Патент на изобретение №2267542
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
(54) ЧУГУН, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ НЕГО
(57) Реферат:
Изобретение относится к металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. Может использоваться при производстве литых изделий с высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,23-4,08; кремний 2,76-3,89; марганец 0,20-0,47; молибден 0,15-0,48; алюминий 0,02-0,08; магний 0,02-0,05; барий 0,03-0,10; кальций 0,008-0,018; РЗМ 0,02-0,06; железо и примеси – остальное. Плавку чугуна ведут в индукционных электропечах. При модифицировании используют чугунную решетку, пригружающую модифицирующую смесь, содержащую, мас.%: силикобарий 9,0-10,5; плавиковый шпат 12-15; лигатура – остальное. Лигатура содержит, мас.%: кремний 45-55; магний 6-9; кальций 3-7; РЗМ 3-8; алюминий 1-3; железо – остальное. Общее количество смеси – 2,8-3,5% от массы чугуна, а масса решетки – 1,5-2% от массы чугуна. При термообработке отливок проводят гомогенизирующий отжиг при 950-1000°С, 3-5 часов, ферритизирующий отжиг путем охлаждения с печью до 780-720°С выдержки при этой температуре 2,5-3 часа и последующего медленного охлаждения с печью до 650-600°С. Затем проводят быстрое охлаждение на воздухе или в воде до комнатной температуры и искусственное старение путем нагрева до 350-420°С с выдержкой 2-3 часа. Техническим результатом является повышение пластичности, ударной вязкости при сохранении повышенной прочности. 3 н.п. ф-лы, 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокой прочностью, пластичностью и ударной вязкостью. Сочетание высоких механических свойств, включая повышенные значения пластичности и ударной вязкости, в чугунах с шаровидным графитом получают путем выбора необходимого химического состава, способа плавки и сфероидизирующего модифицирования чугуна и способа термической обработки отливок. Известен высокопрочный чугун марки ВЧ 40 (ГОСТ 7293-85), обладающий повышенными прочностными свойствами, пластичностью и ударной вязкостью. Рекомендуемый химический состав этого чугуна для отливок с толщиной стенки до 100 мм включает [1], мас.%:
В качестве примесей в составе чугуна содержатся, мас.%: фосфор до 0,05, сера до 0,02, хром до 0,1. Сфероидизация графита осуществляется обычно путем обработки жидкого чугуна магнийсодержащими присадками или комплексными модификаторами. В качестве термической обработки используют ферритизирующий отжиг при 680-800°С. Получение чугуна ВЧ 40 обеспечивается, в частности, составом [2], включающим, мас.%:
К недостаткам этого чугуна относятся недостаточная стабильность свойств, заключающаяся в слишком большом разбросе возможных значений пластичности и ударной вязкости, и резкое падение ударной вязкости при отрицательных температурах. Наиболее близким к предлагаемому является чугун [3], содержащий, мас.%:
Этот чугун имеет перлитную структуру металлической основы и обладает высокими прочностными свойствами. Недостатки чугуна определяются его перлитной структурой и заключаются в недостаточных значениях ударной вязкости и пластичности. Наиболее близким к предлагаемому способу является способ получения чугуна [4], включающий выплавку чугуна и обработку его расплава в разливочном ковше модифицирующей смесью компонентов, содержащей, мас.%:
причем общее количество смеси составляет 4,5-6% от массы чугуна, а лигатура содержит, мас.%:
Этот способ обеспечивает снижение пироэффекта при модифицировании, повышение степени усвоения магния, повышение стабильности процесса модифицирования и стабилизацию твердости чугуна в отливках. Недостатками способа являются невозможность обеспечения высокой пластичности и ударной вязкости чугуна как из-за перлитизации его структуры, так и из-за недостаточной очистки чугуна от примесей. Для обеспечения ферритной структуры чугуна наиболее близким является способ термической обработки [5], включающий гомогенизацию при 900-1000°С, охлаждение и выдержку при 700-760°С, отпуск при 200°С. Этот способ обеспечивает повышение пластичности и ударной вязкости чугуна, в том числе и при отрицательных температурах. Однако при этом способе не обеспечиваются достаточно высокие прочностные свойства чугуна. Задача изобретения – получение чугуна с шаровидным графитом, гомогенизированным и упрочненным ферритом. Технический результат – повышение пластичности и ударной вязкости, в том числе и при низких температурах, при сохранении повышенной прочности чугуна. Это достигается тем, что: 1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, кальций, РЗМ, примеси и железо, дополнительно содержит барий и молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
причем общее остаточное содержание элементов модификатора должно отвечать условию П=Mg+Ва+Са+РЗМ = 0,112-0,188, мас.%. В качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0, 03, сера до 0,015, хром до 0,05. 2. В способе получения чугуна, включающем выплавку чугуна и обработку его расплава в разливочном ковше модифицирующей смесью компонентов, содержащей измельченную лигатуру, силикобарий и плавиковый шпат, плавку чугуна ведут в индукционных электропечах, при модифицировании используют специально отливаемую чугунную решетку, пригружающую смесь, а сама смесь содержит компоненты при следующем их соотношении, мас.%:
причем общее количество смеси составляет от массы чугуна 2,8-3,5% при массе решетки 1,5-2%, а лигатура содержит, мас.%:
3. В способ термической обработки, включающий гомогенизацию, охлаждение и выдержку, введена дополнительная операция искусственного старения при следующем сочетании операций:
Изменения в химический состав выплавляемого чугуна введены с целью стабильного получения без отбела отливок с разной толщиной стенки, максимальной ферритизации структуры чугуна в отливках и обеспечения необходимых свойств чугуна после термической обработки. В чугуне увеличено содержание кремния, который является основным элементом-ферритизатором. При содержании кремния менее 2,76% в структуре чугуна в тонкостенных отливках происходит значительная перлитизация (более 50%) и даже появляется заметный отбел. Вместе с тем после термической обработки в этом случае трудно получить повышенные прочностные свойства при высоких значениях пластичности и ударной вязкости. При увеличении содержания кремния более 3,89% заметно снижаются пластичность и ударная вязкость термообработанного чугуна. Содержание марганца не должно превышать 0,47%, т.к. при большем содержании увеличивается склонность чугуна к перлитизации структуры и отбелу в отливках, что затрудняет проведение процесса гомогенизации и приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна. Минимальное количество марганца в чугуне, составляющее 0,2%, соответствует его содержанию в качестве технической примеси и практически не может быть уменьшено при использовании обычных шихтовых материалов. Более низкое содержание марганца в известном чугуне связано с использованием специальных шихтовых материалов, что приводит к удорожанию чугуна. Молибден в составе данного чугуна используется для устранения или уменьшения ферритной хрупкости, что особенно важно при структуре с гетерогенизированным ферритом. При содержании менее 0,15 мас.% молибдена эта его роль практически не проявляется, а при содержании более 0,48 мас.% происходит существенное удорожание чугуна, появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость. Содержание алюминия в составе чугуна увеличено с целью уменьшения склонности чугуна к отбелу и увеличения степени ферритизации структуры. При содержании менее 0,02% влияние алюминия не проявляется. Содержание алюминия более 0,08% может приводить к снижению стабильности свойств, прежде всего ударной вязкости. Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна в литом состоянии. При содержании углерода менее 3,23 мас.% уменьшается степень ферритизации структуры, становится возможным образование перлита и повышение твердости. Если в чугуне содержится более 4,08 мас.% углерода, в его структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации), что может проявляться в снижении всех механических свойств чугуна. Параметр П, характеризующий суммарное содержание в чугуне элементов комплексного модификатора, должен быть не менее 0,112%. В противном случае степень рафинирования чугуна и сфероидизации графита оказывается недостаточной. При П более 0,188% повышенный расход модификатора, удорожая чугун, не приводит к повышению его свойств, наоборот, при этом возможно даже перемодифицирование чугуна с ухудшением формы графитных включений. Содержание магния рекомендуется в пределах 0,02-0,05 мас.%. Если остаточное содержание магния менее 0,02 мас.%, то результаты модифицирования нестабильны. Увеличение содержания магния более 0,05 мас.% нецелесообразно, так как это не повышает свойства чугуна. Кальций играет роль десульфуратора и раскислителя, существенно уменьшая расход магния и РЗМ. Содержание менее 0,008 мас. % кальция соответствует чугуну, не модифицированному кальцием. Слишком большой расход кальция, соответствующий остаточному содержанию более 0,018 мас.%, увеличивает количество неметаллических включений, ухудшает усвоение модификатора и снижает свойства чугуна. РЗМ вводятся с целью нейтрализации элементов, оказывающих на графит десфероидизирующее действие (например, алюминия и различных микропримесей). При содержании менее 0,02 мас.% РЗМ полная сфероидизация графита не обеспечивается. Повышение содержания РЗМ более 0,06 мас.% нецелесообразно, так как не оказывает положительного эффекта, но удорожает чугун. Дополнительно в состав чугуна введен барий (в виде силикобария в составе комплексного модификатора). Совместно с другими компонентами комплексного модификатора он обеспечивает глубокое рафинирование чугуна, полное устранение отбела и ферритизацию структуры чугуна даже в тонкостенных отливках. Для этого достаточно содержание бария в заявляемых пределах. При остаточном содержании бария более 0,10% его модифицирующий эффект не усиливается, но стоимость чугуна возрастает. При содержании бария менее 0,03% его рафинирующее и ферритизирующее действие проявляется незначительно. В способе получения чугуна используют индукционную электроплавку, обеспечивающую возможность наиболее точного регулирования химического состава и хорошее перемешивание жидкого чугуна. В состав модифицирующей смеси включен силикобарий с целью наиболее глубокого рафинирования металла. Для предохранения модификатора от всплывания и сгорания в атмосфере используют чугунную решетку. Комплексная обработка жидкого чугуна проводится в разливочном ковше при температуре 1390-1430°С, причем на дно ковша смесь укладывается послойно в виде “сандвича” (смесь лигатуры и силикобария, затем плавиковый шпат, а сверху пригружение чугунной решеткой). Термическая обработка отливок состоит из трех стадий. Первую стадию проводят с целью гомогенизации чугуна в аустенитном состоянии, что обеспечивается нагревом до 950-1000°С и выдержкой от 3 до 5 часов. Вторая стадия заключается в ферритизирующем отжиге, для чего отливки медленно охлаждают (вместе с печью) от температуры первой стадии до 780-720°С, выдерживают при этих температурах 2,5-3 часа и медленно охлаждают до 650-600°С, после чего охлаждение до комнатной температуры ведут быстро (на воздухе для тонкостенных отливок, в воде для отливок с толщиной стенки более 20 мм) с целью предотвращения ферритной хрупкости. Третью стадию термической обработки проводят с целью упрочнения феррита путем его спинодального расслоения при искусственном старении. Для этого отливки нагревают до 350-420°С, выдерживают 2-3 часа и охлаждают на воздухе. Плавку чугуна проводили в индукционных тигельных печах емкостью 50 и 150 кг с кислой футеровкой. Использовали шихту, состоящую из литейного чугуна и ферросплавов (ферросилиция и ферромолибдена). Модифицирование проводили в разливочных ковшах емкостью от 50 до 100 кг. По каждому варианту химического состава чугуна в сухие песчано-глинистые формы отливали стандартные клиновые пробы толщиной 30 мм. Из клиновых проб после их термической обработки вырезали стандартные образцы для механических испытаний. Химические составы чугунов по всем вариантам приведены в табл.1, а результаты механических испытаний – в табл.2. Видно, что предлагаемое сочетание химического состава чугуна, способа его получения и способа термической обработки обеспечивает по сравнению с прототипом значительно более высокие значения пластичности и ударной вязкости, в том числе и при отрицательной температуре. При выходе химического состава чугуна за предлагаемые пределы (сплавы №№5 и 6) свойства чугуна существенно ухудшаются. Отклонение способа термической обработки от п.3 изобретения (т.е. при термической обработке без старения) также приводит к снижению свойств чугуна, особенно предела прочности. Источники информации 1. Чугун: Справ. изд./ Под ред. А.Д.Шермана и А.А.Жукова. – М.: Металлургия, 1991. – 576 с. 2. Патент РФ №2112073, кл. С 22 С 37/10. 3. Патент РФ №2098508, кл. С 22 С 37/10. 4. Патент РФ №2198227, кл. С 22 С 37/10.
Формула изобретения
1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, магний, кальций, РЗМ, железо и примеси, отличающийся тем, что дополнительно содержит барий и молибден при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2. Способ получения чугуна, включающий выплавку чугуна и обработку его расплава в разливочном ковше модифицирующей смесью компонентов, содержащей измельченную лигатуру, силикобарий и плавиковый шпат, отличающийся тем, что получают чугун по п.1, при этом плавку чугуна ведут в индукционных электропечах, при модифицировании используют чугунную решетку, пригружающую смесь, а расплав обрабатывают модифицирующей смесью, содержащей компоненты в следующем соотношении, мас.%:
причем общее количество смеси составляет 2,8-3,5% от массы чугуна при массе решетки 1,5-2% от массы чугуна, а лигатура содержит, мас.%:
3. Способ термической обработки отливок из чугуна, включающий отжиг, нагрев, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что термической обработке подвергают отливки из чугуна по п.1, при этом проводят гомогенизирующий отжиг при 950-1000°С с выдержкой 3-5 ч, ферритизирующий отжиг путем охлаждения с печью до 780-720°С, выдержки при этой температуре 2,5-3 ч и последующего медленного охлаждения с печью до 650÷600°С, после чего проводят быстрое охлаждение на воздухе или в воде до комнатной температуры и осуществляют искусственное старение путем нагрева до 350-420°С с выдержкой 2-3 ч.
MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 20.07.2006
Извещение опубликовано: 27.02.2008 БИ: 06/2008
|
|||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
В, МПа
,%