RU2449044C1

RU2449044C1 - Nonmagnetic cast iron

Info

Publication number: RU2449044C1
Application number: RU2010154570/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Анатольевич Алов (RU); Виктор Анатольевич Алов; Валерий Михайлович Карпенко (BY); Валерий Михайлович Карпенко; Олег Модестович Епархин (RU); Олег Модестович Епархин; Михаил Иванович Карпенко (BY); Михаил Иванович Карпенко; Александр Николаевич Попков (RU); Александр Николаевич Попков
Priority date: 2010-12-30
Filing date: 2010-12-30
Publication date: 2012-04-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention refers to metallurgy, and namely to nonmagnetic austenitic cast irons with low coefficient of linear expansion. Cast iron contains the following, wt %: carbon 3.1-3.6; silica 2.1-2.5; manganese 8-10; copper 0.8-2.5; chrome 0.07-0.1; aluminium 0.3-0.8; rare-earth metals 0.02-0.06; barium 0.03-0.06; sulphur 0.02-0.06; boron 0.002-0.02; iron is the rest.

EFFECT: obtained cast iron has reduced hardness in cast state, low strength thermal stresses and high cutting performance of cast iron.

2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к немагнитным аустенитным чугунам с низким коэффициентом линейного расширения, используемым в электротехнической промышленности и точном машиностроении и обладающим хорошей обрабатываемостью на металлорежущих станках.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to non-magnetic austenitic cast irons with a low coefficient of linear expansion, used in the electrical industry and precision engineering and having good machinability on metal cutting machines.

Известен легированный немагнитный чугун (Патент Великобритании №14752292, МПК C22C 37/08, 1971) содержащий, мас.%:Known alloyed non-magnetic cast iron (British Patent No. 14752292, IPC C22C 37/08, 1971) containing, wt.%:

УглеродCarbon 3,2-3,63.2-3.6 МарганецManganese 1,77-2,231.77-2.23 ТитанTitanium 1,151.15 НиобийNiobium 1,151.15 ВанадийVanadium 1,151.15 ФосфорPhosphorus 0,010.01 СераSulfur 0,03-0,10.03-0.1 ЖелезоIron ОстальноеRest

Известный чугун имеет высокий коэффициент линейного расширения и не обеспечивает получения в отливках мелкозернистой аустенитной структуры со стабильными немагнитными, физико-механическими и эксплуатационными свойствами.Known cast iron has a high coefficient of linear expansion and does not provide obtaining in the castings of a fine-grained austenitic structure with stable non-magnetic, physico-mechanical and operational properties.

Известен также легированный аустенитный марганцевый чугун (Галдин Н.М. Отливки в точном машиностроении. - М: Машиностроение, 1983. - С.9) содержащий, мас.%:Also known is alloyed austenitic manganese cast iron (Galdin N.M. Castings in precision engineering. - M: Mechanical Engineering, 1983. - P.9) containing, wt.%:

УглеродCarbon 3,543,54 КремнийSilicon 3,313.31 МарганецManganese 10,0610.06 ФосфорPhosphorus 0,1240.124 СурьмаAntimony 0,3-0,40.3-0.4 СераSulfur 0,020.02 ЖелезоIron ОстальноеRest

Этот чугун имеет в отливках более однородную аустенитную структуру, удовлетворительно обрабатывается на металлорежущих станках, но высокие концентрации кремния, сурьмы и углерода увеличивают коэффициент линейного расширения и снижают трещиностойкость, технологические и физико-механические свойства.This cast iron has a more uniform austenitic structure in castings, is satisfactorily processed on metal-cutting machines, but high concentrations of silicon, antimony and carbon increase the coefficient of linear expansion and reduce crack resistance, technological and physicomechanical properties.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является немагнитный чугун (А.с. СССР №1216239, МПК C22C 37/10, 1986) следующего химического состава, мас.%:The closest technical solution, selected as a prototype, is non-magnetic cast iron (AS USSR No. 1216239, IPC C22C 37/10, 1986) of the following chemical composition, wt.%:

УглеродCarbon 2,8-3,62.8-3.6 КремнийSilicon 1,5-2,31.5-2.3 МарганецManganese 8-108-10 МедьCopper 0,8-2,50.8-2.5 ХромChromium 0,08-0,50.08-0.5 АлюминийAluminum 0,6-0,80.6-0.8 Редкоземельные металлыRare earth metals 0,01-0,10.01-0.1 ЖелезоIron ОстальноеRest

Известный чугун обладает следующими свойствами:Known cast iron has the following properties:

Предел прочности при изгибе, МПаBending Strength, MPa 760-870760-870 Твердость в литом состоянии, HRCHardness cast, HRC 51-5751-57 Коррозийная стойкость, г/м²·чCorrosion resistance, g / m ² · h 0,040-0,0480,040-0,048 Коэффициент линейного расширенияLinear expansion coefficient от 20 до 100°C, α·10⁶, 1/°Cfrom 20 to 100 ° C, α · 10 ⁶ , 1 / ° C 12-1512-15 Величина остаточных термических напряжений, МПаThe value of residual thermal stresses, MPa 28-4028-40 Магнитная проницаемость, μ·10⁶, Гн/мMagnetic permeability, μ · 10 ⁶ , GN / m 2,8-3,52.8-3.5

Недостатками известного чугуна являются повышенные значения твердости в литом состоянии, магнитной проницаемости и остаточных термических напряжений в отливках. Повышенные значения твердости и остаточных термических напряжений ухудшают обрабатываемость чугуна резанием.The disadvantages of the known cast iron are increased values of hardness in the cast state, magnetic permeability and residual thermal stresses in the castings. Increased values of hardness and residual thermal stresses affect the machinability of cast iron by cutting.

Задачей данного технического решения является снижение твердости в литом состоянии, остаточных термических напряжений и улучшение обрабатываемости чугуна резанием.The objective of this technical solution is to reduce the hardness in the molten state, residual thermal stresses and improve machinability of cast iron by cutting.

Поставленная задача решается тем, что немагнитный чугун, содержащий углерод кремний, марганец, медь, хром, алюминий, редкоземельные металлы и железо, дополнительно содержит барий, серу и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:The problem is solved in that non-magnetic cast iron containing carbon silicon, manganese, copper, chromium, aluminum, rare earth metals and iron, additionally contains barium, sulfur and boron in the following ratio of components, wt.%:

УглеродCarbon 3,1-3,63.1-3.6 КремнийSilicon 2,1-2,52.1-2.5 МарганецManganese 8-108-10 МедьCopper 0,8-2,50.8-2.5 ХромChromium 0,07-0,10.07-0.1 АлюминийAluminum 0,3-0,80.3-0.8 Редкоземельные металлыRare earth metals 0,02-0,060.02-0.06 БарийBarium 0,03-0,060.03-0.06 СераSulfur 0,02-0,060.02-0.06 БорBoron 0,002-0,020.002-0.02 ЖелезоIron ОстальноеRest

Дополнительное введение в чугун бария (0,03-0,06 мас.%) обусловлено существенным графитизирующим и микролегирующим влиянием его на структуру, снижение твердости, остаточных термических напряжений и улучшение обрабатываемости резанием. При увеличении содержания бария более 0,06% снижается магнитная проницаемость чугуна, ухудшается усвояемость бария расплавленным металлом и увеличиваются его потери.An additional introduction of barium into cast iron (0.03-0.06 mass%) is due to its significant graphitizing and microalloying effect on the structure, reduction of hardness, residual thermal stresses and improvement of machinability by cutting. With an increase in barium content of more than 0.06%, the magnetic permeability of cast iron decreases, the absorption of barium by the molten metal decreases, and its loss increases.

При концентрации бария до 0,03% его влияния на структуру и технологические свойства чугуна недостаточно.At a barium concentration of up to 0.03%, its effect on the structure and technological properties of cast iron is not enough.

Дополнительное введение 0,02-0,06% серы обусловлено ее влиянием на снижение твердости чугуна в отливке, повышение обрабатываемости резанием и снижение коэффициента линейного расширения. При увеличении содержания серы более 0,06% увеличивается неоднородность структуры и снижается стабильность механических и технологических свойств. При концентрации серы менее 0,02% повышаются коэффициент линейного расширения, твердость чугуна в отливках и ухудшается обрабатываемость резанием.The additional introduction of 0.02-0.06% sulfur is due to its effect on the decrease in the hardness of cast iron in the casting, an increase in machinability by cutting, and a decrease in the coefficient of linear expansion. With an increase in sulfur content of more than 0.06%, the heterogeneity of the structure increases and the stability of mechanical and technological properties decreases. At a sulfur concentration of less than 0.02%, the coefficient of linear expansion increases, the hardness of cast iron in the castings and the machinability by cutting deteriorates.

Дополнительное введение в чугун бора обусловлено его влиянием на снижение магнитной проницаемости и повышение стабильности механических и технологических свойств. При увеличении концентрации бора более 0,02% повышается твердость чугуна в отливках и ухудшается обрабатываемость резанием. При концентрации бора менее 0,002% повышается магнитная проницаемость чугуна, увеличиваются остаточные термические напряжения в отливках.An additional introduction of boron to cast iron is due to its effect on a decrease in magnetic permeability and an increase in the stability of mechanical and technological properties. With an increase in boron concentration of more than 0.02%, the hardness of cast iron increases and the machinability by cutting deteriorates. At a boron concentration of less than 0.002%, the magnetic permeability of cast iron increases, and the residual thermal stresses in the castings increase.

Применение состава предложенного немагнитного чугуна позволяет снизить твердость в литом состоянии, остаточные термические напряжения и улучшить обрабатываемость чугуна резанием. 2 табл.The use of the composition of the proposed non-magnetic cast iron can reduce the hardness in the cast state, residual thermal stresses and improve the machinability of cast iron by cutting. 2 tab.

Опытные плавки чугунов проводили в открытых индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-95), передельного чугуна марки ПЛПБ2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А, чугунного лома марки 17А, ферромарганца ФМн78, катодной меди, ферробора, силикобария и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна составляла 1430-1480°C. Микролегирование чугуна медью и ферробором производили после рафинирования расплава в печи, а модифицирование селикобарием, редкоземельными металлами и алюминием - в ковше, с использованием экзотермических присадок. Заливку чугуна производили в литейные формы из холоднотвердеющих смесей (ХТС). В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.Pilot cast iron melts were carried out in open induction crucible furnaces using cast iron of the L2ShB2 brand (GOST 4832-95), pig iron of the PLPB2 brand (GOST 805-90), steel scrap of grades 1A and 2A, cast iron scrap of grade 17A, ferromanganese FMN78, cathode copper , ferroboron, silicobarium and other ferroalloys. The temperature of the cast iron was 1430-1480 ° C. The microalloying of cast iron with copper and ferroboron was carried out after the melt was refined in a furnace, and the modification with silikobarium, rare-earth metals and aluminum was performed in a ladle using exothermic additives. Cast iron was poured into molds from cold-hardening mixtures (CTS). Table 1 shows the chemical compositions of cast irons of experimental swimming trunks.

Для исследования структуры и свойств чугуна отливали стандартные образцы (диаметр 30 мм) для механических испытаний, технологические пробы, отливки крышек масляных выключателей, нажимных колец электромашин и концевых коробок трансформаторов.To study the structure and properties of cast iron, standard samples (diameter 30 mm) were cast for mechanical tests, technological tests, castings of the covers of oil switches, pressure rings of electric machines and end boxes of transformers.

В таблице 2 приведены механические, технологические и физические свойства чугунов опытных плавок. Исследования остаточных термических напряжений чугунов в отливках проводились на решетчатых технологических пробах, склонных к трещинообразованию - на звездообразных пробах высотой 146 мм. Механические испытания проводились в соответствии с ГОСТ 24805 и ГОСТ 27208. Обрабатываемость резанием и оптимальную скорость резания определяли на токарных полуавтоматах с ЧПУ модели СА562Ф3 при механической обработке нажимных колец электромашин. В качестве эталона при сравнении обрабатываемости чугунов опытных плавок использовали антифрикционный чугун марки АЧС-5, имеющий аустенитную структуру и твердость 180 НВ. Склонность к трещинообразованию оценивали по количеству трещин в технологической пробе.Table 2 shows the mechanical, technological and physical properties of the cast irons of experimental melts. Residual thermal stresses of cast irons in castings were studied on lattice technological samples prone to crack formation - on star-shaped samples 146 mm high. Mechanical tests were carried out in accordance with GOST 24805 and GOST 27208. Machinability and optimal cutting speed were determined on semi-automatic turning machines with CNC model SA562F3 during machining of pressure rings of electric machines. As a reference, when comparing the machinability of cast iron of experimental melts, anti-friction cast iron of the AChS-5 brand was used, having an austenitic structure and a hardness of 180 HB. The tendency to crack formation was evaluated by the number of cracks in the process sample.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун обладает более низкими характеристиками магнитной проницаемости, твердости и остаточных термических напряжений в отливках и более высокими значениями обрабатываемости резанием и трещиностойкости, чем известный чугун.As can be seen from table 2, the proposed cast iron has lower characteristics of magnetic permeability, hardness and residual thermal stresses in castings and higher machinability by cutting and crack resistance than known cast iron.

Таблица 1Table 1 Химические составы литейных сталей опытных плавокChemical compositions of cast steels of experimental swimming trunks КомпонентыComponents Содержание компонентов в чугунах, мас.%The content of components in cast iron, wt.% 1 (Изв.)1 (Izv.) 22 33 4four 55 66 УглеродCarbon 3,23.2 2,82,8 3,13,1 3,43.4 3,63.6 3,83.8 КремнийSilicon 1,91.9 1,91.9 2,12.1 2,32,3 2,52.5 2,62.6 МарганецManganese 9,89.8 7,57.5 88 9,19.1 1010 11eleven МедьCopper 1,21,2 0,60.6 0,80.8 1,41.4 2,52.5 33 АлюминийAluminum 0,70.7 0,10.1 0,30.3 0,60.6 0,80.8 1,21,2 ХромChromium 0,30.3 0,050.05 0,070,07 0,090.09 0,10.1 0,30.3 Редкоземельные металлыRare earth metals 0,10.1 0,010.01 0,020.02 0,040.04 0,060.06 0,070,07 БарийBarium -- 0,020.02 0,030,03 0,050.05 0,060.06 0,080.08 СераSulfur -- 0,010.01 0,020.02 0,040.04 0,060.06 0,070,07 БорBoron -- 0,0010.001 0,0020.002 0,010.01 0,020.02 0,030,03 ЖелезоIron Остальн.Rest Ост.Ost. Ост.Ost. Ост.Ost. Ост.Ost. Ост.Ost.

Таблица 2table 2 Механические и эксплуатационные свойства сталей опытных плавокMechanical and operational properties of steels of experimental swimming trunks Свойства чугуновCast iron properties Показатели свойств для составов чугуновProperty indicators for cast iron compositions 1 (Изв.)1 (Izv.) 22 33 4four 55 66 Предел прочности при изгибе, МПаBending Strength, MPa 790790 805805 860860 875875 880880 845845 Твердость, HRCHardness HRC 5555 5151 4747 4343 4242 4848 Магнитная проницаемость, μ·10⁶, Гн/мMagnetic permeability, μ · 10 ⁶ , GN / m 3,23.2 3,03.0 2,82,8 2,62.6 2,52.5 2,92.9 Величина остаточных термических напряжений, МПаThe value of residual thermal stresses, MPa 3131 2929th 2727 2525 2626 30thirty Коэффициент линейного расширения, α·10⁶,1/°CThe coefficient of linear expansion, α · 10 ⁶ , 1 / ° C 1313 1212 9,29.2 8,68.6 8,18.1 11eleven Оптимальная скорость обработки резанием, об/минOptimum cutting speed, rpm 1100-12001100-1200 1200-13001200-1300 1800-20001800-2000 2200-25002200-2500 2000-22002000-2200 1500-16501500-1650 Обрабатываемость резанием, %Machinability,% 100one hundred 105105 116116 124124 120120 108108 Количество трещин в технологической пробе, nThe number of cracks in the technological sample, n 88 77 33 22 55

Claims

Non-magnetic cast iron containing carbon, silicon, manganese, copper, chromium, aluminum, rare earth metals and iron, characterized in that it additionally contains barium, sulfur and boron in the following ratio of components, wt.%:
carbon 3.1-3.6 silicon 2.1-2.5 manganese 8-10 copper 0.8-2.5 chromium 0.07-0.1 aluminum 0.3-0.8 rare earth metals 0.02-0.06 barium 0.03-0.06 sulfur 0.02-0.06 boron 0.002-0.02 iron rest