способ получения чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-ферритной металлической матрицей

Формула изобретения

Способ получения заготовки из чугуна с шаровидным графитом, включающий выплавку чугуна в электропечи, слив в ковш, легирование, модифицирование чугуна, получение отливки и ее термическую обработку, отличающийся тем, что расплав при сливе в ковш модифицируют при температуре 1370-1400°С комплексной лигатурой, состоящей из силикобария в количестве 20-30% и магнийсодержащего модификатора в количестве 70-80% от массы лигатуры, первоначально литьем в сырую песчано-глинистую форму получают отливки из половинчатого чугуна с аустенитно-мартенситной матрицей, а для обеспечения аустенитно-ферритной структуры в чугунной отливке проводят графитизирующий отжиг при температуре 980-1100°С с выдержкой 3-5 ч и последующим охлаждением с печью до комнатной температуры, при этом выплавляют чугун следующего химического состава, мас.%:

углерод	3,1-3,3
кремний	3,0-3,5
марганец	0,2-0,3
магний	0,04-0,06
молибден	1,5-1,7
никель	2,5-3,0
сера	0,01-0,012
фосфор	0,04-0,06
железо	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке способов получения чугунов с шаровидной формой графита, и может быть использовано при производстве изделий с высокими свойствами ударной вязкости, пластичности и хладостойкости.

Известен способ [1, с.44-45] повышения уровня прочностных и пластических свойств, а также снижения порога хладноломкости чугуна с шаровидным графитом за счет использования операции термоциклирования. К недостаткам способа относится использование длительного, многостадийного и высокотемпературного режима термической обработки, который значительно удлиняет технологический процесс, повышает себестоимость изделий и требует для осуществления специального оборудования. В результате использования способа термоциклирования происходит рост графитных включений, который неблагоприятно влияет на уровень механических и эксплуатационных характеристик.

Известен способ [2] получения отливок из половинчатого чугуна с аустенитно-бейнитной структурой. Способ включает выплавку в электропечах, легирование, двойное модифицирование, получение отливки в песчаную форму, извлечение ее из формы при температуре 900-1000°C, перемещение в печь с температурой 950-1000°C и последующее регулируемое охлаждение в изотермической ванне при температуре 300-320°C, при этом используют чугун, содержащий (в мас.%):

углерод	3,2-3,4
кремний	3,0-3,3
марганец	0,3-0,4
магний	0,04-0,07
молибден	1,5-1,7
никель	2,2-2,6
сера	0,01-0,012
фосфор	0,06-0,08
железо	остальное.

Недостатками способа являются: сложность технической реализации способа для крупногабаритных деталей; плохая обрабатываемость деталей; низкие пластические свойства; нестабильность структуры, а присутствие в металлической матрице чугуна мартенсита и карбидов снижает ударную вязкость.

Наиболее близким, принятым в качестве прототипа, является способ получения высокопрочного чугуна с шаровидным графитом [3]. Чугун содержит (в мас.%):

углерод	3,23-4,08
кремний	2,76-3,89
марганец	0,20-0,47
магний	0,02-0,05
молибден	0,15-0,48
алюминий	0,02-0,08
барий	0,03-0,10
кальций	0,008-0,018
РЗМ	0,02-0,06
железо и примеси	остальное.

Внепечная обработка чугуна производится модифицирующей смесью, содержащей силикобарий, плавиковый шпат и магнийсодержащую лигатуру. После охлаждения отливки подвергаются термической трехэтапной обработке, состоящей из гомогенизирующего и ферритизирующего отжига, а также искусственного старения.

Недостатком способа является то, что сложно обеспечить в чугуне остаточное содержание бария и кальция в тех процентных концентрациях, которые указаны в составе. Указанные элементы при модифицировании интенсивно взаимодействуют с кислородом и переходят в шлак. При попадании оксидов кальция и бария в чугун они образуют неметаллические включения, которые ослабляют металлическую матрицу и снижают пластические и прочностные свойства чугуна. Трехэтапная термическая обработка удлиняет технологический процесс и повышает себестоимость готовых изделий.

Целью изобретения является разработка способа получения изделий из чугуна с шаровидным графитом и аустенитно-ферритной металлической матрицей, которая обеспечивает изделиям высокий уровень пластичности и ударной вязкости при достаточно высокой прочности.

Для достижения указанной цели, чугун выплавляют в индукционной электропечи, расплав при сливе в ковш модифицируют при температуре 1370-1400°C комплексной лигатурой, состоящей из силикобария (20-30% от массы лигатуры) и магнийсодержащего модификатора (70-80%), первоначально литьем в сырую песчано-глинистую форму получают отливки из половинчатого чугуна с аустенитно-мартенситной матрицей, для обеспечения аустенитно-ферритной структуры в чугуне проводят графитизирующий отжиг при температуре 980-1100°C с выдержкой 3-5 час и последующим охлаждением с печью до комнатных температур, при этом используют чугун следующего химического состава, (в мас.%):

углерод	3,1-3,3
кремний	3,0-3,5
марганец	0,2-0,3
магний	0,04-0,06
молибден	1,5-1,7
никель	2,5-3,0
сера	0,01-0,012
фосфор	0,04-0,06
железо	остальное.

В результате получается аустенитно-ферритная структура чугуна с мелкодисперсной графитной фазой шаровидной формы, которая обеспечивает изделиям, изготовленным из этого материала, высокую пластичность и ударную вязкость при сравнительно высокой прочности.

Заданная структура в чугуне получается в результате использования двух технологических операций. После применения первой операции из литого состояния получается половинчатый чугун с шаровидным графитом и аустенитно-мартенситной металлической матрицей. Вторая операция - термическая обработка обеспечивает диссоциацию карбидов, дополнительное выделение дисперсных графитовых включений и получение требуемой аустенитно-ферритной металлической матрицы.

Содержание углерода, ограниченное 3,1-3,3%, обеспечивает получение из литого состояния половинчатого чугуна. При превышении концентрации углерода в чугуне увеличиваются размеры графитовых включений, что неблагоприятно сказывается на механических и эксплуатационных свойствах. Углерод является сильным графитизирующим элементом и при превышении указанной концентрации будет препятствовать формированию цементита в структуре чугуна. При уменьшении содержания углерода в чугуне менее 3,1% возрастает вероятность полного подавления процесса первичной графитизации, что приводит к формированию структуры белого чугуна, которая удлиняет процесс графитизирующего отжига и приводит к неравномерному распределению графитовых включений.

Кремний наряду с углеродом способствует графитизации чугуна. Процентное соотношение этих элементом в чугуне определяется углеродным эквивалентом: C_э=С (%)+0,3 Si (%), который должен соответствовать эвтектическому составу

С_э =[4,3-4,4]. При соблюдении такого условия возрастает количество эвтектических графитовых и цементитных колоний, и структура чугуна по сечению изделия получается более однородной. При графитизирующем отжиге кремний способствует диссоциации карбидных включений. Снижение содержания кремния менее 3,0% приводит к образованию белых чугунов, а при увеличении его содержания выше допустимого уровня в структуре чугуна образуются силикокарбиды, резко повышающие хрупкость и снижающие вязкость термообработанного чугуна.

Основным карбидообразующим элементом в составе чугуна, обеспечивающим получение половинчатой структуры, является молибден. Содержание в чугуне молибдена в интервале 1,5-1,7 способствует получению в структуре легированного цементита (Fe, Мо)₃ С. Повышение концентрации Мо свыше указанной концентрации приводит к возникновению карбидов молибдена - Мо₂С, которые при графитизирующем отжиге не диссоциируют и сохраняются в структуре, понижая уровень ударной вязкости.

Комплексное легирование Ni и Мо повышает устойчивость аустенита в верхней температурной области термокинетической диаграммы его превращения, что позволяет избежать появления в конечной структуре чугуна продуктов перлитного превращения. Легирование чугуна этими элементами увеличивает прокаливаемость чугуна, что способствует выравниванию структуры по сечению отливки.

Содержание никеля в указанных пределах способствует появлению в конечной структуре чугуна аустенита. При кристаллизации никель в основном концентрируется в аустените, который при последующем охлаждении отливки в литейной форме частично трансформируется в мартенсит. Графитизирующий отжиг обеспечивает частичную гомогенизацию аустенита. В связи с тем что никель обладает ограниченной подвижностью в гранецентрированной решетке аустенита, в структуре сохраняются области с повышенной концентрацией этого элемента, что позволяет стабилизировать аустенитную структуру при охлаждении и сохранить ее в конечной металлической матрице чугуна. Кроме того, при кристаллизации никель, также как углерод и кремний, способствует графитизации чугуна, и несоблюдение указанных пределов концентрации приведет к получению на первой стадии структуры белых или графитизированных чугунов, которая неблагоприятно влияет на распределение структурных составляющих после термической обработки.

Легирование чугуна производится в электропечи при его выплавке, при этом обеспечивается наилучшее усвоение легирующих элементов из вводимых лигатур и точное получение заданного химического состава. Никель и молибденсодержащая лигатура загружаются в печь с исходными шихтовыми материалами, а ферросилиций вводится в конце плавки, перед выпуском расплава из печи, что усиливает инокулирующий эффект.

Магний в чугуне обеспечивает получение сфероидальной формы графита при кристаллизации и способствует образованию шаровидной формы графитовых включений при графитизирующем отжиге. Использование для модифицирования комплексной лигатуры, состоящей из силикобария (20-30% от массы лигатуры) и магнийсодержащего модификатора (70-80%), позволяет получить мелкодисперсные графитные включения в процессе кристаллизации чугуна. Дополнительное использование в комплексной лигатуре силикобария повышает графитизирующую способность расплава. Процентное соотношение вводимой в расплав комплексной лигатуры к массе обрабатываемого металла при модифицировании должно соответствовать 0,04-0,06% остаточного содержания магния в отливках.

Содержание серы ограничено 0,01-0,012%, что обусловлено, во-первых, требуемой концентрацией остаточного содержания магния, и во-вторых, в структуре не допускает получение крупных сульфидных включений, которые снижают пластические свойства чугуна.

Концентрация марганца принята на уровне примеси, количество которого в чугуне обеспечивается исходными шихтовыми материалами.

Фосфор в чугуне является вредной примесью. При повышении его содержания свыше 0,06% возможно образование фосфидной эвтектики, которая снижает пластические свойства и ударную вязкость чугуна. Помимо этого фосфор, являясь сильноликвирующей примесью, может в процессе кристаллизации приводить к возникновению участков микроструктуры, насыщенных карбидообразующими элементами. В таких участках формируется легированный цементит и специальные карбиды, обладающие высокой устойчивостью, которые сохраняются в конечной структуре изделий после графитизирующего отжига.

Сравнительно низкая температура сфероидизирующего модифицирования 1370-1400°С способствует получению в чугуне дисперсной графитной фазы. Низкотемпературная разливка в сырые песчано-глинистые формы обеспечивает существенное переохлаждение на начальной стадии кристаллизации, что приводит к формированию половинчатых структур чугуна.

Получение на начальной стадии из литого состояния половинчатой структуры очень важно, так как последующая стадия термической обработки заготовок формирует дифференцированные концентрационные области в структуре чугуна. Разное содержание основных легирующих элементов (Ni, Mo и Si) в металлической матрице приводит к формированию аустенитно-ферритных структур после термической обработки. В областях с повышенным содержанием никеля, которые ранее были заняты аустенитом, и после термообработки сохраняется аустенитная металлическая матрица. В областях, возникающих в местах диссоциации карбидов и мартенсита, образуется феррит. Диссоциация карбидов, происходящая при графитизирующем отжиге, приводит к выделению мелкодисперсных включений графита компактной и шаровидной формы, которые понижают плотность чугуна, и в связи с малыми размерами способствуют увеличению ударной вязкости.

Графитизирующий отжиг необходимо проводить в термических печах с нейтральной или восстановительной атмосферой, в таком случае структура получается более однородной по сечению.

Технический результат, реализуемый при осуществлении изобретения, заключается в получении заготовок со структурой, состоящей из дисперсных графитных включений сфероидальной формы и аустенитно-ферритной матрицы, которые в сочетании с перечисленными технологическими приемами и составом чугуна обеспечивают высокую пластичность и ударную вязкость при сравнительно высокой прочности. Отливки, полученные этим способом, отличаются стабильностью свойств по сечению и могут широко использоваться в различных отраслях машиностроения.

Способ может быть осуществлен с использованием следующих технологических приемов и средств.

Плавку чугуна проводят в индукционных плавильных электропечах, а его модифицирование комплексной лигатурой, при сливе расплава в ковш. Отливки получают путем заливки расплава чугуна в сырые песчано-глинистые формы. Отливки охлаждают до комнатных температур и выбивают из форм. Далее их подвергают графитизирующему отжигу в термических печах с нейтральной или восстановительной атмосферой.

Указанные технические средства и технологические приемы обеспечивают получение качественных отливок с заявленными микроструктурой и свойствами.

Пример. В индукционной электропечи расплавляли шихтовые материалы и получали легированный чугун. При температуре расплава 1390°C его сливали в 25-ти кг ковш, в который предварительно засыпали мелкофракционную комплексную лигатуру (2,5% от массы расплава), состоящую из 70% магнийсодержащего модификатора ФСМг-7 (ТУ 14-5-134-86) и 30% силикобария SIBAR22 (ТУ 082-001-72684889-06). Лигатуру в ковше для предотвращения всплытия и снижения шлакообразования нагружали стальной высечкой.

Из модифицированного чугуна получали пробные заготовки с различной толщиной стенки по сечению от 10 до 45 мм, путем заливки его в сырые песчано-глинистые формы.

После трех исследований химического состава различных заготовок было определено, что чугун имел следующее содержание элементов, (в мас.%):

углерод	3,1-3,2
кремний	3,2-3,3
марганец	0,25
магний	0,05-0,055
молибден	1,5-1,55
никель	2,7
сера	0,01
фосфор	0,06
железо	остальное.

Из заготовок изготавливались шлифы, по которым изучали микроструктуру. Исследование показало, что во всех исследуемых шлифах наблюдается структура половинчатого чугуна с равномерно распределенными эвтектическим цементитом и мелкими графитными включениями шаровидной формы (средний диаметр включений 10-20 мкм). Металлическая матрица состояла из 45-55% аустенита и 45-55% мартенсита.

После этого производили графитизирующий отжиг заготовок в печи при температуре 1000°C с выдержкой 4,5 час и последующим охлаждением в печи вплоть до комнатных температур. Исследование микроструктуры показало, что во всех частях заготовок после термической обработки произошла диссоциация цементита и сформировалась аустенитно-ферритная структура с мелкодисперсными графитными включениями.

За счет уменьшения длительности термической обработки удалось сократить технологический процесс производства на 3-4 часа по сравнению с прототипом, что благоприятно сказалось и на снижении себестоимости полученных заготовок.

Механические свойства чугуна с аустенитно-ферритной матрицей: _в=560-610 МПа; _0,2=420-450 МПа; =22-28%; КС^+20°C =150-170 Дж/см² ; 277-286 НВ.

Механические свойства ферритного чугуна, принятого в качестве прототипа: _в=510-660 МПа; =21-25%; KCU^+20°C - 125-140 Дж/см² .

Как видно из сравнения характеристик, пластические свойства чугуна с аустенитно-ферритной матрицей превосходят свойства чугуна прототипа с упрочненной ферритной матрицей.

Кроме того, заявляемый способ в отличие от прототипа позволяет получить дифференцированную мелкодисперсную микроструктуру, что положительно сказывается на эксплуатационных свойствах чугуна. Присутствие в структуре метастабильного аустенита позволяет при эксплуатации изделий из такого чугуна использовать эффект деформационного упрочнения остаточного аустенита, для улучшения прочностных показателей.

Источники информации

1. Отливки из чугуна с шаровидным и вермикулярным графитом / Захарченко Э.В., Левченко Ю.Н., Горенко В.Г. Вареник П.А. - Киев: Наук. думка, 1986. - 248 с.

2. Способ получения отливок из половинчатого чугуна с аустенитно-бейнитной структурой. Макаренко К.В. Патент № 2250268 РФ. Бюл. № 11, 20.04.2005. МКИ C21C 1/10, C22C 37/04, C21D 5/00.

3. Чугун, способ его получения и способ термической обработки отливок из него. Сильман Г.И., Камынин В.В., Харитоненко С.А. Патент № 2267542 РФ. Бюл. № 01 10.01.2006. МКИ C21C 1/10, C21D 5/00.