Высокофосфористый чугун

 

е:.е иетена М Б А

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (11) 735652 (6l ) Дополнительное к авт. свиЛ-ву (22) Заявлено 07.04.77 (21) 2471084/22-02 (5! }М. Кд.

С 22 С 37/10 с присоединением заявки М

Гасударственный квинтет

СССР (23) Приоритет

Опубликовано 25.05.80.6ктллетень .% 19 (53 } УД К 669. 13-0l 8.2 (088.8) d0 делам нзебретеннй н открытнй

Дата опубликования описания 28.05.80

С. С. Затуловский, Б, А. Кириевский, Ю. Г. Бобро, А. С. Корниенко и A. А. Шокул (72) Авторы изобретения (7т) Заявитель

Институт проблем литья AH УССР (54) ВЫСОКОФОСФОРИСТЫЙ ЧУГУН

Изобретение относится к металлургйи и литейному производству в частности получению чугуна с повышенным физико-ме» ханическими и специальными свойствами для изготовления изложниц.

Известны литейные чугуны (1), содержащие 0,05-1т2% фосфора, обладавшие повышенными специальными или литейными свойствами. Например чугун следующего химического состава, вес.%;

Углерод 3,4-3,8

Кремний 2,8-2,6

Марганец 0,5-0,8

Фосфор 0,5-0,8

Сера До 0,12

Железо Остальное применяемый для изготовления чугунных труб, характеризуется повышенной жидкотекучестью, плотностью.

Однако такой чугун имеет низкую плотность и термостойкость, нулевую пластичность и ударную вязкость, что обусловлено образованием в структуре сплошной толстой сетки фосфндной эвтектики, имею2 о шей низкую температуру плавления (950 C) и повышенную хрупкость. Поэтому такие чугуны с высоким фосфором не применяются для изготовления изложниц, испытываюаих в процессе эксплуатации термические напряжения и механические нагрузки.

Известен чугун (2) следующего химического состава, вес.%:

Углерод 2,5-2,8

Кремний 0,3-0,4

Марганец 1,5-2, О

Алюминий 1,5-4,5

Медь 0,6-0,8 Церий О, 12-0,25

Кальций О, 01-0, 03

Магний 0,08-0, 12

Железо Остальное

В качестве примесей чугун содержит фосфор 0,15-0,45 вес.% и серу.

Недостатком этого чугуна является низкое Содержание фосфора, поэтому он не может быть применен для толстостенных отливок (толшина стенки более 100 мм).

3 7356

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является чугун 3) следующего химического состава, вес,%:

Углерод 3,4-4,3

К ремний 0,6-2,4

Марганец 0,2-1,0

Ванадий 0,08-0, 15

Т итан 0,03-0,20

Фосфор 0,35-1,2 0

Железо Остальное

Данный чугун обладает хорошими литейными свойствами, характеризуется более равномерным и благопрйятным распределением графита и фосфидной эвтектикИ, 15 прочностными свойствами на уровне чугуна марки .СЧ 12-28.

Однако этот чугун имеет ряд существенных недостатков, что особенно прояв-. ляется при изготовлении крупных отливок (например изложниц), с топщиной стенки

100 и более мм, массой 8-10 т, эатвер.девающих в течение 2-3 ч и более, Медленное затвердевание, длительное нахожде.ние отливки в жидком и твердо-жидком

25 состоянии приводят х развитию графитации и ликвационных процессов. В результате чего центральные и верхние участки отливки затвердевают с образованием сплошной сетки фосфидной эвтектики и

30 крупного, слабо завихренного, остроуголь- - ного графите малой степени изолированности включений и колоний. Кроме того, известно, что в:результате избирательной диффузии фосфидная эвтектика обогашеетЗ5 ся ванадием, что прйводит к повышению ее твердости. Таким образом, при литье массивных отливок (иэложниц) офицательное влияние повышенного содержания фос40 фора для данного чугуна полностью. не . устраняешься: в результате охрупчиваюшего фосфидной эвтектики и надреэываюшеговлияния графита чугун, имеющий при комнатной температуре низкую пластичность

45 и ударную вязкость 0,3 кгс/см, при повышенных температурах имеет практичес «и нулевую прочность и пластичность, склонен к образованию и развитию трещин, следовательно, имеет низкую термостойкость. Кроме того, применение ванадия, 50 дорогостоящего и дефицитного элемента, применяемого для изготовления специальных сталей s качестве легирующей добавки для чугуна изложниц в крупнотоннаж55 иом массовом производстве нецелесообразно, так как при этом повышается стоимость отливок и расход дефицитного ва- надия без достижения должного эффекта, 52 4

Llem þ изобретения является повышение физико-механических свойств, термостойкости, улучшение структуры чугуна.

Поставленная цель достигается тем, что высокофосфористый чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, титан и же,лезо, дополнительно содержит алюминий, кальций, медь и редхоземепьнь1е металлы при следующем соотношении компонентов, вес.%:

Углерод, 2,5-4,3

Кремний 0,45-1,2

Марганец 0,2-1,0

Титан 0,03-0,20

Фосфор 0,5-1,2

Алюминий 0,5-1,4

Кальций .. 0,01-0,25

Медь 0,01-1,0

Редкоземельныеые металлы . 0,01-0,25

Железо Остальное

Чугун содержит серу в количестве

0,01-0, 1 вес.%.

Пределы содержания углерода и кремния зависит от содержания алюминия. Нижний предел содержания этих элементов соответствует максимальной концентрации алюминия и, наоборот верхний предел по содержанию углерода и кремния устанав ливается при минимальном алюминии.

Снижение содержания углерода менее

2,5% приводит к затвердеваиию чугуна цо метастабильной диаграмме, появлению цементита (хрупкой структурной составляющей), снижению пластичности и термостойкости. Получить такое содержание при ваграночной плавке затруднительно. Увеличение содержания углерода более 4,3% нежелательно, так как при этом резко увеличивается количество и размеры графитных включений, что обуславливает снижение специальных свойств чугуна, в том чцсле трещиноустойчивости.

Получение содержания кремния менее

0,4%, марганца менее 0,2% серы 0,01% технологически затруднительно и при обычной плавке практически не реализуется, то же следует сказать о фосфоре (0,30%) при использовании в шихте обычных и особенно фоефористых ли1ейных чугунов (класоы Б, В, Г). Увеличение содержания кремния более 1,2% нежелательно, так как это приводит к развитию графитообразования при эвтектоидном и эфтектическом превращениях, и, следовательно, к увеличению количества и размеров графите и легированного феррита в литой структуре, Высо1

Испытания Образцов н& термостойкость проводятся на специальной установке, на которой образец нагревается до 700 С и о закаливается s воде, После каждых 50 циклов производится определение наличия трещин. Окалиностойкость определяется по потере веса после зачистки специальных о образцов выдерживаюшихся 5 ч при 900 С, Механические свойства определяются па стандартным методикам.. г

5 7356 кая хрупкость кремниевого феррита, наряду с выделениями фосфидной эвтектики, а также грубая форма графита вызывает снижение механических свойств. Верхнее содержание марганца ограничено 1,0%, так как в противоположном случае увел чивается отбел, снижается термостойкость и трешиноустойчивость чугуна.

Содержание серы лимитировано 0,1%, фосфора 1,2%, так" как при бсцтьшнх содер- III жаниях повышается количество легкоплав- ких структурных составляющих фосфидной и сульфидной автектик, которые кристаллиэуясь в последнюю очередь, ликвидируют, выделяются по границам зерен s ви- t5 де толстой сплошной сетки, что приводит к снижению пластических и специальных свойств. Однако преимущества нового состава позволяют поднять верхний предел по фосфору до 1,2% без заментного сни- щ жения свойств. Однако преимущества нового состава позволяют поднять верхний предел по фосфору до 1,2% без заметного снижения свойств. Охрупчивающее влияние фосфора может быть в эначнтельной 25 степени уменьшено при вводе в чугун

0,5-1,4% алюминия.

Металлографический анализ покаэыва» ет, что в случае легирования чугуна алюминием фосфидная эвтектика измельчает- 30 ся, включение ее становится изолированными. Кроме того, существенно уменьша- ется величина переходного слоя, насыщен-ного фосфором, вблизи фосфидной эвтектики. В результате влияния этих факторов при вводе алюминия значительно увеличи« ваются пластичность и вязкость чугуна, При вводе до 0,5% алюминия его положи« тельное влияние проявляется незначительно или не проявляется вообще.

При повышении содержания алюминия более 1,4% структура чугуна ухудшаетсяувеличивается и размерах и огрубляется графиту повьнп&ется OKtIOHHocTb K 01фаэо ванию плен, раковин, термостойкость чу- 45 ns уменьшается. Кроме того, ввод в ,жидкий чугун более 1:4% алюминия тех» нологически затруднен.

Тйтан в количеотве более 0,03% способствует получению измельченной первич-® ной структуры, повышению дисперсности графита. При увеличении титана больше

0,20% возможно выделение карбидов, резко ухудшается термостойкость.

Добавка кальция i чугун оказывает мо%3 дифицирующее и рафинирующее воздействие, что приводит к повышению физико-механи ческих свойств, Верхний предел (0,25%) 52 6 взят из условий получения компактйого графита, нижний (0,01%) десульфурации металла.

При содержании свыше 0,01% медь повышает однородность и стабильность структуры, выделяясь иэ твердого раствора при

<А. р . превращениях (при термоциклиро-. вании), медь препятствует выделению графита, способствует уменьшению роста чугуна. Добавки меди в заявленных пределах способствуют благоприятному сочетанию прочности и пластичности. Увеличение меди свыше 1% для алюминиевого чугуна нежелательно, так как введение избыточной меди (охруцчиваюшая фаза по границам зерен) приводит к образованию nosepxпостных трещин при повышенных температураха

Редкоземельные металлы (сумма: церий, ланФан, иттрий и др.) оказывают благоприятное модифицирующее воздействие на структуру чугуна, способствуют сфероядиэации графита, уменьшают сйлоииость чугуна к пленкообраэованию. При остаточном содержании меньшем 0,01% действие

РЗМ не обнаруживается, при содержании большем 0,25%, наступает явление перемодифицирования - ухудшается форма графита, появляются карбиды и свойства чугуна ухудшаются.

Выплавку чугуна различных составов," которые были подвергнуты комплексному исследованию структуры и свойств производили в литейном цехе Опытного производства ИПЛ AH УССР в плавильной печи

МГП-102. В качестве шихтовых материалов применяют литейный чугун марки

ЛК1, ЛК2, ЛКЗ обычный и фосфористый (класс Б, Г), стальной машиностроительный ,лом, вторичный алюминий, медь, ферроспла, вы. Отливают опытные детали толщиной 100, 200 и 300 мм Ь песочные формы. Очпивки разрезаются иа продольные температуры, которые подвергают металлографи:ческому исследованию, и образцы для определения физико-механических и специаль» ных свойств (табл, 1 и 2).

Химический состав, вес.%

ЖМ пп

АК Са Си РЗМ Р

5i Мn Ti

Предложенный

2,5 0,45 0,2 0,03 0,5 . 0,01

001 001 05 ост.

2. 3,4 0,7 0,6 0,12 1,0 0,25 0,96 0,25

0,96

3. 4,3 1,2 1,0 0,20 1,4 0,25 1,0 0,25

1,02

О, 78

4 Зеб 2е 1 4 Oe56 011 2

Т а б л и ц а 2 физико-механические свойства предложенного чугуна и известно1"о г

"43,2 3,9 20,8 0,8 12,0 400 19

44,3 3,7 21,3 0,9 12,3 450 22 л

15000 Тонкая сетка (местами) изолированные крупные вклю чения

5 О 249 13 126 700 18

4В,4

2 165 00 Изолированные мелкие вклю-. чения

47,7 5,3 25,2 2,0 12,8 750 15

35,6 3,6 18,2 0,3 8,9 400 28

4 18500 Разорванная сетка, крупные включения 37 8 3 8 20,3 0,5 8 3 450 29

° /

Известный чугун

5 20000 Разорванная толстая сетка

28еЗ- 4е7- 1 1в4- Оэ1»

30,7 -. 5,2 13,6 0,3

8,3- 1 50- 89-.

8,7 200 73

7 735652 8

Предлагаемый чугун, бпаГодаря улуч- 2,0 кГмlсм ; прочность при 500 С с шепию структуры (оптимизации формы и 8,3-8,7 кгlмм до 10-12 кгlмм, Осо- распределения графита и фосфидной автек- бенно сушественно возрастает термостойтики, распределению фосфора, легированию кость: с 150-200 циклов прн 700 С до алюминием, уменьшению пленкообразова- > 400-.500 циклов. ния), имеет повышенные физико-механичес. Использование чугуна указанного сокие свойства и особенно термостойкость. ставадляцроизводстваизложницпозволяет

Так предел прочности при изгибе повыша- получить значительный технико.-экономи ется с 28,3-30,7 кгс/см до 40-45 кгс/см ческий аффект, использовать в шихте выстрела прогиба с 4,7-5,2 до 5,0-6,0; 10 сокофосфористые чугуны, без снижения предел прочности при растяжении с 11,4- свойств отливок, повысить стойкость из13,6 кгс/мм до 15-25 кгс/мм, ударная ложииц иа 10-12% с экономическим аф1 и вязкость с 0,1-0,3 кГм/см до 1,0- фектом 5,6-6,0 руб. на 1 т. годного.

Таблица 1

9 7356

Формула изобретения

Высокофосфористый чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, титан и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения физико-механических свойств, термостойкости, улучшения структуры, он дополнительно содержит алюминий, кальций, медь и редкоземельные металлы при следующем соотношении компо- и нентов, вес,%:

Углерод - 5-4е3

Кремний 0,45-1,2

Марганец 0i2-1,О

Титан 003 - 0,2 . 15

Фосфор 0,5-1,2

52 10

Алюминий 0,05-1,4

Кальций О, 01-0, 25

Медь 0,01-1, О

Редкоземельные металлы 0,030,25

Железо Остальное

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Справочник ио чугунному литью.

Под ред, Н, Г. Гиршовича. М. - Л., Машгиз, 1961, с. 51, 2. Авторское свидетельство СССР

J4 441331, кл, С 22 С 37/10, 1973.

3. Авторское свидетельство СССР

М 487157, кл С 22 С 37/ОО, 1974, Составитель Г. Луцик

Редактор 3, Шубенко Техред Д. Теспюк Корректор Н. Стен

Заказ 2255/3 Тираж 694 Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, r . Ужгород, ул. Проектная, 4