Высокопрочный чугун

Изобретение относится К металлургии, в частности К составам высокопрочных чугунов, используемых для изготовления деталей технологической оснастки, работающих в условиях теплосмен пресс-форм, кокилей и др.Известен высокопрочный чугун 1, содержащий, мас.углерод 3,0-4,5 кремний 1,5-3,0 марганец 1,0-1,5 магний 0,02-0,08 медь, олово или сурьма 0,03-0,08 железо остальное.Известный чугун обладает недостаточной термической стойкостью и низкой трещиностойкостью. Стойкость кокилей из такого чугуна при литье медных сплавов при нагреве до 850 С не превышает 8-12 ч.Известен высокопрочный чугун 2 следующего химического состава, мас.Микроструктура отливок из этого чугуна имеет недостаточные однородность и стабильность, что снижает пластические свойства. В отливках отмечается большое содержание неметаллических включений. Чугун имеет низкие упруго-пластические свойства,стойкость к тепловым ударам и эксплуатационную стойкость в условиях теплосмен при нагреве 600-850 С.Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является высокопрочный чугун 3, содержащий, мас.В качестве примесей чугун может содержать фосфор до 0,18 и серу до 0,03 мас. . Данный высокопрочный чугун в литых изделиях обеспечивает следующие механические свойства после отпуска и стабилизации структуры при 580-600 С в течение 6 чвременное сопротивление при растяжении, МПа 490-590 твердость, НВ 248-269 сопротивление задиру, МПа 18,3-21,6 относительное удлинение, 1,7-2,3 износостойкость при 600 С, мг/м 2 гс 245-315Недостатком чугуна является низкая сопротивляемость тепловым ударам в условиях термоциклирования при нагреве до 600-850 С. Отмечается недостаточная износостойкость. При повышенном содержании хрома, углерода и кремния в чугуне усиливается ликвация, снижаются фактор формы графита и ударная вязкость.Задача изобретения - повышение эксплуатационных свойств в условиях теплосмен. Поставленная задача достигается тем, что высокопрочный чугун, содержит углерод, кремний, марганец, никель, медь, магний, алюминий, молибден, ванадий, кальций, хром редкоземельный металл и железо, причем в качестве редкоземельного металла содержит церий и дополнительно содержит титан, цирконий и барий при следующем соотношении компонентов, мас.Существенными отличиями предложенного чугуна являются микролегирование его титаном и цирконием и модифицирование барием, что значительно повышает сопротивляемость тепловым ударам и эксплуатационные свойства в условиях теплосмен.Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Это позволяет сделать вывод о том, что заявляемое техническое решение является новым.Дополнительное введение циркония обусловлено тем, что он обладает эффектом измельчения и инвертирования структуры, оказывает микролегирующее воздействие, повышает стабильность структуры в условиях тепловых ударов и ее термическую и эксплуатационную стойкость, что обеспечивает существенное повышение сопротивляемости высокопрочного чугуна термическим ударам. При повышении концентрации более 0,35 мас. увеличивается количество дефектов кристаллической решетки металлической основы, неметаллических включений по границам зерен, ухудшается фактор формы графитнь 1 х включений, повышаются термические напряжения, что снижает технологическую пластичность, трещиностойкость и сопротивляемость термическим ударам. Нижний предел концентрации циркония обусловлен его недостаточным микролегирующим влиянием на структуру и низкими эксплуатационными свойствами чугуна в условиях термических ударов и истирания.Дополнительное введение бария обусловлено его модифицирующим воздействием,улучшением фактора формы графита и морфологии структуры, повышением упруго В 19859 С 12007.10.30пластических свойств, термической стойкости, что способствует увеличению сопротивляемости чугуна тепловым ударам. При концентрации его до 0,005 мас. модифицируюший эффект и повышение сопротивляемости тепловым ударам недостаточны, а при концентрации более 0,02 мас. возрастает угар, увеличивается количество неметаллических включений по границам зерен, снижаются упруго-пластические свойства, сопротивляемость термическим ударам и эксплуатационная стойкость.Дополнительное введение титана в количестве 0,03-0,15 мас. микролегирует расплав, измельчает структуру и способствует повышению термической стойкости и вязкости разрушения при сохранении эксплуатационных прочностных свойств. Нижний предел концентрации (0,03 мас. ) принят от содержания, с которого начинает сказываться его влияние на структуру и свойства чугуна, но при увеличении концентрации титана более 0,15 мас. снижаются пластические свойства, удароустойчивость и термостойкость.Никель повышает стабильность структуры, способствует измельчению и упрочнению матрицы, очишает границы зерен, снижает загрязненность чугуна неметаллическими включениями, служит микролегируюшей добавкой, повышает однородность структуры,термическую стойкость, эксплуатационные и пластические свойства. При концентрации его до 1,41 мас. микролегируюЩий эффект недостаточен, а при повышении его содержания более 3,27 мас. увеличивается содержание неметаллических включений и неоднородность структуры, снижается технологическая пластичность, динамическая прочность и эксплуатационные свойства при работе в условиях теплосмен.Алюминий в количестве 0,02-0,08 мас. измельчает структуру, образуя нитриды, служашие дополнительными центрами графитизации, способствует повышению сопротивляемости задиру, износостойкости, трешиностойкости, технологических и эксплуатационных свойств. При концентрации алюминия до 0,02 мас. его влияние на дисперсность структуры, пластичность, технологические и эксплуатационные свойства недостаточно, а при увеличении его концентрации более 0,08 мас. повышается содержание неметаллических включений по границам зерен, что снижает трешиностойкость, стабильность структуры, технологических и служебных свойств.Церий введен в качестве отбеливаюшего и сфероидизируюшего компонента в количестве 0,02-0,05 мас. , измельчаюшего структуру литого и отожженного металла, увеличиваюшего стабильность механических свойств и способствуюшего повышению выносливости и ударно-усталостной прочности в условиях знакопеременных нагрузок и пластических свойств. Нижняя концентрация церия принята от содержания (0,02 мас. ), при котором исключается образование в литом металле свободного графита, а верхний предел концентрации ограничен содержанием 0,05 мас. , выше которого увеличивается загрязненность границ зерен и хрупкость чугуна, сушественно удлиняется цикл отжига и снижается пластичность, динамическая прочность и эксплуатационные свойства после низкотемпературной изотермической выдержки.Граничные параметры содержания углерода (2,8-3,2 мас. ) и кремния (2,6-3,2, мас. ) определены исходя из практики производства высокопрочных чугунов с повышенными пластическими свойствами, износостойкостью и термической стойкостью. При концентрации углерода более 3,2 мас. и кремния более 3,2 мас. снижаются трешиностойкость, предел выносливости, термическая стойкость, ударная вязкость и другие механические и эксплуатационные свойства чугуна, а при концентрации углерода до 2,8 мас. и кремния до 2,6 мас. возрастают термические напряжения, снижаются трешиноустойчивость, термическая стойкость, ударная вязкость и другие пластические свойства в отливках, что снижает эксплуатационную стойкость чугуна в условиях теплосмен при нагреве.Ванадий введен как эффективный микролегируюЩий и упрочняюший компонент, усиливаюЩий эффект измельчения матрицы и графитных включений, обеспечиваюший однородность структуры и повышение термической и эксплуатационной стойкости и упруго-пластических свойств и их стабильности. Верхний предел концентрации ванадия(0,12 мас. ) обусловлен усилением отбела, снижением технологической пластичности чугуна и увеличением склонности К трещинам при более высоком его содержании, что снижает эксплуатационные и упруго-пластические свойства. При концентрации ванадия менее 0,02 укрупняется структура, и снижаются динамическая прочность, предел текучести, термическая и эксплуатационная стойкость.Содержание легирующих добавок (марганец 0,2-0,7 мас. , молибден 1,1-2,7 мас. ,медь 1,1-2,3 мас. , хром 0,О 3-0,30 мас. ) обусловлено существенным повышением термической стойкости, технологической пластичности и прочности и ограничено пределами, ниже которых ударная вязкость, теплопрочность, технологическая пластичность и прочностные свойства недостаточные, а выше которых - увеличиваются термические напряжения и снижаются пластические свойства, термическая стойкость, предел вь 1 носливости, ударная вязкость и эксплуатационные свойства.Олово исключено из состава чугуна ввиду его дефицитности и незначительного влияния на термическую стойкость и эксплуатационные свойства.Введение кальция 0,002-0,027 мас. и магния 0,03-0,07 мас. обусловлено их вь 1 сокой модифицирующей эффективностью и поверхностной активностью, которые в этих количествах обеспечивают очистку границ зерен, повышение пластических свойств, трещиноустойчивости, стойкости в условиях теплосмен и технологической пластичности. Их содержание обусловлено пределами, обеспечивающими получение дисперсной и однородной структуры в отливках шаровидного графита в чугуне и необходимых эксплуатационных и механических свойств, а также стабильной структуры после термической обработки и в процессе эксплуатации. При увеличении их концентрации выше верхних пределов снижаются эксплуатационные свойства и увеличивается их угар.Пример конкретного выполнения способа.Опытные плавки чугунов проводили в индукционных печах с использованием в качестве шихтовых материалов литейных чугунов, полуфабрикатного никеля, ферротитана,чугунного и стального лома, феррованадия, ферромолибдена, силикомарганца, циркония,силикобария, ферросилиция и других ферросплавов. Микролегирование чугуна медью,цирконием, феррованадием ФВд 2, ферротитаном, силикомарганцем СМн 17 Н проводили в электропечи в конце плавки при температуре 1500-1520 С, а модифицирование силикокальцием СКЗО, ферроцерием (ТУ 1243-75), силикобарием, сплавами магния - непосредственно в раздаточных литейных ковшах.В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.Химический состав чугуна проверяли по ГОСТ 22536-0-77, ГОСТ 22536, 13-77, а остаточное содержание азота, степень усвоения определяли по методике количественного дифференцированного химического анализа сплавов, разработанной в ЦНИИЧМ. Испь 1 тания показали, что предложенный чугун может быть использован для изготовления литых деталей повышенной прочности, износостойкости и эксплуатационной стойкости.Эксплуатационную стойкость определяли по стойкости металлических форм при заливке в них медноникелевых сплавов.В табл. 2 приведены данные о механических и эксплуатационных свойствах. Механические свойства и термическую стойкость определяли на стандартных образцах, а сопротивляемость термическим ударам и износостойкость - на образцах, вырезанных из отливок после термической обработки, включающей изотермическую выдержку при 400-420 С.Стойкость в условиях сложного вибрационного нагружения при растяжении-сжатии с частотой нагрузки, равной частоте толкающего усилия, проводили на электродинамических вибрационных стендах ВЭДС-200 М.Сопоставительный анализ эксплуатационной стойкости и затрат на производство чугунов показал, что от использования предложенного чугуна вместо известного может достигаться экономический эффект до 14500 руб. на тонну годного литья.