Чугун и способ термической обработки отливок из него

Чугун и способ термической обработки отливок из него

Реферат

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 их необходимого химического состава и способа термической обработки отливок.

Известен чугун [1], содержащий, мас.%:

Углерод	3,0-3,8	Титан	0,01-0,1
Кремний	1,6-2,8	Магний	0,04-0,08
Марганец	0,06-0,4	Сера	0,006-0,02
Медь	0,5-1,8	Фосфор	менее 0,1
Хром	0,05-0,15	Железо	остальное
Ванадий	0,04-0,2

Этот чугун кристаллизуется в отливках без структурно свободного цементита, обладает в литом состоянии стабильной перлитно-ферритной структурой при повышенных механических свойствах.

Недостатком чугуна является нестабильность механических свойств (в литом состоянии временное сопротивление разрыву σ_в от 500 до 1000 МПа).

Наиболее близким к предлагаемому является чугун [2], содержащий, мас.%:

Углерод	3,0-4,0	Хром	менее 0,1
Кремний	1,5-3,0	Фосфор	менее 0,06
Марганец	0,3-0,6	Сера	менее 0,02
Медь	0,3-1,0	Магний	0,02-0,06
Молибден	0,3-0,6	Железо	остальное
Никель	до 1,5

Для этого чугуна предложен способ термической обработки, включающий нагрев (аустенитизацию) до 850-950°С, выдержку 0,5-4 ч, охлаждение до 250-450°С со скоростью, обеспечивающей подавление перлитного превращения, выдержку 1-4 ч при 250-450°С для завершения бейнитного превращения и охлаждение на воздухе.

После такой термообработки структура чугуна состоит из бейнита, остаточного аустенита и шаровидного графита. Чугун обладает повышенными механическими свойствами (σ_в=950-1050 МПа).

К недостаткам чугуна относятся сохранение в структуре большого количества остаточного аустенита и обусловленное этим ограничение верхнего предела прочностных свойств приведенной выше величиной σ_в.

Известен способ термической обработки высокопрочного чугуна, обеспечивающий сочетание высоких механических свойств, в виде изотермической закалки, включающей аустенитизацию при 850-900°С, охлаждение в щелочной или соляной ванне с изотермической выдержкой 0,5-1 ч при 350-400°С и охлаждение на воздухе [3]. Такая обработка обеспечивает получение бейнитно-аустенитной структуры и высокие прочностные свойства при сравнительно высокой пластичности и вязкости чугуна.

Недостаток способа заключается в необходимости использования специального оборудования и жидких охлаждающих сред в виде расплавов солей и щелочей с вредными выделениями.

Наиболее близким к предлагаемому является способ термической обработки [4], включающий аустенитизацию при 870-900°С, кратковременное (в течение 4 с) охлаждение в воде ("замачивание"), изотермическую выдержку в печи при 350-380°С и окончательное охлаждение на воздухе.

Этот способ позволяет во многих случаях получать необходимую структуру и высокие механические свойства чугуна, но при этом не учитываются возможные различия в химическом составе чугуна и толщине стенки отливки, что может приводить к формированию неблагоприятных структур с недостаточно высокими механическими свойствами чугуна в отливках.

Задачей изобретения является создание в чугуне дисперсной структуры, состоящей из бейнита, ограниченного количества аустенита (до 30-35%) и шаровидного графита.

Технический результат - получение комплекса высоких и стабильных механических свойств чугуна (прочности, пластичности и ударной вязкости) в отливках с различной толщиной стенки.

Это достигается тем, что:

1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден, магний, примеси и железо, дополнительно содержит барий и РЗМ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,28-4,03	Магний	0,02-0,05
Кремний	2,34-3,62	Барий	0,03-0,08
Марганец	0,22-0,53	РЗМ	0,02-0,06
Медь	1,16-2,34	Железо и примеси	остальное
Молибден	0,21-0,52

В качестве примесей допускаются, мас.%: фосфор до 0, 04, сера до 0,02, хром до 0,08.

2. В способе термической обработки отливок из чугуна, включающем аустенитизацию, охлаждение до температур ниже 500°С, выдержку в печи и окончательное охлаждение на воздухе, термической обработке подвергают чугун по п.1, при этом аустенитизацию проводят ступенчато по режиму 820-830°С, 0,5 ч → 870-900°С, 0,5-1,5 ч, скорость охлаждения регулируют в зависимости от толщины стенки отливки: до 20 мм - на воздухе, при 25-40 мм - в воде в течение 4-5 с, более 40 мм - в воде в течение 6-10 с, а выдержку в печи проводят в течение 1,5-3 ч с термоциклированием 270-390°С.

Изменения в химический состав чугуна введены с целью стабильного получения без отбела отливок с разной толщиной стенки, увеличения прокаливаемости чугуна, упрощения термической обработки отливок и обеспечения необходимых свойств чугуна после термической обработки.

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений.

В чугуне увеличено содержание кремния, который является основным элементом-графитизатором и способствует получению бейнитной структуры при термической обработке. При содержании кремния менее 2,34% в структуре чугуна в тонкостенных отливках возможно появление структурно свободного цементита (частичный отбел); при этом затрудняется также получение измельченной бейнитной структуры, обеспечивающей высокие механические свойства термообработанного чугуна. При увеличении содержания кремния более 3,62% в структуре термообработанного чугуна появляется значительное количество феррита (в частности, силикоферрита), что приводит к снижению его механических свойств.

Содержание марганца не должно превышать 0,53%, т.к. при большем содержании увеличивается склонность чугуна к отбелу в отливках, что затрудняет полную графитизацию, увеличивает неоднородность структуры при термической обработке и приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна. Минимальное количество марганца в чугуне, составляющее 0,22%, соответствует его содержанию в качестве технической примеси; дальнейшее снижение содержания марганца затруднено при использовании обычных шихтовых материалов.

Содержание меди в составе чугуна увеличено с целью уменьшения склонности чугуна к отбелу, увеличения его прокаливаемости и повышения прочностных свойств чугуна за счет дополнительного дисперсионного упрочнения при термической обработке. Медь также является заменителем более дорогостоящего никеля и позволяет снизить себестоимость чугуна по сравнению с прототипом. При содержании меди менее 1,16% это комплексное действие меди проявляется недостаточно, что сказывается на механических свойствах чугуна. Содержание меди более 2,34% не приводит к повышению свойств чугуна, но вызывает его удорожание.

Молибден используется для увеличения бейнитной прокаливаемости и устранения отпускной хрупкости чугуна. При содержании менее 0,21 мас.% молибдена эта его роль недостаточно проявляется в отливках с толщиной стенки более 25 мм, а при содержании более 0,52 мас.% происходит удорожание чугуна и появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость.

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.

РЗМ вводятся с целью нейтрализации элементов, оказывающих на графит десфероидизирующее действие (например, меди 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, повышает стабильность модифицирующей обработки чугуна и полное устранение отбела даже в тонкостенных отливках. Для этого достаточно содержание бария в заявляемых пределах. При остаточном содержании бария более 0,08% его модифицирующий эффект не усиливается, но стоимость чугуна возрастает. При содержании бария менее 0,03% его действие проявляется незначительно.

Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна. При содержании углерода менее 3,28 мас.% уменьшается склонность чугуна к графитизации и становится возможным образование отбеленных участков структуры с повышенной твердостью. Если в чугуне содержится более 4,03 мас.% углерода, то в его структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации) и их локализация в виде спели, что может проявляться в снижении всех механических свойств чугуна.

Термическая обработка чугуна состоит из трех стадий. Первую стадию проводят с целью полной аустенитизации, обеспечивая при этом склонность аустенита к частичной ферритизации при охлаждении (до 20-30%) и гомогенизацию остальной части аустенита, что достигается ступенчатым нагревом до 820-830°С с выдержкой 0,5 ч (первая ступень) и дальнейшим нагревом до 870-900°С с выдержкой 0,5-1,5 ч в зависимости от толщины стенки отливки (вторая ступень).

Вторая стадия заключается в охлаждении чугуна до 450-400°С со скоростью выше критической (с целью предотвращения образования перлитных структур), для чего тонкостенные отливки (до 20 мм) охлаждают на воздухе, а более массивные отливки (с толщиной стенки 25 мм и более) "замачивают" в воде с различной выдержкой, зависящей от толщины стенки отливки (при толщине стенки 25-40 мм в течение 4-5 с, а при толщине более 40 мм - в течение 6-10 с).

Третью стадию термической обработки проводят в обычной термической печи путем термоциклирования в интервале температур 270-390°С с общей длительностью 1,5-3 часа. Эта стадия проводится с целью формирования измельченной бейнитной ("аусферритной") структуры и ее упрочнения путем искусственного старения. После проведения третьей стадии изделия охлаждают на воздухе до комнатной температуры.

Плавку чугуна проводили в индукционных тигельных печах емкостью 50 и 150 кг с кислой футеровкой. Использовали шихту, состоящую из литейного чугуна, ферросплавов (ферросилиция и ферромолибдена) и отходов меди. Модифицирование проводили смесью комплексной лигатуры и силикобария в разливочных ковшах емкостью от 50 до 100 кг при температуре 1390-1430°С. По каждому варианту химического состава чугуна в сухие песчано-глинистые формы отливали пластины толщиной 20, 30 и 50 мм. Из пластин 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 и способа термической обработки обеспечивает по сравнению с прототипом более высокие значения предела прочности чугуна, особенно в толстостенных отливках, при сохранении достаточно высоких значений пластичности и ударной вязкости; важно также, что твердость чугуна не является чрезмерно высокой, что позволяет проводить необходимую механическую обработку отливок лезвийным инструментом.

При выходе химического состава чугуна за предлагаемые пределы (сплавы №5 и 6) свойства чугуна существенно ухудшаются. Отклонение способа термической обработки от п.2 формулы изобретения (например, при термической обработке по режиму прототипа [4]) также приводит к снижению некоторых свойств чугуна (относительного удлинения и ударной вязкости) и повышению твердости, особенно в тонкостенных отливках.

Таблица 1
Химические составы чугунов
Сплав	Содержание элементов, мас.%
	С	Si	Mn	Cu	Мо	Mg	Ва	РЗМ
1	3,28	3,62	0,22	1,81	0,52	0,02	0,03	0,06
2	3,56	3,34	0,41	2,34	0,21	0,05	0,08	0,03
3	3,88	2,83	0,53	1,16	0,46	0,03	0,05	0,02
4	4,03	2,34	0,39	1,63	0,30	0,03	0,06	0,04
5	3,05	4,07	0,81	2,57	0,14	0,01	0,01	0,07
6	4,12	2,26	0,20	0,75	0,69	0,08	0,10	0,01
Известный*	3,44	2,21	0,53	0,58	0,56	0,05	-	-
* Содержится также 1,2% Ni и 0,1% Cr
Таблица 2
Механические свойства чугунов (средние)
Сплав	Толщина пластины, мм	Предел прочности σв, МПа	Относительное удлинение δ, %	Ударная вязкость КС, Дж/см2	Твердость НВ
1	20	1230	7	59	310
	30	1220	7	56	310
	50	1190	5	50	290
2	20	1220	7	52	320
	30	1210	8	49	310
	50	1180	6	45	300
3	20	1190	8	50	310
	30	1170	7	47	300
	50	1160	5	45	290
4	20	1220	7	55	290
	30	1200	6	48	300
	50	1170	6	46	280
5	20	910	2	32	290
	30	890	2	27	280
	50	850	2	23	270
6	20	1060	4	46	330
	30	1050	4	42	330
	50	1030	3	40	310
Известный*	20	1080	5	40	370
	30	1060	5	44	360
	50	1030	4	41	320
* Термическая обработка проведена по режиму [4]

Источники информации

1. Патент РФ №2138576, кл. С22С 37/10, заявл. 18.12.1998, опубл. 27.09.1999.

2. Заявка Японии №60-106946, кл. С22С 37/08, С21D 5/00, заявл. 15.11.1983, опубл. 12.06.1985.

3. Чугун: Справ. изд. / Под ред. А.Д.Шермана и А.А.Жукова. - М.: Металлургия, 1991. - 576 с.

4. Жуков А.А. Некоторые вопросы теории и практики бейнитной закалки чугунов // Металловедение и термическая обработка металлов, 1995, №12. - С.26-29.

1. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден, магний, железо и примеси, отличающийся тем, что дополнительно содержит барий и РЗМ при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,28-4,03
кремний	2,34-3,62
марганец	0,22-0,53
медь	1,16-2,34
молибден	0,21-0,52
магний	0,02-0,05
барий	0,03-0,08
РЗМ	0,02-0,06
железо и примеси	остальное

2. Способ термической обработки отливок из чугуна, включающийся аустенизацию, охлаждение до температур ниже 500°С, выдержку в печи и окончательно охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что термической обработке подвергают отливки из чугуна по п.1, при этом проводят аустенизацию ступенчато по режиму: нагрев до 820-830°С с выдержкой 0,5 ч и последующий нагрев до 870-900°С с выдержкой 0,5-1,5 ч, скорость охлаждения регулируют в зависимости от толщины стенки отливки: до 20 мм - на воздухе, при 25-40 мм - в воде в течение 4-5 с, более 40 мм - в воде в течение 6-10 с, а выдержку в печи проводят в течение 1,5-3 ч с термоциклированием в интервале 270-390°С.