Чугун

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Институт технологии металлов НАНБ(72) Авторы Марукович Евгений Игнатьевич Карпенко Михаил Иванович Шпаковский Владимир Иванович Чудаков Сергей Романович Земцов Валерий Александрович Мельдзюк Артур Казимирович Соловей Александр Геннадьевич(73) Патентообладатель Институт технологии металлов НАНБ(57) Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, алюминий, кальций, азот, фосфор и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит хром, никель и серу при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,58-3,86 кремний 1,8-2,95 марганец 0,50-0,65 медь 0,09-0,15 алюминий 0,01-0,07 кальций 0,002-0,007 азот 0,002-0,006 фосфор 0,11-0,19 хром 0,08-1,13 никель 0,04-0,18 сера 0,01-0,08 железо остальное. 5870 1 Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов высокопрочных чугунов со стабильными технологическими свойствами. Известен чугун (патент Японии 12264, МПК С 22 С 37/10, 1970) следующего химического состава, мас.углерод 1,7-3,8 кремний до 2,5 марганец до 1,0 титан до 0,15 цирконий до 0,3 железо и необязательные компоненты остальное. В качестве необязательных компонентов данный чугун может содержать хром, никель,молибден, ванадий, вольфрам, кобальт, алюминий, бериллий, теллур, ниобий и тантал. Известный чугун обладает высокими характеристиками прочности, твердости и жидкотекучести, но недостаточными упругопластическими свойствами. При низких концентрациях углерода и кремния на литых тонкостенных заготовках обнаруживается отбел. Известен также чугун (патент Великобритании 1158149, С 7 А, 1969), содержащий,мас.углерод 2,0-4,0 кремний до 2,0 марганец 1,6-6,0 молибден до 1,0 медь до 2,5 железо остальное. Высокое содержание марганца увеличивает отбел, при низких концентрациях углерода и кремния снижаются технологические свойства, а твердость достигает 500 НВ и более. По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким к предложенному является чугун (А.с. СССР 1543245, МПК С 22 С 37/10, 1990), содержащий, мас.углерод 3,4-3,9 кремний 1,7-2,1 марганец 0,1-0,3 медь 0,02-0,07 алюминий 0,01-0,07 кальций 0,002-0,010 церий 0,002-0,007 фосфиды марганца 0,012-0,075 азот 0,002-0,006 железо остальное. Известный чугун обладает следующими механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами жидкотекучесть, см 79,5-82,0 остаточные напряжения в отливках, МПа 7,1-12,5 твердость, НВ 200-287 трещиностойкость, см 9,0-15 105-132 электроэрозионная стойкость, г/м 2 гс кольцевая прочность при изгибе, МПа 320-415 относительное удлинение при растяжении,0,5-2,1 2 динамическая прочность, Дж/см 13,0-22 контактно-усталостная долговечность, МПа 570-790. К недостаткам данного чугуна можно отнести его низкие и нестабильные упругопластические свойства и кольцевую прочность, что затрудняет его использование при изготовлении труб, трубных заготовок и тонкостенных профилей и снижает контактно-усталостную долговечность литых заготовок. 2 5870 1 Технической задачей, которую решает данное изобретение, является повышение кольцевой прочности и упругопластических свойств чугуна в отливках и их стабильности. Поставленная задача достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, алюминий, кальций, азот, фосфор и железо, дополнительно содержит хром,никель и серу при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,58-3,86 кремний 1,8-2,95 марганец 0,50-0,65 медь 0,09-0,15 алюминий 0,01-0,07 кальций 0,002-0,007 азот 0,002-0,006 фосфор 0,11-0,19 хром 0,08-1,13 никель 0,04-0,18 сера 0,01-0,08 железо остальное. Существенными отличиями предложенного чугуна является дополнительное введение 0,08-1,13 хрома, 0,04-0,18 никеля и 0,01-0,08 серы и повышение концентрации меди до 0,09-0,15 , марганца до 0,5-0,65 и фосфора до 0,11-0,19 , что обусловливает значительное повышение кольцевой прочности и упругопластических свойств и их стабильности. Церий повышает угар металла и отбел отливок, поэтому он исключен из состава чугуна. Выбор граничных пределов содержания компонентов в чугуне предложенного состава обусловлен следующим. Дополнительное введение хрома обусловлено повышением дисперсности структуры,упругопластических свойств и кольцевой прочности. При концентрации хрома до 0,08 его влияние на структуру и свойства чугуна незначительные, а при увеличении его содержания более 1,13 увеличивается отбел и снижается стабильность упругопластических свойств. Введение 0,01-0,08 серы связано со стабилизирующим влиянием на структуру и кольцевую прочность чугуна в отливках. Сера, как и хром является отбеливающим компонентом, но менее дефицитным и дорогим, но уже при концентрации серы более 0,08 увеличивается отбел, что снижает ударную вязкость и другие пластические свойства чугуна. При содержании серы до 0,01 ее влияние на структуру и кольцевую прочность проявляется слабее, а для производства чугуна требуются более качественные исходные материалы. Дополнительное введение никеля (0,04-0,18 ) обусловлено его эффективным микролегирующим влиянием на структуру и на стабильность механических и технологических свойств чугуна. Стабильность свойств начинает проявляться с концентрации никеля 0,04 , а при содержании его более 0,18 повышается твердость отливок и снижаются его пластические свойства. Медь (0,09-0,15 ) и алюминий (0,01-0,07 ) являются графитизирующими микролегирующими компонентами, повышающими стабильность структуры в литом состоянии,механические, технологические и эксплуатационные свойства. Их графитизирующее и стабилизирующее влияние начинает сказываться с концентраций выше нижних пределов,а при увеличении концентрации меди более 0,15 и алюминия более 0,07 снижаются кольцевая прочность, упругопластические свойства и их стабильность. АлюмиКальций Церий Фосфор ний 5870 1 Кальций (0,002-0,007 ) является эффективным раскислителем и модифицирующей структуру добавкой. При концентрации его менее нижних пределов стабильность упругопластических свойств и технологические свойства чугуна низкие. При повышении концентрации его выше верхнего предела увеличивается угар и стабильность структуры и свойств чугуна. Верхний предел концентрации кальция (0,007 ) снижен в сравнении с прототипом и соответствует пределу его растворимости в чугуне. Содержание углерода (3,58-3,86 ) и кремния (1,8-2,95 ) обеспечивает исключение образования эвтектического цементита в структуре, отсутствие отбела в отливках и повышенную стабильность упругопластических свойств. При концентрациях углерода и кремния менее нижних пределов появляется отбел, снижается пластичность чугуна, а при концентрации более верхних пределов укрупняется структура чугуна в отливках и снижаются трещиностойкость, динамическая и кольцевая прочность. Азот в количестве 0,002-0,006 способствует повышению дисперсности структуры благодаря образованию нитридов и ее стабильности, повышению пластичности и ударной вязкости чугуна. Нижний предел принят на прежнем уровне, когда начинает проявляться его влияние на структуру и упругопластические свойства, верхний предел концентрации азота повышен до 0,01 в связи с повышенной концентрацией введенного нитридообразующего элемента - хрома. Для повышения упругопластических свойств и их стабильности концентрация фосфора повышена до 0,11-0,19 . При содержании фосфора до 0,11 кольцевая прочность и ударная вязкость и их стабильность недостаточны, а при повышении концентрации фосфора более 0,19 наблюдается выделение фосфидов по границам зерен литого металла, что снижает упругопластические свойства. Опытные плавки чугуна проведены в индукционной печи модели ИСТ-0,16. В качестве шихтовых материалов использовались литейные чугуны, стальной и чугунный лом, возврат производства, ферромарганец, медь, никель НЗ, феррохром, феррофосфор и другие ферросплавы. Температура чугуна перед выпуском в разливочные чайниковые ковши - 1500-1520 С. Модифицирование чугуна силикокальцием, ферроцерием проводят в ковшах при температуре 1450-1470 С. Разливку чугуна при температуре 13201370 С проводят на установке полунепрерывного литья труб 100 мм. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в табл. 2 - результаты механических и технологических испытаний. Испытания кольцевой прочности на изгиб производились на кольцевых пробах шириной 250,5 мм, отрезанных от гладких концов труб, по стандартной методике. Кольцевые пробы при испытании поддерживались двумя диаметрально расположенными опорами и загружались посредством этих опор изнутри. Испытания динамической прочности проводились на копре на образцах 555510 мм типа 8 по методике в соответствии с ГОСТ 9454-78. Усталостные испытания проводились на машине УРМ-2000 при частоте нагружения 40 Гц. Испытания на остаточные термические напряжения чугуна в отливках и их трещиностойкость проводились на стандартных технологических пробах. Электроабразивную стойкость определяли на цилиндрических 16 мм образцах на электроэрозионной установке с использованием переменного тока короткого замыкания от 250 до 280 А и частоты короткого замыкания 60 мин-1. Как видно из табл. 2, предлагаемый чугун обладает более высокими и стабильными характеристиками механических и технологических свойств. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.