ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН Российский патент 2009 года по МПК C22C37/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным чугунам для антифрикционных отливок, получаемых при модифицировании их магнием и церием и используемых в литом состоянии для ответственных деталей двигателей Евро-3, Евро-4, работающих в условиях трения, износа, повышенных механических и термоциклических нагрузок.

Известный высокопрочный антифрикционный чугун АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85) имеет в отливках типа блоки и головки блоков цилиндров двигателей перлитно-ферритную структуру и недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ), предела выносливости (150-170 МПа), трещиностойкости и износостойкости, что снижает стойкость и надежность работы цилиндров в условиях термоциклических нагрузок и трения. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения имеет низкие значения (3…12 МПа·м/с).

Известен также антифрикционный магний-цериевый чугун с вермикулярным графитом типа ЧВГ-45, рекомендованный в ГОСТ 28394-89 для аналогичных отливок. Твердость чугуна в отливках составляет 190…250 НВ, а относительное удлинение не превышает 0,8…1,5%. Предельный режим эксплуатации его в условиях трения низкое и не превышает 12…15 МПа·м/с.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный антифрикционный чугун для износостойких литых деталей (А.с. СССР 1097702, С22С 37/00, 1984) следующего химического состава, мас.%:

Углерод 2,7-3,8 Кремний 2,2-3,5 Марганец 0,5-1,2 Медь 0,3-1,5 Магний 0,03-0,08 Церий 0,005-0,1 Железо Остальное

Предел текучести известного чугуна 235 245 МПа, ударная вязкость 16-20 Дж/см² и предельный режим работы при трении не превышает 15-18 МПа·м/с. Отличаются также высокая скорость износа при сухом трении и повышенная склонность известного антифрикционного чугуна к трещинообразованию (количество трещин в стандартной технологической пробе составляет от 5 до 8).

Существенным недостатком его являются низкие упругопластические свойства и стойкость в условиях ударных нагрузок при изготовлении деталей новых модернизированных двигателей.

Задачей данного технического решения является снижение склонности к трещинам и повышение антифрикционных и упругопластических свойств чугуна в отливках.

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

Углерод 3,2-3,5 Кремний 1,8-2,2 Марганец 0,4-0,8 Медь 0,15-0,7 Олово 0,03-0,10 Никель 0,02-0,25 Хром 0,02-0,06 Магний 0,03-0,05 Церий 0,01-0,02 Фосфор 0,02-0,10 Кальций 0,002-0,01 Железо Остальное

Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - олова, никеля, хрома, фосфора и и дополнительное модифицирование его кальцием, что существенно повышает предел текучести, трещиностойкость, износостойкость и упругопластические свойства. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные отличия являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.

Дополнительное введение олова обусловлено тем, что оно является эффективной микролегирующей и перлитизирующей добавкой, повышающей плотность и трещиностойкость чугуна в отливках с однородной перлитной металлической основой, что обеспечивает увеличение предела текучести, антифрикционные и упругопластические свойства чугуна. При содержании олова до 0,03% износостойкость, трещиностойкость, предел текучести и антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении его концентрации более 0,10% увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики упругопластических свойств и предела текучести.

Никель, медь, хром и марганец являются основными легирующими компонентами высокопрочных антифрикционных чугунов, обеспечивающими высокие характеристики предела прочности и износостойкости, но оказывающими неоднозначное влияние на склонность чугуна к отбелу и другим дефектам, а также на предел текучести, упругопластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства.

Содержание никеля и хрома в чугуне составляет соответственно 0,02-0,25% и 0,02-0,06%, т.к. при концентрации их выше верхних пределов увеличиваются содержание карбидов и цементита в структуре, снижаются однородность структуры, упругопластические, антифрикционные и эксплуатационные свойства. При уменьшении их содержания ниже 0,02% каждого снижается изностойкость и имеются недостаточные характеристики предела текучести, трещиностойкости, твердости и эксплуатационных свойств.

Содержание меди в чугуне ограничено концентрацией 0,7%, т.к. при более высоком ее содержании снижаются характеристики предела текучести, ударной вязкости и износостойкости.

Фосфор является перлитизирующим элементом и при содержании в чугуне от 0,02 до 0,1% повышает технологические свойства, дисперсность структуры в отливках, износостойкость, трещиностойкость, предел текучести и стабильность антифрикционных свойств. При содержании его менее 0,02% микролегирующий эффект недостаточен и технологические свойства, дисперсность структуры, трещиностойкость и износостойкость низкие. При содержании более 0,10% снижаются характеристики однородности структуры, упругопластических свойств, предела текучести и повышаются коэффициент трения, склонность чугуна к трещинам и другим дефектам.

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

Снижение концентрации марганца до 0,4-0,8% обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышение технологических, механических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,8% увеличиваются остаточные напряжения и снижается предел коррозионной усталости, а при снижении концентрации марганца менее 0,4% повышается содержание в структуре феррита и снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна.

Снижение концентрации кремния до 1,8-2,2% и ограничение концентрации углерода в пределах от 3,2 до 3,5% принято с целью снижения склонности отливок к трещинам, отбелу и повышения износостойкости, механических, антифрикционных свойств в условиях трения и знакопеременных нагрузок. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 3,5 и 2.2% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, предела текучести, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,2 и 1,8% повышаются остаточные термические напряжения в отливках, склонность чугуна к трещинам и газоусадочным дефектам, что снижает предел текучести, ударную вязкость, удароустойчивость и упругопластические свойства.

Содержание магния (0,03-0,05%) и церия (0,01-0,02%), являющихся основными сфероидизирующими графитомодифицирующими добавками, соответствует общепринятым нормам их концентрации при производстве высокопрочных антифрикционных чугунов и принято без изменения.

Опытные плавки чугунов производят в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-75), передельного чугуна марки ПЛ11Б2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А (ГОСТ 2787-75), чугунного лома марки 17А (ГОСТ 2787-75), катодной меди, олова, ферромарганца, феррофосфора, силикокальция и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна - 1480-1500°С. Микролегирование ферромарганцем марки ФМн78-2 (ГОСТ 4755-91), оловом марки 01пч (ГОСТ 860-75) и катодной медью марки М 1к (ТУ 859-2001) производят после рафинирования расплава в печи. Модифицирование чугуна при изготовлении образцов, технологических проб и мелких отливок производят в ковше с использованием металлотермических пакетов с комплексными модификаторами, содержащими магний, кальций и церий. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы.

При изготовлении массивных отливок в производственных условиях процесс модифицирования чугуна производят в две стадии: сначала - в ковше при температуре 1450-1480°С с использованием сфероидизирующих комплексных лигатур, а затем в литейных формах с использованием модификатора МКМг19 (ТУ 0826-003-47647304-2001) и графитизирующих добавок. Определение механических свойств проводят по ГОСТ 1497-84 с диаметром 14 мм и расчетной длиной 70 мм. Ударную вязкость определяют на образцах 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм. В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, в табл.2 - их механические и эксплуатационные свойства.

Таблица 1 Компоненты Содержание компонентов, мас.%, (железо - остальное), в чугуне состава 1 (Извест.) 2 3 4 5 6 Углерод 3,8 2,5 3,2 3,3 3,5 3,8 Кремний 3,0 1,7 1,8 2,1 2,2 2,5 Марганец 1,2 0,3 0,4 0,5 0,8 1,0 Никель - 0,01 0,02 0,11 0,25 0,38 Хром - 0,01 0,02 0,05 0,06 0,14 Медь 1,4 1,3 0,15 0,45 0,7 2,7 Магний 0,05 0,05 0,01 0,03 0,05 0,07 Церий 0,02 0,005 0,01 0,016 0,02 0,04 Олово - 0,01 0,03 0,06 0,10 0,14 Фосфор - 0,02 0,02 0,05 0,10 0,14 Кальций - 0,001 0,002 0,006 0,01 0,02

Таблица 2 Свойства чугунов Показатели для составов чугуна 1 (Изв.) 2 3 4 5 6 Предел текучести, МПа 240 257 265 290 282 275 Ударная вязкость, Дж/см² 19 35 41 56 53 39 Скорость износа при сухом трении, мкм/км 0,40 0,38 0,30 0,24 0,22 0,35 Твердость, НВ 290 267 229 241 235 300 Предельный режим работы при трении, МПа.м/с 17 24 31 35 40 9R Коэффициент трения 0,48 0,44 0,35 0,32 0,4 0,45 Склонность к трещинообразованию (количество трещин в технологической пробе) 6,6 3,7 3,0 2,8 3,2 4,2

Высокопрочный антифрикционный чугун содержит, мас.%: углерод 3,2-3,5; кремний 1,8-2,2; марганец 0,4-0,8; медь 0,15-0,7; никель 0,02-0,25; хром 0,02-0,06; магний 0,03-0,05; церий 0,01-0,02; олово 0,03-0,10; фосфор 0,02-0,10; кальций 0,002-0,01; железо остальное. Использование изобретения позволяет снизить склонность к трещинам и повысить антифрикционные и упругопластические свойства чугуна в отливках. 2 табл.

Высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, магний, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово, фосфор, кальций, никель и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 3,2-3,5 кремний 1,8-2,2 марганец 0,4-0,8 медь 0,15-0,7 никель 0,02-0,25 хром 0,02-0,06 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 олово 0,03-0,10 фосфор 0,02-0,10 кальций 0,002-0,01 железо остальное