Патент на изобретение №2281982

(54) ЧУГУН

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности к разработке составов чугуна для отливок “тормозных барабанов”. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,4-3,9; кремний 1,2-1,7; марганец 0,7-1,0; хром 0,4-0,6; никель 0,02-0,2; медь 0,6-0,9; титан 0,03-0,08; алюминий 0,01-0,05; цирконий 0,03-0,08; стронций 0,03-0,1; сурьма 0,01-0,08; барий 0,01-0,05; кальций 0,01-0,05; сера не больше 0,06; фосфор не больше 0,1; железо – остальное. Техническим результатом является повышение износостойкости, прочности, теплопроводности при сохранении удовлетворительной обрабатываемости резанием. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности к разработке составов чугуна для отливок “тормозных барабанов”.

Известен серый чугун СЧ 21 и СЧ 25 (ГОСТ 1412-85), содержащий углерод, кремний, марганец, серу, фосфор и железо. Серый чугун имеет средний равномерно распределенный графит и перлитную металлическую основу с небольшим количеством свободных карбидов. Если в исходной структуре перлитного чугуна имеется хотя бы небольшое количество феррита, такая структура нестабильна и при нагреве количество феррита быстро увеличивается, что приводит к снижению износостойкости чугуна.

Наиболее близким к заявляемому является чугун, содержащий, мас.%:

(SU 1006531 A, 23.03.1983, МПК С 22 С 37/10).

Указанный чугун имеет низкую износостойкость и прочностные характеристики.

Заявляемое техническое решение направлено на увеличение износостойкости, прочности и теплопроводности при сохранении удовлетворительной обрабатываемости резанием.

Для решения поставленной задачи предлагается чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, титан, алюминий, кальций и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит медь, цирконий, стронций, сурьму и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Пределы содержания углерода в чугуне от 3,4 до 3,9 мас.% определены с целью получения в структуре чугуна большого количества крупных включений графита (ПГд 250-450 мкм). Крупные графитовые включения в чугуне играют роль термокомпенсационных швов, способствующих свободному тепловому расширению нагретых участков металла, и поэтому предотвращают образование напряжений и трещин. Если растущая трещина наталкивается на полость, то концентрация напряжений уменьшается, соответственно уменьшается скорость роста трещины и дальнейшее ее развитие делается мало существенным. Если углерод будет менее 3,4 мас.%, размер графитовых включений ПГд будет менее 180 мкм. Если углерод будет более 3,9 мас.%, размер графитовых включений будет более 450 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.

Содержание в чугуне кремния в количестве 1,2-1,7 мас.% выбрано по тем же соображениям, что и углерод, а также исходя из получения перлитной структуры с дисперностью перлита Пд 0,1-0,3 мкм. При содержании кремния менее 1,2 мас.% в структуре чугуна получаются свободные карбиды железа (цементит), при этом в тонких сечениях образуется “отбел”. При содержании кремния более 1,7 мас.% размер графитовых включений ПГд будет более 450 мкм, что приведет к резкому снижению твердости.

Марганец переходит в чугун из шихтовых материалов как постоянный компонент чушковых чугунов. При содержании марганца менее 0,7 мас.% уменьшается твердость, при содержании марганца более 1 мас.% ухудшается морфология графита.

Содержание хрома в количестве 0,4-0,6 мас.% способствует получению необходимой твердости и удовлетворительной обрабатываемости резанием. При содержании хрома менее 0,4 мас.% увеличивается дисперсность перлита и увеличивается размер графитовых включений. При содержании хрома более 0,6 мас.% увеличивается твердость и ухудшается обрабатываемость резанием

Медь и никель входят в состав чугуна как легирующие элементы, упрочняющие металлическую основу и выравнивающие структуру и свойства чугуна по сечению отливок. Никель, кроме того, способствует растворимости в чугуне меди, обладающей большей перлитизирующей и упрочняющей способностью. При содержании меди менее 0,6 мас.% и содержании никеля менее 0,02 мас.% в структуре чугуна образуется феррит, снижающий износостойкость чугуна. При содержании меди более 0,9 мас.% и никеля более 0,2 мас.% повышается твердость и ухудшается обрабатываемость резанием.

Алюминий, являясь графитизирующим элементом, увеличивает количество феррита в структуре чугуна. Обладая большим сродством к кислороду, рафинирует расплав, вызывая повышение пластичности и сопротивление разрушению металла. При содержании алюминия менее 0,01 мас.% влияние его на свойства чугуна незначительно, при содержании алюминия более 0,05 мас.% появляется образование ситовидной водородной пористости.

Титан в количестве 0,03-0,08 мас.% измельчает структуру, повышает прочность чугуна. При содержании менее 0,03 мас.% влияние его на свойства чугуна незначительно, при содержании его более 0,08 мас.% появляется опасность неметаллических включений и снижения механических свойств чугуна.

Цирконий в количестве 0,03-0,08 мас.% измельчает кристаллическую структуру чугуна, препятствует распространению трещин, рафинирует расплав по азоту, образуя тугоплавкие нитриды циркония. При содержании менее 0,03 мас.% действие его незначительно, содержание его более 0,08 мас.% приводит к образованию большого количества карбидов и нитридов циркония, являющихся хрупкими фазами, снижающими свойства чугуна.

Стронций в количествах 0,03-0,1 мас.% способствует графитизации чугуна, значительно снижает образование отбела в тонкостенных отливках. При содержании менее 0,03 мас.% действие его незначительно, при содержании более 0,1 мас.% снижается прочность чугуна.

Сурьма в количествах 0,01-0,08 мас.% способствует образованию перлита. При содержании менее 0,01 мас.% ее действие незначительно, при содержании более 0,08 мас.% ухудшается морфология графита и снижаются механические свойства чугуна.

Кальций в количестве 0,01-0,05 мас.% рафинирует чугун и увеличивает число центров кристаллизации, благодаря чему повышается трещиноустойчивость чугуна. При содержании кальция менее 0,01 мас.% его влияние незначительно. При содержании кальция более 0,05 мас.% кальций растворяется очень плохо из-за большого сродства к кислороду и сере.

Барий в количестве 0,01-0,05 мас.% способствует усилению действия стронция, увеличивает число образований центров графитизации и увеличивает живучесть модификаторов. При содержании бария менее 0,01% действие его незначительно. При содержании бария более 0,05% происходит уменьшение твердости чугуна.

Для определения эффективности чугуна предлагаемого состава в сравнении с известными провели сравнительные исследования. Химический состав изученных чугунов приведен в таблице 1.

Чугуны выплавляли в дуговой электропечи, необходимые добавки ферросплавов (ферромарганец, ферросилиций, феррохром, ферротитан) и легирующие элементы (никель, медь, алюминий) вводили в печь, а модифицирование проводили вводом на дно ковша ферросилиция, содержащего стронций, цирконий и барий. Одновременно с этим на дно ковша вводили сурьму.

Отливали вертикальные пробы диаметром 30 мм и высотой 250 мм, из которых изготавливали образцы для изучения структуры, механических свойств и твердости чугуна. Показателем износостойкости является форма, распределение, величина графитовых включений и дисперсность перлита, которые определяли методами количественной металлографии. Структуру чугуна изучали в зоне разрушения образцов после испытаний.

Результаты исследований приведены в таблице 2.

Как следует из таблиц 1 и 2, предлагаемый состав чугуна увеличивает размер графитовых включений до 250-450 мкм равномерно распределенной прямолинейной формы и уменьшает дисперсность перлита с 0,3-0,5 мкм до 0,1-0,3 мкм.

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, серу, фосфор, хром, никель, титан, алюминий, кальций и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь, цирконий, стронций, сурьму и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%: