Комплексный модификатор для графитизированных антифрикционных чугунов Российский патент 2024 года по МПК C21C1/08 C22C37/00 

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу для комплексного модифицирования серого антифрикционного чугуна, который используется для изготовления деталей, работающих в узлах трения, в частности для поршневых колец.

Известен комплексный модификатор для серого чугуна [1], следующего состава, %: медь – 24-36, кремний – 24-32, железо – 3-4, кальций – 12-16, олово – 4-5, алюминий – 4-5, титан – 8-10, натрий – 5-8.

Недостатком данного комплексного модификатора является высокая концентрация кальция в составе 12-16%. При таком содержании кальция, в процессе растворения модификатора, происходит усиленное шлакообразование и увеличивается содержание неметаллических включений, что приводит к снижению механических свойств полученного чугуна, недостатком также является высокая концентрация алюминия и титана, которые могут способствовать ферритизации структуры.

Известна лигатура для производства чугуна [2], следующего состава, %: медь – 45,0-55,0, олово – 5,5-6,5, кремний – 15,0-20,0, кальций – 0,03-0,2, алюминий – 0,1-1,0, железо – остальное, которую используют в дробленом виде с размером частиц 3,2-16 мм.

Недостатки лигатуры, следующие: наличие в составе модификатора олова, способствует формированию грубодисперсного перлита, который снижает уровень прочностных свойств и эксплуатационных характеристик антифрикционного чугуна.

Наиболее близкой по техническим решениям, выбранной в качестве прототипа, является лигатура для производства отливок из серого чугуна [3], состоящая из следующих компонентов, %: медь – 45,0-65,0, олово – 5,5-15,0, кремний – 15,0-20,0, кальций – 0,5-3,0, алюминий – 0,1-1, барий – 0,5-2,0, редкоземельные металлы– 1,0-3,0, железо – остальное.

Недостатком данной лигатуры является наличие в составе бария, который способствует образованию в структуре металлической матрицы феррита, что способствует ухудшению механических свойств (твердости и прочности), олово в составе также нежелательно по причине его влияния на формирование неблагоприятной по морфологии эвтектоидной структуры, которая снижает механические и эксплуатационные свойства чугуна.

Задачей изобретения является улучшение эксплуатационных, в частности триботехнических (коэффициента трения) и механических (твердость и прочность) свойств отливок из серого антифрикционного чугуна.

Указанная задача достигается тем, что комплексный модификатор для графитизированных антифрикционных чугунов, включающий кремний, кальций, алюминий, редкоземельные металлы и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фосфористую медь МФ9 ГОСТ 4515-93 и стронций в следующем соотношении компонентов, мас. %:

МФ9 ГОСТ 4515-93 – 45,0…65,0

Кремний – 15,0…20,0

Кальций – 0,5…3,0

Алюминий – 0,1…1,0

Стронций – 1,0…2,0

Редкоземельные

металлы – 1,0…3,0

Железо – остальное

Заявляемый комплексный модификатор используется в дробленом виде с размером частиц 1-10 мм. Для его получения, исходные составляющие лигатуры измельчают до нужной фракции 1-10 мм и перемешивают для равномерного распределения всех компонентов.

Применение в составе комплексного модификатора фосфористой меди МФ9 ГОСТ 4515-93, вместо меди и олова, как в прототипе, улучшает триботехнические характеристики полученного чугуна. Фосфористая медь МФ9 представляет собой доэвтектический сплав меди и фосфора, с содержанием последнего 8,0-9,5 мас. %. При взаимодействии с расплавом чугуна компонент модификатора, – фосфористая мель легко расплавляется с образованием твердого раствора меди и химического соединения Cu₃P, которое при температурах модифицирования подвергается термической диссоциации. Химические элементы распределяясь в расплаве чугуна, оказывают микролегирующее воздействие на процессы структурообразования, протекающие при затвердевании серого чугуна. Во-первых, медь, преобладающая в составе сплава МФ9 способствует перлитизации структуры, за счет образования пленочных наноразмерных включений на границе феррит-цементит в колонии пластинчатого перлита. Такое распределение медистой фазы способствует стабильному получению перлитной металлической матрицы, без структурно-свободного цементита в структуре антифрикционного чугуна, что улучшает механические свойства и способствует снижению коэффициента трения, при этом медистая фаза играет роль «твердой смазки». Во-вторых, фосфор, входящий в состав сплава МФ9, растворяясь в чугуне способствует формированию в его структуре фосфида железа, являющегося неотъемлемой частью тройной фосфидной эвтектики – стедита. Стедит в условиях трения скольжения способствует возникновению на контактирующих поверхностях деталей эффекта «самофосфотирования», который заключается в том, что компоненты составляющие фосфидную эвтектику в зоне трения превращаются в фосфаты железа и марганца, которые в значительной степени улучшают триботехнические характеристики материала. Этот процесс является самовозобновляемый, поэтому в процессе изнашивания в зоне трения постоянно возникают новые фосфиды железа и марганца, а также включения медистой фазы, снижающие коэффициент трения в зоне контакта трущихся деталей.

Замена в составе комплексного модификатора бария 0,5-2 мас. % на стронций в количестве 1,0-2,0 мас. % обусловлена тем, что барий является элементом-ферритизатором, наличие которого в составе антифрикционного чугуна ухудшает механические свойства. В свою очередь, стронций является активным элементом, способствующим формированию графитовых включений в чугуне, что способствует измельчению графитовой фазы в структуре антифрикционного чугуна.

Чугун выплавляли в индукционной печи типа ИЧТ-50. Состав шихты: передельный чугун и стальная обрезь Ст3, которая загружалась на дно тигля. Расплав в печи доводили до температуры 1440-1460 °C и сливали в ковш емкостью 25 кг, на дно которого предварительно укладывали комплексный модификатор фракции 1-10 мм в количестве 1,5-2 % по массе. Расплав в ковше перемешивали и после снимали с поверхности шлак. Из ковша расплав заливали в песчано-глинистые формы не позднее чем через 2 мин.

Были проведены экспериментальные плавки с получением маслотных заготовок для поршневых колец, так как к данным деталям предъявляются особые требования по механическим и триботехническим свойствам. В экспериментальных плавках варьировались различные соотношения компонентов комплексного модификатора. По результатам плавок были получены образцы для исследования механических и триботехнических свойств, которые представлены в таблице 1.

Из анализа результатов исследований следует, что оптимальное содержание фосфористой меди, с другими компонентами модификатора, приводит по сравнению с прототипом к повышению механических и триботехнических свойств отливок из серого антифрикционного чугуна.

Источники информации, использованные при составлении заявки:

1. Комплексный модификатор для серого чугуна. Дибров И.А., Довбня С.А., Зайцев В.С., Зенков Б.Б., Кобелев Н.И., Комиссаров В.А. Патент СССР 401746. Бюл. №44 14.11.1974. МПК С22С 35/00. – с. 1.

2. Лигатура для производства отливок из чугуна. Агеев Ю.А., Шкуркин В.И., Шенчуков Н.А. Патент РФ 2360025. Бюл. №18 27.06.2009. МПК С22С 35/00, С21С 1/08. – с. 7.

3. Лигатура для производства отливок из серого чугуна. Агеев Ю.А., Шкуркин В.И., Шенчуков Н.А. Патент РФ 2529148. Бюл. №27 27.09.2014. МПК С22С 35/00, С21С 1/08. – с. 7.

Таблица 1

№ состава Химический состав, в мас. % Твердость, НВ Предел прочности, σ_в, МПа Коэффициент трения в условиях смазки сплав МФ9 Cu Sn Si Ca Al РЗМ Ba Sr Fe 1 30,0 – 44,0 - - 14,0 – 18,0 2,5 – 4,0 0,9 – 1,5 2,5 – 4,0 - 0,1 – 0,5 ост. 212 - 229 250 - 280 0,15 – 0,18 2 45,0 – 65,0 - - 15,0 – 20,0 0,5 – 3,0 0,1 – 1,0 1,0 – 3,0 - 1,0 – 2,0 ост. 241 - 255 280 - 330 0,09 – 0,11 3 66,0 – 70,0 - - 10,0 – 15,0 0,5 – 1,0 0,5 – 1,0 0,5 – 1,0 - 0,5 – 1,0 ост. 235 - 269 300 - 350 0,1 – 0,15 Прототип - 45,0-65,0 5,5-15,0 15,0-20,0 0,5-3,0 0,1-1,0 1,0-3,0 0,5-2,0 - ост. 215-248 240-310 0,11 – 0,13

Изобретение относится к металлургии, в частности к составу для комплексного модифицирования серого антифрикционного чугуна, который используется для изготовления деталей, работающих в узлах трения, в частности для поршневых колец. Комплексный модификатор содержит, мас. %: МФ9 ГОСТ 4515-93 45,0-65,0, кремний 15,0-20,0, кальций 0,5-3,0, алюминий 0,1-1,0, стронций 1,0-2,0, редкоземельные металлы 1,0-3,0, железо остальное. Изобретение улучшает эксплуатационные и триботехнические характеристики, в т.ч. коэффициент трения, а также повышает твердость и прочность отливок из серого антифрикционного чугуна. 1 табл.

Комплексный модификатор для графитизированных антифрикционных чугунов, включающий кремний, кальций, алюминий, редкоземельные металлы и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит фосфористую медь МФ9 и стронций в следующем соотношении компонентов, мас. %:

МФ9 45,0…65,0 Кремний 15,0…20,0 Кальций 0,5…3,0 Алюминий 0,1…1,0 Стронций 1,0…2,0 Редкоземельные металлы 1,0…3,0 Железо остальное