Чугун — SU 2002848 (original) (raw)
(57) Использование: при пр кокипей. Сущность изобрет теплопроводности, циклическ стойкости и разгароустойчия мас%: углерод 4,154,3; кре нец 02., 0,65; хром 0,21. азот 0,0210,035; медь 0,07 0,14; алюминий 0,0050,009 1 табд Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакамф(72) Краузе ЛА Лесовой В.В.; Федорко АА; Курганов ВА; Дворянинов ВА; Кириллов В.С.; СопяниковБГ Касьян В.И; Чертовиков ВА; Чертовикова В.М.;Амерханов С.З.; Поленов ВП; Левин В.М.(73) Металлургический завод им. АК.Серова оизводстве изложниц, ения для повьшелия ой вязкости, термоости чугун содержит, мний О,б1,1: марга,29, титан 0,030,4;0,19, ванадий 0,01. . остальное- железо.40 Изобретение относится к металлургии, в частности к изысканию серых чугунов для работы в условиях термоциклирования, и может быть использовано при производстве изложниц, кокилей.Отечественный и зарубежный опыт производства изложниц и другого литья. работающего в условиях многоразовых термоциклических нагрузок (нагрев - охлаждение), свидетельствует о том, что основными свойствами чугуна, определяющими его долговечность, являются рэзгароустойчивость, термостойкость, теплопроводность и циклическая вязкость. С ростом этих показателей растет количество наливов до образования в изложницах отбраковочных дефектов (1, Известно также, что наиболее благоприятной совокупностью указанных свойств обладает серый чугун с крупным изолированным графитом и перлитной тонкодисперсной металлической основой беэ включений свободного цементита,Известен чугун (2) следующего химического состава, мас.%;Углерод 3.0-3,6Кремний 1,6-2,0Марганец0,8 - 1.2Хром 1,3-1,7Титан 0,1-0.4Азот 0.02-0,1Медь 0,25 - 1,2Ванадий 0,2-0,4Железо ОстальноеЭтот чугун при достаточно высоких механических показателях( Оиэ колеблется в пределах 670-780 МПа) характеризуется низкой термостойкостью, теплопроводностью и циклической вязкостью, В данном случае высокое содержание хрома (1,3- 1,7)% при высоком марганце(0,8 - 1,2)% способствует образованию даже в толстостенных отливках включений эвтектического цементита, увеличивает хрупкость металла и снижает его термостойкость.Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату. является чугун следующего химического состава, мас. ,Углерод 2.6-3,8Кремний 0,6-2,5Марганец 0,33-1,5Хром 0,09-1.0Титан 0,02 - 0,40Ванадий 0,03-0,30Алюминий 0,02-0,30Медь 0.02-1.0Азот 0,005-О,О 4 5 10 15 20 25 30 35 45 50 Железо ОстальноеМеханические свойства известного чугуна в основном удовлетворяют требованиям, предъявляемым к серым чугунам. Предел прочности на разрыв колеблется в пределах (125-150) МПа, твердость - (485 - 525) НВ, Однако существенным недостатком этого чугуна при работе в условиях теплосмен является низкая теплопроводность, термостойкость и циклическая вязкость, т,е. те свойства, от которых в первую очередь зависит способность чугуна противостоять термическому удару. Объясняется это низким содержанием углерода, в результате чего в структуре преобладает мелкий неравномерно распределенный пластинчатый графит. Известно, что теплопроводность, термостойкость и циклическая вязкость в первую очередь определяются состоянием графитной фазы и тем больше, чем больше в чугуне графита, крупнее его размеры, равномернее распределение, В свою очередь состояние графитной ф:зы в большой степени определяется содержанием углерода.Поэтому для повышения теплопроводности, циклической вязкости, термостойкости, разгароустойчивости предлагается чугун со следующим соотношением компонентов, мас,%:Углерод 4,15 - 4,3Кремний 0,6 - 1,1Марганец 0,2 - 0,65Хром 0,21 - 0,29Титан 0,03-0,4Азот 0,021-0,035Медь 0,07 - 0,19 Ванадий 0,01-0,14Алюминий 0,005-0,009Сера до 0,05Фосфор до 0,1Железо Остальное Такое соотношение компонентов в предлагаемом чугуне, применяемом, например, для производства изложниц, позволяет не менее чем в 1,5 раза повысить теплопроводность и циклическую вязкость. в 1,8 раза повысить термостойкость, на (20-25)% повысить его ростоустойчивость и окалиностойкость. Известно, что углерод укрупняет графит. ликвидирует междендритные формы; причем в первом случае интенсивнее. чем кремний, а во втором кремний вообще не оказывает влияния на распределение графита. По мере увеличения размеров графитовых вклЮчений и степени их изолированности при повышении содержания углерода возрастает демпфирующая способность чугуна, его теплопроводность, термостойкость, сопротивление чугунатермическому растрескиванию; причем по данным влияние графита в данном случае превосходит влияние легирования, т,к. указанные свойства в малой степени зависят от структуры матрицы, Чугун с высоким содержанием углерода и крупным графитом характеризуется низким напряжением не только вследствие малого модуля упругости, но и вследствие более высокой теплопроводности, т.е. с укрупнением графита повышается термостойкость чугуна, Именно этим руководствовались при установлении верхнего предела по содержанию углерода. В то же время увеличение содержания в чугуне углерода более 4,3 мас,сопровождается резким понижением прочностных характеристик. Кроме того, в эвтектоидном интервале углерод при указанных концентрациях способствует ферритизации матрицы и уменьшению дисперсности перлита, что ухудшает разгароустойчивость чугуна и термическую стабильность его структуры.Кремний. хотя и в меньшей степени, чем углерод. также способствует графитизации. несколько укрупняет графит, уменьшает опасность образования в металлической основе включений свободного цементита, распад которого увеличивает рост чугуна. Кроме того. наличие цементита увеличивает хрупкость чугуна и опасность образования сквозных трещин на ранней стадии эксплуатации изложниц. Поэтому содержание кремния должно быть не меньше О,б мас Увеличение содержания кремния более 1,1 мас.оД в заэвтектических чугунах, особенно при кристаллизации толстостенных отливок, какими являются изложницы, сопровождается образованием неоднородной ферритоперлитной металлической основы, ростом доли феррита, что снижает показатели разгароустойчивости и повышает склонность чугуна к приварам и остаточным деформациям (короблению). Марганец и хром. перлитизируя при эвтектоидном превращении металлическую основу, способствует образованию в чугуне однородной перлитной тонкодисперсной структуры, термическая стабильность которой при термоциклировании возрастает, особенно благодаря присутствию хрома. В результате этого повышаются не только показатели разгароустойчивости, термостойкости. теплопроводности и циклической вязкости. но и механические свойства. Зтим ограничен нижний предел по содержанию марганца и хрома, ниже которого их влияние не проявляется,Повышение содержания марганца и хрома более 0,65 и 0,29 мас,% соответствен менее 0,07 мас.ф она практически полно 55 стью входит в твердый раствор и не стабилизирует структуру при многократныхнагревах. Избыточное содержание меди (более 0,19 мас.) сопровождается небла- гоприятным понижением прочностных пластических свойств. разгароустойчивости и. 5 10 15 25 ЗО 35 40 45 но оказывает отрицательное влияние на теплопроводность, термостойкость и циклическую вязкость. Дело в том, что оба элемента. повышают при эвтектической кристаллизации растворимость углерода в аустените, увеличивают количество связанного углерода и не олько уменьшают количество графита и измельчают его, но также ухудшают характер его распределения вплоть до междендритного, Зто, в первую очередь ухудшает показатели теплопроводности, циклической вязкости и термостойкости, Кроме того, при высоком суммарном содержании марганца и хрома (более 0,94 мас,о) в структуре даже толстостенных отливок наблюдается значительное количество свободного цементита, отрицательно влияющего на весь комплекс требуемых свойств,На примере характера взаимного воздействия на структуру и свойства серого чугуна графитизирующих углерод, кремний) и карбидизирующих марганец, хром) добавок видно, что для обеспечения требуемого качества металла при работе в условиях теплосмен целесообразно увеличивать термодинамическую активность углерода при эвтектической кристаллизации и оказывать умеренное стабилизирующее действие при эвтектоидной кристаллизации. Именно такое двойственное влияние оказывает медь при содержании ее в чугуне в пределах 0,07-0,19 мас,;. В результате этого медь в рекомендованных пределах увеличивает количество графита, укрупняет его, перлитизирует металлическую основу и стабилизирует цементит перлита. Положительным моментом является то, что стабилизирующее действие меди не сопровождается, в отличие от марганца и хрома, образованием избыточного цементита. В то же время известно, что эффективность воздействия меди повышается при сочетании с элементами, препятствующими графитиэации (хром, марганец). что предусмотрено в предлагаемом чугуне. Описанный выше характер влияния меди на структурообразование согласуется с характером влияния аго на свойства чугуна -медь в рекомендованных пределах улучшает весь комплекс свойств, определяющих долговечность отливок, работающих в условиях термических нагрузок. При содержании медитермостойкости, что вызывается сегрега- фидов и фосфидной эвтектики повышаетсяцией свободной меди по границам зерен, также хрупкость металла и опасность обраАзот в. количестве 0,021 - 0,035 мас. эования трещин на ранней стадии эксплуавводится в чугун как эффективный микроле- тации изложниц,. гирующий и модифициРующий элемент, 5 Чугун оптимального состава содержит,связывающий алюминий, титан, ванадий в мас.: углерод 4.2: кремний 0,85; марганецтермостойкие тугоплавкие соединения - 0.4; хром 0,25; титан 0,2; азот 0,028: медьнитриды и карбонитриды, котооые являют,13: ванадий 0,075; алюминий 0,007; серася дополнительными центрами графитиза- до 0.05: фосфор до О,1.ции с одной стороны. а с другой стороны, 10 Чугун предлэгаемого состава можетизмельчают эвтектическое зерно и диспер- быть получен путем выплавки в доменнойсность перлита. Азот в рекомендованных. печи и последующей внепечной обработкипределах устраняет выделения графита . его в разливочным ковшах феррохромом имеждендритной орИентации. Азот в сочета-карбамидом.в.количестве, обеспечивающемнии с ванадием и фосфором обеспечивает 15 требуемое соотношение компонентов,получениелегированнойеанадиемйаэотом П.р и м е р. Доменный передельныйфосфиднойэвтектики(фосфидная эвтектика чугун при выпуске из доменной печи содерснитридами ванадия), Этотфосфидмедлен-: жит, мас.; углерод 4.15-4,3; кремний 0,6 нее распадается при термоциклировании и 1.1: марганец 0,2-0.65; хром 0.02-0.03;упрочняет. металл, Растворенный в сплаве 20 титан 0;03-0,4; азот 0.007-0,01: медь 0,07-избыточный азот повышает. стабйльнрсть, 0.19; ванадий 0.01-0,14; алюминий - 0,005 перлитаиупрочняетего, Вреэультатеэтого 0;009: сера до 0,05; фосфор до 0.1, Чугуназот в рекомендованных пределах повыше- переливают из чугуновоэного ковша в раэет теплопроводность, циклическую вяз- . ливочный, на дно которого предварительнокость, окалино- и ростоустойчивость, . 25., загружают высокоуглеродистый феррохромпрочностнйе и пластические характеристи- ФХ 80 ОА, Фракция ферросплава до 30 мм;ки; При концентрации азота менее .0,02.1: расходО;3-.0,5 мас После этого проводятмас, его влйяние наструктуруисвойства . обработку чугуна порошковой проволокой,чугуна не проявляются, а при концентрациисодержащей в качестве наполнителя тонкоаэота более 0,035 мас;6 образуются круп ЗО дисперсныйазотсодержащий реагент - кар: ные скопления нитридов (".нитридная бамид, в результате чего содержание. азотамуть"), увеличивается опасность возникно.-. в чугуне увеличивается в 2-3 раза. Расходвения газовой (азотистой) пористоети и, карбамида,составляет 0,1-0,2 мас;% к массеухудшаются раэгароусгойчивость и. термо- жидкого чугуна. Фракция до 2 мм.стойкость. : 35 Сравнительные испытания эксплуатафСодержание алюминия выбрано. таким: ционных свойств чугуна предлагаемого и изобрвзом, чтобы он полностью. расходовался вестного составов проведены на образцах,на образование нитридов алюминия. кото-. вйреаанных из специально отлитых в песчарые обладаот. максимальной графитизиру-но-.глинистые формы массивных проб разющей .способностью. при кристаллизации, 40 мером 120 150 250 мм, Чугун плавят в.увеличиваютдолю первичногои эвтектиче- индукционной печи ИСТ 060. В качествескОго графита и укрупняют его размеры шихты используют доменный передельныйПри содержании алюминия до О;005 мас., чугун, высокоуглеродистый феррохромего влияние на структуру и свойства чугуна . ФХЗОО А. медь М 4; ферроаанадий Ф 8 д 35 С.не проявляются, а при концентрации алю- .45 Полученный сплав обрабатывают расчетминия более 0,009 мас, усиливается насы- . ным количеством карбамида, который подщение металла водородом и появляется ают на дно ковша в виде порошковойопасность возникновения газовой пористо- - проволоки перед наполнением его металсти. лом. Температура модифицирования соГраничные концентрации вредных при ставляет.1380 С.месей(сераи Фосфор) впредлагаемомчугу- Химический состав опытного чугунане обусловлены необходимостью приведен в таблице.обеспечения чистоты границ зерен, Повн- Прочность, теплопроводность. цикличешение концентрации серы выше 0,05 мас. скую вязкость исследуют по стандартными фосфора выше 0.1 мас. способствует 55 методикам. Окалиностойкость и ростоувеличению количества сульфидов и вклю- устойчивость испытывают в условиях, причений фосфидной эвтектики, располагаю- ближенных к реальным условиям работыщихся по границам зерен, что повышает изложниц. Наоснованииэтоговыбранедиокисляемость чугуна и снижает его жаро- ный режим термоциклирования; нагрев достойкость. Приувеличенииколичествасуль С, выдержка при этой температуре в2002848 10 Я - полная поверхность образца, м;г - время, ч,За количественный показатель ростапринято изменение линейных размеров об разца в результате термоциклирования, выраженное в процентах.(56) Авторское свидетельство СССРМ 1032035, кл. С 22 С 37/10, 1983.Авторское свидетельство СССР 10 И. 785376, кл, С 22 С 3710, 1980. течение 2 ч, общее число циклов 100, За количественный показатель окалиностойкости принята скорость окисления чугуна, рассчитанная по формуле:= (9 п 9 о)г- тгде Ч - массовый показатель коррозии, гам%1 ЭЧ: 90 - начальная масса образца, г: 9, - масса образца последнего и-го количества циклов, т:1 епло ермо.стойк(ктьГч коли.чествоцикловпри 850л Цнкли Лрелел вчэ сти нл кость, р,(сткЛиней. ныи рост Р) после ОО циклов при 850"С, ММп чугун лссоввл Сг1.0 0.04 ка 0.3 0,4 о.з 2.5 3.7 3,2 з.о 3,4 Э.8 эоо 130 38 ра 1354200 130 4200 115 З 6 4 т 50 56 42 50 74 85 90 10 0,007 0.003 0.01 0,0053 1.1 0,9 1.0 1,4 0,15 0,21 0,25 0.29 0.35 О,О 2 о,оз О,2 О 0,40 0.45 0.013 0,021 О(3280,035 0,05 0,07 0.13 0,19 02 0.10,20,40.650,7 4,04,154,24,34,4 0.5 0.6 0,85 1,1 1,2 0.075 О,607 0.14 0.009 0.15 0.012 4100 90 ь до .: до,Формула изобрете ни я ЧУГУН, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, титан, азот, медь, ванадий, алюминий и железо, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас,;Углерод 4,15 - 4,3 Кремний 0,6- 1,1 Составитель С. Деркачева Техред М,Моргентал Корректор Н. Ревская Редактор Заказ 3219 Тираж Подписное НПО "Поиск" Роспатента113035. Москва. Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101 Иэвает.иыйПро два.гаемый1з45 МарганецХромТитан30 АзотМедьВанадийАлюминийЖелезо35 Скоро стьокисле ниа Ч после 1 аациклов при850 оС. м ч 0,2 - 0.65 0.21 - 0,29 0,03 - 0,4 0,021 - 0,035 0,07 - 0.19 0,01 - 0,14 0,005 - 0,009 Остальное