Чугун

009452 Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам жаростойких чугунов для работы при температурах до 900 С. В случаях, когда приходится использовать отливки из жаростойких чугунов, в условиях переменных резких нагревов и охлаждений, степень чувствительности чугуна к разрушению вследствие термических ударов оказывается более важной характеристикой длительности работы отливок, чем их жаростойкость и ростоустойчивость. Естественно, что такие чугуны наряду с высокими механическими свойствами, жаростойкостью и ростоустойчивостью должны отличаться и высокой термической стойкостью. Известны чугуны с повышенной окалиностойкостью [1] следующего химического состава, мас.%: Углерод 3,35 Кремний 2,15-2,3 Марганец 0,38-0,48 Хром 0,30-1,0 Алюминий 1,95-3,35 Железо Остальное и чугун [2], содержащий, мас.%: Углерод 2,2-3,7 Кремний 0,5-3,0 Марганец 0,8-3,0 Хром 0,16-1,0 Алюминий 2,0-7,0 Титан 0,1-1,0 Железо и примеси Остальное Механические свойства упомянутых сплавов: B= 18-24 кГс/мм 2, НВ = 222-246. Недостатками этих чугунов являются их неудовлетворительные жаро- и термостойкость, а также механические свойства, что затрудняет их практическое применение в качестве жаростойких материалов. Наиболее близким к заявляемому в рамках настоящего изобретения чугуну является принятый в качестве прототипа чугун [3], содержащий, мас.%: Углерод 2,6-3,6 Кремний 3,6-4,5 Алюминий 3,6-4,5 Хром 0,3-0,8 Марганец 0,4-0,8 Титан или цирконий 0,15-0,5 Кальций 0,2-1,0 Барий 0,2-1,0 Редкоземельные металлы 0,05-0,1 Магний 0,03-0,08 Примеси: Сера 0,01 Фосфор 0,06 Железо Остальное Недостатком такого чугуна является низкая термическая стойкость, что затрудняет его практическое применение в качестве жаростойкого материала при циклически повторяющихся высоких температурах, например в качестве материала для изготовления томильных горшков, используемых для отжига изделий из белого чугуна на ковкий, металлических форм для литья в кокиль, поддонов термических печей, тиглей для плавки алюминия, работающих при высоких температурах или в контакте с агрессивной средой под воздействием тепловых факторов. Задачей настоящего изобретения является создание такого чугуна, который обеспечивал бы повышение термической и коррозионной стойкости изготовленных из него изделий, работающих при температурах до 900 С, в том числе в расплавах жидкого алюминия. Поставленная задача решается тем, что чугун, содержащий кремний, марганец, алюминий, хром,барий, кальций, по меньшей мере один редкоземельный металл, титан, магний, серу, фосфор и железо,дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 2,6-3,6 Кремний 2,5-4,5 Алюминий 2,5-4,5 Хром 0,06-0,2 Марганец 0,4-0,8 Титан 0,03-0,1 Кальций 0,04-0,09-1 009452 Барий 0,012-0,015 Редкоземельные металлы 0,017-0,025 Медь 0,1-0,2 Магний 0,03-0,08 Сера 0,01-0,02 Фосфор 0,05-0,1 Железо Остальное Приведенные соотношения компонентов обеспечивают совокупность высоких свойств чугуна - жаростойкость, окалиностойкость, ростоустойчивость, высокие механические и технологические свойства,удовлетворительную термическую стойкость к разрушению при повышенных (около 900 С) температурах и коррозионную стойкость в расплаве жидкого алюминия. Пределы по содержанию углерода 2,6-3,4% определены по факту получения углерода после модифицирования исходного белого или серого ваграночного чугуна, содержащих углерод в пределах 2,83,6%, ферросиликомагниевой лигатурой, при которой содержание углерода после модифицирования уменьшается на 0,2-0,3% из-за выделения графитовой спели. Содержание углерода не оказывает заметного влияния на механические свойства чугуна при снижении содержания углерода с 3,6 до 2,8%. При этом повышается предел прочности при растяжении примерно на 30 МПа и твердость на 10 ед. НВ. Пределы содержания марганца 0,4-0,8% обусловлены технологией производства чугуна. При увеличении марганца более 0,8% в чугуне увеличивается количество перлита и возрастает чувствительность чугуна к возникновению внутренних напряжений, что приводит к возникновению термических трещин при нагреве. Хром повышает жаростойкость чугуна. Однако при введении его в состав чугуна с шаровидным графитом более 0,2% снижается пластичность, повышается твердость, снижается термическая трещиноустойчивость чугуна из-за включений цементита. Поэтому для обеспечения высоких значений термической стойкости содержание хрома в жаростойком алюминиевом чугуне с шаровидным графитом не должно превышать 0,2%. Введение в состав чугуна алюминия и кремния приводит к повышению ростоустойчивости, окалиностойкости и жаростойкости чугуна. В то же время, повышение содержания в чугуне алюминия более 3,5% приводит к образованию в структуре металлической основы фазы Fe3AlCx, способствующей охрупчиванию чугуна. Поэтому нижний предел содержания алюминия в заявляемом чугуне ограничен 2,5% для случаев изготовления из данного чугуна отливок, испытывающих напряжения и ударные нагрузки,например кокилей, тиглей для плавки алюминия и т.д., от которых требуются более высокие механические свойства. Титан, входящий в состав чугуна, выполняет функцию антиграфитизатора, способствующего образованию вермикулярного графита, является примесным элементом, попадающим в состав чугуна из шихтовых материалов, и в приведенных количествах не оказывает существенного влияния на структуру и свойства чугуна. Введение в состав чугуна кальция, бария и редкоземельных металлов (РЗМ) происходит из ферросиликомагниевой лигатуры и графитизирующего барийсодержащего модификатора. Эти элементы обеспечивают очищающее, рафинирирующее и обессеривающее действие на расплав, создают барьерный слой на границе окалинный слой - подложка, образующийся в процессе эксплуатации при высокой температуре. Эти элементы входят в состав сложных комплексов наряду с окислами кремния, образуются на базе решеток Ме 2 О 3 и МеО 3 и способны испытывать переход из кристаллического строения в жидкое и затем снова в кристаллическое при температурах, близких к 900 С. Стеклующийся слой располагается на границе окалинный слой-подложка и способствует повышению жаро- и термической стойкости. Медь в приведенных количествах 0,1-0,2% вводится в чугун из алюминиевого сплава АК 5 М, является графитизатором и перлитизатором структуры, нейтрализует отрицательное действие хрома и тем самым способствует повышению термической стойкости. Магний в количестве более 0,03%, необходим для получения шаровидной и вермикулярных форм графита, обеспечения высокого уровня механических свойств, жаростойкости, ростоустойчивости и термической стойкости благодаря изолированности графитных включений. Введение магния выше 0,08% нецелесообразно, так как удорожает сплав за счет увеличения добавок ферросиликомагниевой лигатуры. Содержание магния менее 0,02% не обеспечивает получение высокопрочного чугуна. Содержание серы должно быть 0,01% и ниже и не должно превышать 0,02%. При содержании серы 0,01% в структуре чугуна преобладает шаровидный графит, который обеспечивает дальнейшее улучшение всего комплекса рассматриваемых свойств чугуна. При содержании серы 0,03% и выше увеличивается количество вермикулярного графита. При этом рост отливок увеличивается из-за недостаточной изолированности графитных включений, снижается окалиностойкость, термическая стойкость, т.е. данный чугун по своим характеристикам становится ближе к чугуну с пластинчатым графитом. Ниже высокие качества чугуна заявляемого состава будут более подробно проиллюстрированы с помощью некоторых неограничивающих примеров.-2 009452 Примеры Чугун выплавляли в вагранках с кислой футеровкой производительностью 5 т/ч. В качестве шихтовых материалов использовали передельные марки ПЛ 2 или литейные марки Л 5-Л 6 чушковых чугунов,стальной лом, ферросплавы кремния (ФС 45) и марганца (ФМн 70), кокс, антрацит, доломит. Для обработки чугуна использовали алюминиевый сплав, содержащий до 5-7% кремния, до 4% меди, остальное алюминий, ферросиликомагниевую лигатуру VL63M фракции 0,2-1,2 мм и графитизирующий барийсодержащий модификатор SB-5, фракции 0,6-3 мм (производитель СКВ Гиссерай, Германия),ферросиликохром ФСХ-33, содержащий 20-37% Si, не менее 40% хрома. Алюминиевый сплав расплавляли в поворотной газовой печи. На дно специализированного ковша засыпали расчетное количество лигатуры VL63M, затем SB5, а поверх на модификаторы заливали расчетное количество жидкого алюминиевого сплава для получения необходимого количества алюминия в чугуне и служащего одновременно в качестве замедлителя реакции. Ковш заполняли жидким чугуном при температуре не ниже 1380-1420 С. После прохождения реакции и уменьшения пироэффекта чугун перемешивали, счищали шлак и заливали в формы. После остывания томильные горшки извлекали из залитых форм. Всего было отлито тринадцать горшков, из которых восемь горшков из чугуна заявляемого состава (чугун 1-8),три горшка из чугуна, состав которого соответствовал упомянутому выше прототипу (чугун 9-11),а также два горшка из исходного чугуна ваграночной плавки марки СЧ 15 и белого чугуна (чугун 12-13). Полученные томильные горшки загружали отливками из белого чугуна и отправляли в туннельную печь проходного типа, работающую на природном газе. Режим нагрева и охлаждения томильных горшков с отливками: следующий нагрев в течение 10 ч до температуры 1030-1045 С,выдержка в течение 6 ч,охлаждение до 730-770 С,выдержка в течение 14 ч и дальнейшее охлаждение горшков на воздухе. Всего цикл отжига длился 36 ч. Термическую стойкость всех отлитых горшков определяли по числу циклов. Ростоустойчивость измеряли после каждого цикла по измененной фиксированной начальной высоте горшка в мм. Окалиностойкость оценивали визуально по количеству отслоившейся окалины и ее виду после каждого цикла. Данная методика определения термической стойкости, ростоустойчивости и окалиностойкости отличается от стандартных методик. Однако принятая методика наиболее объективно характеризует реальные условия эксплуатации и реальные эксплуатационные характеристики отливок. Составы чугунов по прототипу и заявляемые составы приведены в табл. 1, а результаты испытаний в табл. 2. Таблица 1 Из анализов результатов испытаний, приведнных в табл. 2 следует, что чугуны предлагаемого состава (чугун 1-8) сравнимы с прототипом по ростоустойчивости, а их термическая стойкость превышает термическую стойкость известного чугуна в 5-10 раз. Литература. 1. Патент ПНР 92048, 1997. 2. Авторское свидетельство SU502971, опубл. 15.02.1976. 3. Патент BY4436 Cl, опубл. 30.06.2002. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, хром, барий, кальций, по меньшей мере один редкоземельный металл, титан, магний, серу, фосфор и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: