Серый модифицированный чугун

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Карпенко Михаил Иванович Марукович Евгений Игнатьевич Душко Сергей Олегович Стригалев Сергей Иванович Артеменко Николай Павлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Серый модифицированный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор,серу, хром, никель и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит медь, барий и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,0-3,5 кремний 1,6-2,0 марганец 0,7-1,0 фосфор 0,1-0,3 сера 0,02-0,12 хром 0,12-0,50 никель 0,10-0,40 медь 0,05-0,08 барий 0,002-0,020 алюминий 0,002-0,010 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым модифицированным чугунам для изготовления кокилей и нагреваемой литейной оснастки с высокими эксплуатационными свойствами. Известны серые чугуны с пластинчатым графитом марок СЧ 20 и СЧ 25 (ГОСТ 1412-85) 1, рекомендованные для изготовления рабочих стенок кокилей 2. Они широко используются в чугунолитейных цехах, например, на Гомельском литейном заводе Центролит и на заводе литья и нормалей ПО Гомсельмаш. Однако эти чугуны не обеспечивают на 12166 1 2009.08.30 греваемой оснастке необходимой термической стойкости, высоких механических и эксплуатационных свойств. Известен также специальный чугун для изготовления модельных плит и другой нагреваемой оснастки 3, содержащий, мас.углерод 3,2-3,4 кремний 2,2-2,6 марганец 0,77-0,88 фосфор 0,40-0,47 сера 0,01-0,02 никель 2,5-3,5 хром 0,5-0,6 железо остальное. Высокие концентрации фосфора и кремния в этом чугуне снижают термическую стойкость, трещиностойкость, эксплуатационную стойкость кокилей и другой нагреваемой оснастки. Кроме того, оснастка из этого чугуна требует длительной термической обработки(отжига), так как имеет высокие остаточные напряжения в литом состоянии. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является серый модифицированный чугун 4, следующего химического состава, мас.углерод 3,0-3,3 кремний 1,6-1,9 марганец 0,7-1,0 фосфор до 0,3 сера до 0,12 хром 0,3-0,4 никель 0,10-0,12 железо остальное. Этот чугун обеспечивает в структуре литой оснастки перлитную металлическую основу твердостью от 212 до 235 НВ. Предел прочности чугуна при изгибе составляет 410-440 МПа. Величина остаточных термических напряжений в отливках - 23-28 МПа. Отмечаются недостаточные характеристики термической и эксплуатационной стойкости металлических форм, дисперсности металлической основы (ПД 1,0 ПД 1,4 по ГОСТ 3443-87), трещиностойкости и ударно-усталостной долговечности чугуна в литых изделиях. Задача изобретения - повышение дисперсности структуры, трещиностойкости, термической и эксплуатационной стойкости. Поставленная задача решается тем, что серый модифицированный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель и железо, дополнительно содержит медь, барий и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,0-3,5 кремний 1,6-2,0 марганец 0,7-1,0 фосфор 0,1-0,3 сера 0,02-0,12 хром 0,12-0,50 никель 0,1-0,40 медь 0,05-0,08 барий 0,002-0,02 алюминий 0,002-0,010 железо остальное. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отли 2 12166 1 2009.08.30 чия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в задаче изобретения. Медь, хром и никель являются основными микролегирующими элементами, обеспечивающими повышенные характеристики механических свойств чугуна, трещиностойкости, термической и эксплуатационной стойкости нагреваемой технологической оснастки. Дополнительное введение в чугун меди обусловлено существенным графитизирующим влиянием ее на структуру, на снижение остаточных термических напряжений и на повышение прочности, теплостойкости, износостойкости и трещиностойкости. При повышении содержания меди более 0,08 увеличиваются теплопроводность, неоднородность структуры и снижаются характеристики предела прочности при изгибе, трещиностойкости и удароустойчивости. При концентрации меди менее 0,05 дисперсность структуры,термостойкость, трещиностойкость и эксплуатационные свойства недостаточны. Введение хрома в количестве 0,12-0,50 обусловлено существенным влиянием его на измельчение дисперсности структуры, повышение твердости, термической стойкости, теплостойкости и износостойкости. При увеличении его содержания более 0,50 увеличивается содержание карбидов в структуре и ее неоднородность, снижаются характеристики предела прочности при изгибе и удароустойчивости. При концентрации хрома менее 0,12 дисперсность структуры, термическая стойкость, износостойкость и эксплуатационные свойства недостаточны. Никель в количестве 0,10-0,40 упрочняет металлическую основу чугуна, повышает дисперсность структуры и термическую стойкость, механические и эксплуатационные свойства. При увеличении содержания никеля более 0,40 увеличивается неоднородность структуры и снижаются трещиностойкость и удароустойчивость. При концентрации никеля менее 0,10 термическая стойкость, механические и эксплуатационные свойства чугуна недостаточны. Дополнительное введение бария в чугун в количестве 0,002-0,020 связано с его высоким модифицирующим влиянием на структуру, механические и эксплуатационные свойства. При увеличении содержания бария более 0,020 увеличивается угар, неоднородность структуры и снижаются удароустойчивость и термическая стойкость. При концентрации бария менее 0,002 модифицирующий эффект, механические и эксплуатационные свойства чугуна недостаточны. Содержание углерода и кремния принято исходя из опыта производства термостойких чугунов с низкими остаточными термическими напряжениями, мелкозернистой перлитной структурой и высокими характеристиками термической стойкости. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,5 и 2,0 в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, ударно-усталостной долговечности, трещиностойкости и эксплуатационных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,0 и 1,6 повышаются остаточные термические напряжения и содержание ледебурита в структуре, снижаются трещиностойкость и удароустойчивость. Дополнительное введение алюминия в чугун оказывает модифицирующее влияние,связывает азот в нитриды, повышая дисперсность структуры, механические и эксплуатационные свойства. При увеличении содержания алюминия более 0,010 увеличивается угар, неоднородность структуры и снижаются удароустойчивость и термическая стойкость. При концентрации алюминия менее 0,002 модифицирующий эффект, механические и эксплуатационные свойства недостаточны. Сера при концентрации более 0,12 снижает термическую стойкость, механические и эксплуатационные свойства чугуна в литых изделиях. Нижний предел концентрации серы обусловлен невозможностью практически при плавке в существующих чугунолитейных цехах выплавлять чугун с более низким ее содержанием. 3 12166 1 2009.08.30 Содержания фосфора в чугуне от 0,1 до 0,3 существенно измельчает структуру чугуна в литых изделиях и повышает литейные свойства и износостойкость чугуна. При содержании фосфора до 0,1 дисперсность структуры, технологические и другие свойства недостаточны, а при увеличении его концентрации более 0,3 снижаются характеристики термической стойкости, удароустойчивости, ударной вязкости и ударно-усталостной долговечности. Марганец в количестве от 0,7 до 1,0 оказывает микролегирующее влияние на структуру и способствует повышению трещиностойкости, механических и эксплуатационных свойств. При увеличении концентрации марганца более 1,0 увеличиваются остаточные напряжения и отбел в литых изделиях, снижается трещиностойкость, а при уменьшении концентрации марганца менее 0,7 повышается содержание в структуре феррита и снижаются эксплуатационные характеристики чугуна. Опытные плавки чугуна доэвтектического состава производили в тигельных индукционных печах с использованием в качестве шихтовых материалов литейных чугунов Л 3 и Л 5, чугунного лома марок 16 А и 17 А, стального лома 1 А, углеродистого феррохрома, никеля НП-3, ферромарганца ФМн 75, меди МО и доменного феррофосфора ФФ 16. При выпуске чугуна в ковш его температура составляла 1380-1410 С. Экзотермические таблетки на основе алюминия и измельченный ферросилиций с содержанием 4 -5 бария вводили на дно ковша перед заливкой чугуна. Заливку модифицированного чугуна с температурой 1340-1370 С производили в песчано-глинистые формы для получения технологических проб образцов для механических испытаний, металлической модельной оснастки и кокилей. В табл. 1 приведены химические составы известного и предложенного чугунов опытных плавок. Остаточные термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Механические испытания (по ГОСТ 27208-87), определение склонности к трещинообразованию, термические испытания при термоциклировании были проведены на стандартных образцах и технологических пробах на чугунах в литом состоянии по общепринятым методикам, а эксплуатационные испытания - на кокильной и модельной оснастке при изготовлении крышек люков и других отливок из чугуна СЧ 15. Результаты механических и эксплуатационных испытаний чугуна приведены в табл. 2. Исследования микроструктуры показали, что при использовании чугунов составов 3, 4 и 5 в стандартных 30 мм образцах в модельной и кокильной оснастке в структуре содержалось от 85 до 96 и от 4 до 15 феррита с пластинчатым графитом, имеющим форму ПГф 2 (в образцах чугунов 3 и 5) и ПГф 4 (в образцах чугуна 4) по ГОСТ 3443-87. Цементита и ледебурита в структуре этих чугунов не обнаружено. Таблица 1 Содержание компонентов в чугунах, мас. Компоненты Углерод Кремний Марганец Фосфор Сера Хром Никель Медь Барий Алюминий Железо 12166 1 2009.08.30 Как видно из табл. 2, предложенный чугун обеспечивает литым изделиям более высокие характеристики термической стойкости, механических и эксплуатационных свойств,чем известный. Таблица 2 Показатели Свойства серых модифицированных чугунов для составов 1 (изв.) Предел прочности при изгибе,МПа Твердость, НВ Склонность к трещинообразованию (количества трещин в пробе) Ударно-усталостная долговечность, тыс. цикл. Термостойкость, циклов Остаточные термические напряжения, МПа Дисперсность структуры Эксплуатационная стойкость заливок Источники информации 1. ГОСТ 1412-85. 2. Специальные способы литья Справочник / Под ред. В.А. Ефимова. - М. Машиностроение, 1991. - С. 98. 3. Справочник по чугунному литью / Под ред. Н.Г. Гиршовича. - Л. Машиностроение,1978. - С. 518. 4. Липницкий Литье в металлические формы. - Ленинград Машиностроение,1980. - С. 31. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5