Високоміцний чавун для тонкостінних виливків

Реферат: Високоміцний чавун містить вуглець, кремній, марганець, магній, алюміній, рідкоземельні метали, нікель, залізо, додатково містить кальцій, барій, титан і хром. Як неминучі домішки в сплаві допускаються фосфор (масова частка до 0,05 %) та сірка (масова частка до 0,015 %). UA 102534 U (12) UA 102534 U UA 102534 U 5 10 15 20 25 30 Корисна модель належить до галузі ливарного виробництва, а саме до виготовлення високоміцного чавуну з кулястим графітом для отримання тонкостінних виливків. Відомий склад високоміцного чавуну для виробництва складних різностінних деталей тракторів і автомобілів (А. с. колишнього СССР №1010153, С22С 37/10; опубл. 07.04.1983 p.) з наступним співвідношенням компонентів, мас. част. %: вуглець 3,2-3,6 кремній 2,3-3,0 марганець 0,2-0,4 магній 0,03-0,07 мідь 0,2-0,5 церій 0,01-0,05 алюміній 0,5-0,9 залізо решта. Даний високоміцний чавун має підвищену міцність, але низьку пластичність. Висока масова частка алюмінію призводить до появи окисних плівок, які негативно впливають на рідкотекучість розплаву і різко знижують пластичність високоміцного чавуну. Більш близьким за складом та властивостями є високоміцний чавун (А. с. колишнього СССР №1174489, С22С 38/10; опубл. 23.08.1985 p.), який має наступне співвідношення компонентів, мас. част. %: вуглець 3,4-3,8 кремній 1,6-2,4 марганець 0,1-0,3 магній 0,04-0,07 алюміній 0,01-0,05 рідкоземельні метали (РЗМ) 0,005-0,05 нікель 0,2-0,7 залізо решта. Чавун-прототип характеризується помірною пластичністю (відносне подовження 4…8 %). Його недоліком є наявність в складі (до 0,7 %) дорогого нікелю і дуже висока ймовірність утворення під час кристалізації структурно-вільного цементиту у тонкостінних виливках, для графітизації якого потрібно проведення енергоємної термічної обробки. Задачею корисної моделі є зниження схильності до утворення структурно-вільного цементиту і підвищення механічних властивостей високоміцного чавуну в тонкостінних виливках. Поставлена задача вирішується тим, що високоміцний чавун, який містить вуглець, кремній, марганець, магній, алюміній, рідкоземельні метали, нікель, залізо, згідно з корисною моделлю, додатково містить кальцій, барій, титан і хром при наступному співвідношенні компонентів, мас. част. %: вуглець 3,35-4,10 кремній 2,80-4,00 марганець 0,10-0,30 магній 0,035-0,055 алюміній 0,01-0,02 рідкоземельні метали (РЗМ) 0,005-0,01 нікель 0,05-0,18 кальцій 0,02-0,09 барій 0,02-0,07 титан 0,01-0,025 хром 0,10-0,20 залізо решта. Як неминучі домішки в сплаві допускаються фосфор (масова частка до 0,05 %) та сірка (масова частка до 0,015 %). Вибір граничних меж компонентів в чавуні запропонованого складу обумовлений наступними обставинами. Вуглець сприяє графітизації як в евтектичному, так і в евтектоїдному інтервалі температур, і феритизації металевої основи. Високий вміст вуглецю є важливою умовою покращення технологічності високоміцного чавуну, забезпечуючи зниження схильності до утворення структурно-вільного цементиту і зменшення усадки. Вміст вуглецю менше 3,30 % може привести до появи структурно-вільного цементиту. Високий вміст вуглецю (більше 4,1 %) може приводити до флотації включень кулястого графіту і їх накопиченню в верхній, відносно роз'єму форми, частині виливка. 1 UA 102534 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Кремній в кількості 2,8-4,0 % сприяє кристалізації чавуну за стабільною системою, ефективно підвищує ступінь графітизації і феритизації структури. Перевищення верхньої межі вмісту кремнію призводить до крихкості легованого кремнієм фериту, що погіршує механічні властивості виливків. Нижня межа кремнію зумовлена його графітизуючим впливом, який при подальшому зменшенні кількості кремнію стає недостатнім. 0,10-0,30 % марганцю дозволяє одержати в литому стані ферито-перлітну структуру високоміцного чавуну без погіршення його механічних властивостей. При такому вмісті марганцю створюються умови для одержання відносного подовження більше 10 % при виготовленні тонкостінних виливків з високоміцного чавуну. Магній є елементом, який сфероїдизує графіт. Нижня межа вмісту магнію (0,035 %) зумовлена необхідністю стабільного одержання кулястого графіту в чавуні. Перевищення верхньої межі вмісту (0,055 %) призводить лише до підвищення витрати модифікаторів без значного впливу на форму графіту і структурні складові металевої матриці чавуну. Алюміній в зазначеній кількості є графітизатором і розкислювачем розплаву. Ефект розкислення чавуну починає проявлятись при концентрації алюмінію 0,01 %. При вмісті вище 0,02 % спостерігається поява окисних плівок у виливках, і, як наслідок, зниження механічних властивостей, особливо пластичності, РЗМ модифікують, розкислюють і десульфурують розплав чавуну, нейтралізують дію домішок демодифікуючих елементів. РЗМ сприяють одержанню неметалевих включень кулястої форми, що позитивно впливає на пластичні властивості чавуну. Нижня межа вмісту РЗМ (0,005 %) достатня для нейтралізації дії домішок демодифікуючих елементів. Верхня межа (0,010 %) зумовлена підвищенням схильності чавуну до відбілювання. Нікель є перлітоутворюючим елементом, який сприяє підвищенню міцності і пластичності високоміцного чавуну. Нижня межа нікелю (0,05 %) зумовлена наявністю нікелю в металевій шихті, верхня - економічністю і доцільністю використання. Кальцій і барій є потужними інокуляторами і графітизаторами в чавуні. Активно сприяють подрібненню включень кулястого графіту і евтектичного зерна, що значно знижує ліквацію карбідоутворюючих елементів, а також фосфору. Нижня межа (0,02 %) забезпечує їх модифікуючу дію на утворення додаткових зародків кулястого графіту і зменшення схильності до утворення структурно-вільного цементиту. Верхня межа (0,09 % для кальцію і 0,07 % для барію) зумовлена тим, що подальше збільшення їх вмісту стає малоефективним. Титан - графітизуючий елемент з високою спорідненістю до кисню, рафінує розплав чавуну. Утворення тугоплавких сполук TiN і TiCN сприяє диспергуванню литої структури, зменшенню ліквації і підвищенню міцності. Оптимальний вміст титану 0,01-0,025 %. Збільшення вмісту титану більше 0,025 % призводить до зниження ступеня сфероїдизації графітних включень. Хром є перлітоутворюючим елементом, який підвищує міцність і твердість чавуну, тому верхня межа по вмісту хрому не перевищує 0,2 %. Нижня межа (0,1 %) зумовлена наявністю хрому в металевій шихті, яка використовується при виплавці чавунів. Виплавку чавунів проводили в індукційній печі ІСТ-016. Модифікування розплаву виконували в ковші магнієвою лігатурою ФСМг7 в кількості 2,2 % від маси розплаву. Для дослідження схильності високоміцного чавуну до утворення структурно-вільного цементиту в сирій піщано-глинистій формі відливали ступінчату пробу з розміром кожної ступені 6060 мм товщиною 1,5; 2,5; 5,0; 10,0 мм. Кількість цементиту в структурі визначали металографічним аналізом в центрі кожної ступені. Для визначення тимчасового опору при розтягуванні (σΒ) та відносного подовження (δ) використовували циліндричні розривні зразки діаметром 5 мм, вирізані з нижньої частини клиновидних проб з товщиною основи 10 мм. В табл. 1 наведено склад отриманих високоміцних чавунів, і в табл. 2 представлені дані металографічного аналізу про кількість цементиту в структурі ступінчатих технологічних проб і результати механічних випробувань. Запропонований склад високоміцного чавуну забезпечує ефективне зниження схильності до утворення структурно-вільного цементиту в тонкостінних виливках і підвищує їх механічні властивості в литому стані - тимчасовий опір при розтягуванні (σΒ) на 3,3-7,5 % і відносне подовження (δ) на 34,0-64,5 %. 55 2 UA 102534 U Таблиця 1 Хімічний склад чавунів № п/п Прототип 1 2 Пропонований 3 4 Чавун С 3,6 3,4 3,7 4,0 Si 2,0 3,9 3,4 2,9 Μn 0,2 0,1 0,2 0,3 Mg 0,052 0,040 0,048 0,053 Масова частка елемента, % ΑΙ РЗМ Ni Са Ва Ті Сr 0,050 0,03 0,4 0,010 0,01 0,15 0,02 0,03 0,01 0,10 0,015 0,01 0,15 0,05 0,05 0,02 0,15 0,020 0,01 0,10 0,08 0,06 0,02 0,20 S 0,014 0,012 0,010 0,010 Ρ 0,045 0,043 0,041 0,041 Fe решта решта решта решта Таблиця 2 Результати досліджень № п/п Відомий 1 2 Пропонований 3 4 Чавун 5 10 Кількість цементиту, %,в ступені товщиною, мм 2 3 5 10 30 25 12 5 3 1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Механічні властивості σΒ, МПа δ, % 602 9,3 622 15,1 630 14,3 648 12,5 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Високоміцний чавун, що містить вуглець, кремній, марганець, магній, алюміній, рідкоземельні метали, нікель, залізо, який відрізняється тим, що додатково містить кальцій, барій, титан і хром, при наступному масовому співвідношенні компонентів, %: вуглець 3,35-4,10 кремній 2,80-4,00 марганець 0,10-0,30 магній 0,035-0,055 алюміній 0,01-0,02 рідкоземельні метали (РЗМ) 0,005-0,01 нікель 0,05-0,18 кальцій 0,02-0,09 барій 0,02-0,07 титан 0,01-0,025 хром 0,10-0,20 залізо решта, як неминучі домішки в сплаві допускаються фосфор (масова частка до 0,05 %) та сірка (масова частка до 0,015 %). Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3