручьями. Износ таких валков в процессе эксплуатации остается равномерным, а количество переточек уменьшается. При введении в сплав менее

2«2ф углерода в металлической основе чугуна появляются участки перлита и верхнего бейнита, а его твердость и термостойкость понижаются. Введение

92605

5 же в чугун более 2,4i углерода приводит к выделению вторичного цементита по границам зерен и ухудшению всех характеристик. Этому также способст- " вует и уменьшение содержания кремния менее 1,23. Увеличение же его концентрации более 1,8:. интенсифицирует процесс графитообразования. Количест во графита возрастает более 14, а чугун характеризуется пониженным уровнем 10 твердости и термостойкости.

Наличие в чугуне молибдена и никеля, стабилизирующих аустенит, повышает твердость, прочность и термостой-, кость чугуна. При содержании их в чу- 15 гуне менее О, 3 и 3, 04, соответственно, формирование бейнитной основы затруд- нено. Увеличение содержания никеля более 3,53 приводит к появлению участков мартенсита и остаточного аусте" щ нита и снижению уровня прочностных характеристик чугуна и термостойкости. Повышение же содержания молибдена более 0,53 существенного влияния на свойства данного чугуна не оказывает и является экономически нецелесообразным.

За счет введения в чугун меди в количестве 1,6-2,5/ на 25-(0 С понижается критическая точка А„ „,что позволяет уменьшить количество молибдена и никеля, необходимое для стабильного получения бейнитной структуры, и снижает стоимость валков. Кроме этого, медь влияет на уменьшение включений фосфидной эвтектики и уменьшает количество дисперсных карбидов молибдена типа МоС и Мо,)С, связанных с эвтектикой и содержащих до 70-764 молибдена, Поэтому введение в чугун меди в количестве 1,6-2,54, повышает содержание молибдена в металлической матрице и способствует получению бейнитной структуры в более широком интерв вале концентраций легирующих элемен- 45 тов. Медь также положительно влияет на обрабатываемост.ь чугуна, несмотря на высокий уровень его твердости. При введении меди менее 1,6i в структуре чугуна появляется цементитная сетка.

Прочностные свойства и термостойкость чугуна при этом снижаются. Увеличение содержания меди в низкоуглеродистом чугуне более 2,54 также понижает прочностные характеристики и уровень тер1 55 мической стойкости, так как наблюдается ухудшение фдрмы графита и выделение меди в структурно свободном состоянии .

8 6

Влияние марганца и хрома сказывается при содержании их в чугуне не менее 0,14. За счет введения в чугун

0,1-0,34 марганца и хрома повышается твердость чугуна, его прочность и термостойкость. Растворяясь в феррите и увеличивая устойчивость карбидов бейнита, эти элементы упрочняют матрицу. Однако, при введении хрома и марганца в количестве, превышающем 0,33, не обеспечивается оптимальное соотношение графитизирующих и карбидообразующих элементо, что приводит к выделению эвтектических и вторичных карбидов по границам зерен и снижает механические свойства чугуна.

Для получения шаровидного графита в чугун вводят церий и магний. В чугуне с 0,03-0,053 магния церий в количестве 0,01-0,024, является графитизирующим модификатором и одновременно ,рафинирует расплав. При введении в чугун не менее 0,03 магния и 0,01> церия нарушение формы шаровидного графита и появление пластинчатых включений (характерное для чугунов с содержанием меди более 2i;) не наблюдается. Maгний и церий, введен" ные в чугун в количествах, превышающих оптимальные, повышают устойчи" вость структурно свободного цементита, ухудшают форму и характер распределения неметаллических включений и не оказывают положительного влияния на свойства чугуна.

Для определения механических свойств (6, 5g, à,, HB) и термостойкости чугуна по данному изобретению приготавливают 7 составов предлагаемого чугуна и 2 сплава, имеющих известный состав (см. табл. 1) . Каждый состав приготавливают путем выплавки в 200 кг индукционной печи.

В качестве шихтовых материалов ис" пользуют стальной лом, чугун ЛК-2, РеМ (45/), ГеСт (724,), никель .гранулированный, медь электролизную, РеМо (604), FeSi 754, никель-магниевую лигатуру (174 Mg) FeCe (4Я) .

Как показали данные проведенных испытаний, чугун по данному изобретению в литом состоянии (диаметр отливки 250 мм, сухая песчаная форма) имеет следующие показатели: и 725735 МРа; 4. 870-885 МРа; à q 300320 кдж/м, твердост 388-397 Н8, термостойкость 1492-1520 циклов (см. .табл. 21.

° 7 926058 .8.

Механические свойства исследован- печивает в среднем повышение твердосных чугунов в литом состоянии приве- ти в l,4 раза, термостойкости прокатдены в табл. 2. . йых валков в 10 раз.

Механические свойства определяют по стандартным методикам. Испытания Кроме того, прокатные валки из на термостойкость производят на уста- предлагаемого чугуна обеспечивают боновке для термоциклирования нагревом лее высокую производительность прообраэцов до 600еС и последующим ох- катных станов, повышается выход годлаждением водой до 20 С, что отража- ного более высоких сортов, сокращаетет условия нагрева и охлаждения вал- о ся расход металла при производстве ков на станах горячей прокатки в про- металлопроката, сокращается объем рацессе их эксплуатации. бот, связанный с заменой изношенных

Как видно из данных, предлагаемый валков новыми, повышается ритмичность чугун по сравнению с известным обес- и культура производства.

926058

I О. I

1 Х 4

1 1»1

I Y 1

1 е I а 1

1 0 I о >

CL >

Y 1

1 X I

1 X: 1

1 Ф

1 CL I

4 1 о

1:> 1

С.Э 1

Ф Ю 1

1

1

Ф !

>4>

X с

i ФО

+ + K

1 з

+ X

1 Z .466 1 %

ССФ 4

4

I 1

1» +

+ + л

Яб в a о

0Ъ Р Ъ

° Ф СО

Ю ° Ь о . о

СЧ

ln

44Ъ

О 4

° 1 т» 4

ОЪ л

О м

463

ФЬ

Ю»

Ю и ад

Л О

С>0 ъО

Ю ° а ф

1 + 1

00 Л а

ЪО ЪО

«4

Лб б В

1 I

Ф °

СЧ

О 4

1 ФЛ. I

Ф

Г 1

1 1

1 1

1 1

1 Ф 1

1 О 1

1 1

1

1 б

1 > I

I О Ф

4п

° Ь

С1

4п

° 1 О

° Ь Ю о о

О

° с о

С>0 о е

О О

» Ю о о

СЧ

О о

СЧ

Ф

С1 с х

О Ф.,а>1 Ф Z с е

1 Ф

=к

С:

ФФЪ б

„а б

4п

О 4>Ъ

O Ю

CV СЧ

ФСЪ 3

00 IA

» Ю о о

CV 4 I

4 ° °

1 <Ж =:У ф.

Ф ° 1

"e О

l а

ФСЪ

1 1

О 1 о

9 IФО

О

Ю о

-Ф о

»

«

C)

С>0

»

ФСЪ

О о

446

Ю

4» LA

Ф 1 а о

ФСЪ о о

° 1

О Сб

1 О!4

Ф X

» )

Щ 1>>

>» ФО

44X

° 1

О Ф

1

I

IA I

1 I

1 б

»

Ф

Z л

СЧ

Ф

О л

СЧ

Ю

2>в

0

З

Ф

О

Фх

Ф

О

X

О х

Ф, 1 б 1

О 4

1 E 4 б 1

6 Ф

1 ) б 1 ! . I

I 1- 1

4 О 1

1 6

4,>, 4 б

1 б б I

4 4

1 X I

1 I

4A .

° Ь

1 Ф Ъ

° ь

О О

4» X а Z

i x е 4

О 4

О Е

Ф Ф л

Ю о л

° Ь о

СЧ л

Ш

Ю.О

4 О а о б

I

LA 1

С Ъ 1

4о

4>> р>! с

О

1X

Q, )X

4 Э

M >О

ФЪ

С1

CV е . a о о

Ф Ъ

4п

СЧ С>

Ю ° с

С Ъ Oh

ФСЪ

С %

I Ф

1 1

I Ф

4 C 1

1 X. I

1 1

О 1

СЧ о

СЧ

° ь

СЧ С Ъ

Ф ° Ь

О О

<УЪ

° В, ° о

Ф

Ф

Ф о

Ю о

О

С) 1 1

Ф Ф

4 б

4 Ф

1 >Л 1

1п

СЧ

С>0 !

° б

46Ъ

ФФЪ Л

Ю ° Ь

СЧ CV

СЧ ао

С>0 IA СЧ

°

I 1

I Ю

I X

Ъ б 1

1 I I

I С-б 1

64Ъ ч@

ФО ° 4Ъ

° ФЪ

° t

СЧ

СЧ

С Ъ

Ф Ю

C4 CV

СЧ

СЧ

° 6

СЧ 6 ° X

1 а

C

ОЪ 4

З

>»

46

Iо

О

С.Э

1

1

1

1

1

1

1

1, 1

1

I

1

1

I

1

1

1

1

I

1

I

Ф

I !

I

1

1

I

I б

1

4

I

Ф

1

l

I

1

1

I

I

6

1

1 !

Ф

° Ъ .т Е О Л m

926058

Таблиц а

МРа

МРа

Твердость«

НВ

Составы чугунов

Термостой" . кость, количество циклов ан кДж/м

Извест- ный

710 870 280

715 852 260

280 141

280 159

Предлагаемый

0,03-0,05

1,6-2,5

0,01-0,02

Остальное отли чаюсумма кремния, 6,0-6,9 °

Магний

Медь

Церий

Железо

2. Чугун по и. 1, шийся тем, что никеля и меди равна

Составитель Г. Дудик

Ревактор В. Бобков Техред Ж.кастелевич Корректор М Коста

Заказ 2893/11 Тираж 657 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

11)ОЯ Москва, Ж"Я Раушская наб., а. 4/$

Филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 с с

3 735 885 310

4 727 880 300

5 731 870 320

6 725 874, 300

7 690 786 210

8 705 795 190

700 781 170, Формула изобретения

1. Высокопрочный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, ни- 3s . кель, хром, молибден, магний, медь, .церий и железо, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения твердости и термостойкости, он содержит компоненты в следующем соотношении, 40 вес.4:

Углерод 2,2-2,4

Кремний 1,2-1, 8

Марганец 0«1 0 3

Никель 3«0"3 5 45

Хром 0,1-0 3

Молибден 0,3-0,5

388 1520

388 1500

397 1497

397 1492

380 1120

363 1230

341 1180

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. ТУ14-2-158-74.

2. Авторское свидетельство СССР

И 487158, кл. С 22 С 37/00» 1974.

3. Авторское свидетельство СССР

Н 375315, кл. С 22 С 37/00, 1970.