Патент на изобретение №2281982

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2281982 (13) C1
(51) МПК

C22C37/10 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 28.12.2010 – действует

(21), (22) Заявка: 2005109895/02, 05.04.2005

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

05.04.2005

(46) Опубликовано: 20.08.2006

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
SU 1006531 A1, 23.03.1983. SU 973656 A, 15.11.1982. SU 631554 А, 15.11.1978. RU 2101379 C1, 10.01.1998. GB 2035375 А, 18.06.1980. JP 61-026754 А, 06.02.1986.

Адрес для переписки:

423823, Республика Татарстан, г. Набережные Челны, а/я 156, ОАО “КАМАЗ-Металлургия”, Н.М. Ледковой

(72) Автор(ы):

Микрюков Вячеслав Михайлович (RU),
Панфилов Эдуард Владимирович (RU),
Хайруллин Марат Рашатович (RU)

(73) Патентообладатель(и):

Открытое акционерное общество “КАМАЗ-Металлургия” (RU)

(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.%:

углерод 2,8-4,2
кремний 1,3-3,0
марганец 0,3-0,8
фосфор 0,5-1,6
сера 0,03-0,1
хром 0,1-0,3
никель 0,05-0,15
титан 0,01-0,05
алюминий 0,02-0,06
молибден 0,03-0,1
кальций 0,01-0,05
ванадий 0,05-0,15
железо остальное

(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.%:

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

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.

Таблица 1
Состав Содержание элементов, мас.%
С Si Mn Cr Ni Cu Ti Zr Ba Са А1 Sr Sb S P
Предлагаемый
1 3,429 1,29 0,76 0,49 0,028 0,69 0,038 0,038 0,011 0,018 0,015 0,031 0,015 0,031 0,044
2 3,82 1,25 0,85 0,58 0,15 0,75 0,052 0,048 0,038 0,015 0,046 0,07 0,035 0,032 0,056
3 3,52 1,57 0,72 0,45 0,029 0,68 0,045 0,045 0,028 0,036 0,035 0,045 0,015 0,042 0,054
4 3,66 1,22 0,83 0,52 0,045 0,72 0,058 0,052 0,035 0,037 0,021 0,082 0,032 0,054 0,063
5 3,42 1,68 0,95 0,58 0,19 0,89 0,078 0,071 0,028 0,038 0,038 0,089 0,032 0,028 0,045
6 3,78 1,51 0,66 0,53 0,14 0,62 0,034 0,041 0,031 0,046 0,015 0,043 0,022 0,025 0,048
7 3,43 1,22 0,80 0,41 0,13 0,71 0,032 0,064 0,036 0,039 0,018 0,091 0,045 0,031 0,049
8 3,77 1,34 0,88 0,53 0,13 0,77 0,054 0,08 0,038 0,049 0,025 0,041 0,022 0,043 0,051
9 3,74 1,23 0,74 0,44 0,11 0,88 0,066 0,064 0,018 0.032 0,045 0,083 0,034 0,029 0,051
Известный
10 3,1 2,2 0,56 0,26 0,06 0,038 0,01 0,03 0,034 0,51
11 3,3 1,98 0,65 0,25 0,1 0,028 0,03 0,05 0,06 0,56
12 3,45 2,3 0,77 0,23 0,15 0,05 0,04 0,04 0,038 0,66

Таблица 2
Чугун Физико-механические свойства Микроструктура
Предел прочности, МПа Твердость НВ, ГПА Графит Металлическая основа
Форма Распределение Размер ПГд Перлит Пд Феррит
Предлагаемый
1 26 220 ПГф1 ПГр1 250-450 100 0,1 0
2 27 233 ПГф1 ПГр1 250-450 100 0,1 0
3 28 240 ПГф1 ПГр1 250-450 100 0,1 0
4 28 230 ПГф1 ПГр1 250-450 100 0,1 0
5 27 225 ПГф1 ПГр1 250-450 100 0,1 0
6 26 230 ПГф1 ПГр1 250-450 100 0,1 0
7 28 240 ПГф1 ПГр1 250-450 100 0,1 0
8 29 235 ПГф1 ПГр1 250-450 100 0,1 0
9 25 220 ПГф1 ПГр1 250-450 100 0,1 0
Известный
10 25 195 ПГф1, ПГф2 ПГр2, ПГр7 90-180 99 0,3 ед.
11 23 175 ПГф1, ПГф2 ПГр2, ПГр7 180 95 0,5 5
12 20 169 ПГф1, ПГф2 ПГр2, ПГр7 180-250 90 0,5 5-10

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.%:

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

Categories: BD_2281000-2281999