ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН Российский патент 2008 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным легированным конструкционным чугунам для литых деталей двигателей с повышенными антифрикционными и другими специальными свойствами, не подвергающихся термической обработке и работающих при трении в газовых средах.

Известен высокопрочный легированный антифрикционный чугун марки АВЧ-2 (ГОСТ 1585-85). Этот чугун имеет в отливках перлитно-ферритную структуру и недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ), предела выносливости (150-170 МПа), эксплуатационной стойкости и износостойкости в условиях трения.

Детали из этого чугуна не обеспечивают длительной эксплуатационной стойкости в сложнонапряженных условиях и в газовых средах. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения составляет 3...12 МПа·м/с.

Известен также высокопрочный легированный чугун для отливок со специальными свойствами марки ЧНДХМШ (ГОСТ 7769-82, с.4, табл.2). Этот легированный чугун с шаровидным графитом имеет высокие характеристики прочности (не менее 600 МПа), твердости (270-320 НВ), предела коррозионной усталости (250-275 МПа), однако низкие антифрикционные, упруго-пластические и эксплуатационные свойства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный чугун для износостойких литых деталей (А.с. 926058, СССР, С22С 37/10, 1982, прототип) следующего химического состава, мас.%:

Углерод2,2-2,4Кремний1,0-1,8Марганец0,1-0,3Никель3,0-3,5Молибден0,3-0,5Хром0,1-0,3Медь1,6-2,5Магний0,03-0,05Церий0,010,02ЖелезоОстальное

Механические и эксплуатационные свойства известного чугуна:

Временное сопротивление, МПа690-735Предел текучести, МПа210-250Коэффициент трения0,47-0,55Предел выносливости, МПа175-190Износостойкость при сухом трении, мкм/км0,38-0,45Предельный режим работы при трении, МПа·м/с15-22

Известный чугун содержит недостаточное количество графитизирующих компонентов (углерода, кремния и церия) и высокую концентрацию легирующих, аустенизирующих структуру элементов (никеля, молибдена, меди и хрома), способствующих образованию преимущественно крупнозернистой аустенитной металлической основы с низким содержанием свободного графита в структуре в отливках и недостаточными упруго-пластическими, антифрикционными и эксплуатационными свойствами. Недостатком известного чугуна являются низкие характеристики антифрикционных свойств, предела выносливости и износостойкости.

Задачей данного технического решения является повышение антифрикционных свойств, предела выносливости и износостойкости чугуна.

Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий и железо, дополнительно содержит титан, алюминий, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод3,1-3,6Кремний2,0-2,5Марганец0,8-1,2Никель0,7-1,5Молибден0,2-0,4Медь0,6-1,5Хром0,02-0,06Магний0,02-0,03Церий0,03-0,05Титан0,03-0,55Алюминий0,02-0,12Фосфор0,03-0,10Кальций0,002-0,01ЖелезоОстальное

Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - титана, алюминия и фосфора и дополнительное модифицирование его кальцием, что существенно повышает дисперсность и стабильность системы, антифрикционные свойства, предел выносливости и износостойкость. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены эти отличия. Кроме того, они являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.

Титан введен как графитизирующая и микролегирующая добавка, повышающая дисперсность структуры и содержание в ней перлита и вермикулярного графита и обеспечивающая увеличение износостойкости, предела выносливости, стабильности коэффициента трения и эксплуатационных свойств чугуна в отливках. При содержании его менее 0,03% графитизирующий и микролегируюший эффекты и антифрикционные свойства недостаточны, а при содержании более 0,55% снижаются однородность структуры, предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость.

Дополнительное введение алюминия обусловлено тем, что он является эффективной раскисляющей и микролегирующей добавкой, уменьшающей содержание неметаллических включений в отливках и повышающей однородность и дисперсность структуры, предел выносливости, антифрикционные и упруго-пластические свойства чугуна. При содержании алюминия до 0,02% износостойкость, предел выносливости и антифрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 0,12% увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики эксплуатационной стойкости и износостойкости.

Фосфор в количестве 0,03-0,10% обеспечивает образование фосфидной эвтектики в структуре и повышение износостойкости и стабильности антифрикционных свойств. При концентрации его более 0,1% снижаются механические свойства, а при содержании фосфора до 0,03% износостойкость и антифрикционные свойства недостаточны.

Дополнительное введение 0,002-0,01% кальция обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры металлической основы, он очищает границы зерен, существенно повышает упруго-пластические свойства. При концентрации его менее 0,002% модифицирующий эффект, предел выносливости и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,01% увеличивается угар, снижаются однородность структуры, износостойкость и предел выносливости.

Повышение содержания углерода (3,1-3,6%) и кремния (2,0-2,5%) принято исходя из опыта производства высокопрочных антифрикционных чугунов для отливок преимущественно с мелкозернистой перлитной структурой в литом состоянии, с высокими характеристиками механических свойств, износостойкости и антифрикционных свойств в условия трения. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 3,6 и 2,5% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, предела выносливости, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,1 и 2,0% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и содержание аустенита и цементита в структуре, что снижает пределы выносливости и текучести, трещиностойкость и удароустойчивость.

Содержание магния, являющегося основной сфероидизирующей графит модифицирующей добавкой, снижено до 0,02-0,03% с целью уменьшения в структуре содержания графита шаровидной формы и коэффициента трения и увеличения в структуре количества вермикулярного графита, предела выносливости и износостойкости чугуна. При содержании магния до 0,02% в структуре шаровидного графита не образуется и механические и антифрикционные свойства низкие. При концентрации магния более 0,03% количество шаровидного графита достигает более 40%, что снижает предел выносливости и антифрикционные свойства.

Содержание церия увеличено до 0,03-0,05%, что способствует повышению антифрикционных свойств и износостойкости и соответствует концентрациям по общепринятым нормам в двигателестроении при производстве литых деталей цилиндро-поршневой группы из высокопрочных чугунов с вермикулярным (компактным) графитом. При концентрации церия более 0,05% повышаются его безвозвратные потери (угар), неоднородность структуры и снижаются механические свойства чугуна.

Медь, марганец, никель, молибден и хром являются основными легирующими компонентами высокопрочных чугунов, обеспечивающие высокие характеристики прочности, износостойкости, пределов выносливости и усталости, но оказывающие неоднозначное влияние на упруго-пластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства.

Медь является перлитизирующим структуру компонентом, повышающим антифрикционные свойства и предел выносливости. При ее содержании в количестве от 0,6 до 1,5% обеспечивается существенное повышение износостойкости, предела выносливости и антифрикционных свойств. При снижении концентрации меди менее 0,6% антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении ее содержания более 1,5% снижаются характеристики износостойкости и трещиностойкости.

Содержание никеля в чугуне снижено до концентрации 0,7-1,5%, так как при содержании более 1,5% он снижает антифрикционные и эксплуатационные свойства, увеличивая неоднородность структуры, склонность к трещинам и нестабильность коэффициента трения. При концентрации никеля менее 0,7% дисперсность структуры, предел выносливости и эксплуатационные свойства недостаточны.

Хром в количестве от 0,02 до 0,06% и молибден (0,02-0,04%) повышают твердость, предел выносливости, коррозионную стойкость и износостойкость чугуна в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома и молибдена соответственно более 0,06% и 0,04% повышается содержание в структуре цементита и карбидов и снижаются антифрикционные и упруго-пластические свойства. При их концентрации менее 0,02% прочность, твердость, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются.

Повышение концентрации марганца до 0,8-1,2% обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышением технологических, механических и антифрикционных свойств. При повышении концентрации марганца более 1,2% увеличиваются остаточные напряжения и снижаются предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость, а при снижении концентрации марганца менее 0,8% повышается содержание в структуре феррита и свободного графита, что снижает механические и эксплуатационные характеристики чугуна.

Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального лома, алюминия А91, ферромарганца, ферромолибдена, ферротитана и других ферросплавов. Микролегирование никелем, ферромарганцем и ферротитаном производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в ковше с использованием экзотермических таблеток на основе алюминия, содержащих никель-магниевую лигатуру и ферроцерий при температуре 1320-1340°С. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний. В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.

Металлографические исследования и анализ структурных составляющих проводят в соответствии с ГОСТ 3343-87. Определение прочностных свойств проводят по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм с расчетной длинной 70 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм, а предел коррозионной усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 10⁷ циклов.

В табл.2 приведены механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства высокопрочных чугунов опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах. Графит в отливках из предложенного чугуна имел преимущественно вермикулярную форму, а дисперсность перлита не превышала ПД 0,5 по ГОСТ 3443-87.

Как видно из табл.2, предложенный чугун имеет более высокие характеристики предела коррозионной усталости, износостойкости и антифрикционных свойств.

Таблица 1КомпонентыСодержание компонентов, мас.%, (железо - остальное), в чугуне состава1 (Извест.)23456Углерод2,42,53,13,33,63,8Кремний1,51,72,02,12,52,7Марганец0,30,30,81,01,21,4Никель3,11,10,71,11,51,6Молибден0,20,20,20,320,40,5Хром0,20,0070,010,030,060,1Медь2,10,30,61,11,51,7Магний0,050,010,020,030,030,04Церий0,020,020,030,040,050,06Титан-0,020,030,0430,550,72Кальций-0,0010,0020,0060,010,015Фосфор-0,0120,030,050,100,12Алюминий-0,050,050,090,120,14

Таблица 2Свойства чугуновПоказатели для составов чугуна1 (Извест.)23456Временное сопротивление, МПа695650730761755690Предел текучести, МПа245251270287729268Предельный режим при трении, МПа·м/с222325302724Скорость износа при сухом трении, мкм/км0,420,380,350,260,320,36Предел выносливости, МПа187193207221216195Дисперсность перлита (ПД по ГОСТ 3443-87)1,01,00,50,30,51,0Количество вермикулярного графита в структуре, %404575908760Коэффициент трения0,480,460,430,380,410,45Склонность к трещинообразованию (количество трещин в пробе)6,66,14,23,23,74,1

Изобретение относится к металлургии, в частности к высокопрочным легированным конструкционным чугунам для литых деталей двигателей. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,1-3,6; кремний 2,0-2,5; марганец 0,8-1,2; никель 0,7-1,5; молибден 0,2-0,4; медь 0,6-1,5; хром 0,02-0,06; магний 0,02-0,03; церий 0,03-0,05; титан 0,03-0,55; алюминий 0,02-0,12; фосфор 0,03-0,10; кальций 0,002-0,01; железо - остальное. Чугун имеет высокие антифрикционные свойства, предел выносливости и износостойкость. 2 табл.

Высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, алюминий, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод3,1-3,6кремний2,0-2,5марганец0,8-1,2никель0,7-1,5молибден0,2-0,4медь0,6-1,5хром0,02-0,06магний0,02-0,03церий0,03-0,05титан0,03-0,55алюминий0,02-0,12фосфор0,03-0,10кальций0,002-0,01железоостальное.