Чугун Советский патент 1984 года по МПК C22C37/00 

00

to

4

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке состава чугуна с высокой стойкостью к образованию эадиров на трущихся поверхностях, например цилиндрических втулок двигателей внутреннего сгорания.

Известен чугун Ij следующего химического состава, мас.%

Углерод2,6-4,5

Кремний1,0-4,0

Марганец0,1-1,2

Хром0,01-0,5

Никель0,01-1,0

Медь0,01-1,0

Магний0,015-0,1

Кальций0,015-0,06

РЗМ0,005-0,15

Алюминий0,005-0,4

ЖелезоОстальное

В качестве примесей чугун может содержать серу в количестве до 0,03% и фосфор до 0,2%.

Чугун имеет достаточно высокую прочность ((6-630-650 МПа) и хорошую обрабатываемость (твердость 207-217 НВ).

Недостатками чугуна являются низкие износостойкость и сопротивление образованию задиров (антифрикционные свойства), Это связано с наличием в структуре феррита, ухудшающего антифрикционные свойства, и отсутствием составляющих с высокой твердостью.

Наиболее близким к предлагаемому является чугун 2J следующего химического состава, мас.%:

Углерод3,8-4,5

Кремний2,5-4,2

Ванадий3,5-4,5

Медь0,1-1,5

Никель0,1-2,0

МарганецДо О , 8

СераДо О, 1

ФосфорДо О , 15

ХромДо О, 10

МагнийДо 0,05

РЗМДо 0,03

ЖелезоОстальное

Благодаря шаровидной форме графита, чугун имеет высокие механические свойства: в литом состоянии С-в г 650-850 МПа, после закалки с отпуском бцг1200-1400 МПа, после отжига df, г 650-680 МПа. Чугун имеет перлитную матрицу и содержит большое количество износостойкой карбидной фазы, представленной карбидами ванадия VC. Это придает чугуну высокую износостойкость. Однако больлое количество ванадиевых карбидов и их неблагоприятная форма снижает антифрикционные свойства чугуна и ухудшает его обрабатываемость.

Чугун имеет высокую стоимость, обусловленную повышенным содержанием ванадия.

Цель изобретения - повышение стойкости к образованию задиров на трущися поверхностях, улучшение обрабатываемости .

Поставленная цель достигается тем что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, ванадий, медь, никель хром, магний, редкоземельные металлы и железо, дополнительно содержит калций, с1люминий и олово при следующем соотнсядёнии компонентов, мас,%: Углерод3,4-3,8

Кремний2,9-3,7

Марганец0,4-0,8

Ванадий0,9-1,2

Медь0,8-2,0

Никель0,01-0,8

Хром0,01-0,5

Магний0,01-0,05

Р едкоэемельные металлы0,01-0,15

Кальций0,01-0,08

Алюминий0,05-0,3

Олово0,01-0,1

ЖелезоОстальное

В качестве примесей чугун может содержать серу в количестве до 0,03% и фосфор до 0,15%.

В предлагаемом чугуне по сравнению с прототипом существенно снижено содержание ванадия основного кабидообразующего элемента. За счет этого уменьшено количество карбидной фазы и улучшена ее морфология: снижено относительно количество компактных карбидов и увеличена доля разветвленных, чем повышается устойчивость чугуна к образованию задиров.

Однако уменьшение количества износостойкой карбидной фазы может привести к снижению износостойкости чугуна. Для предотвращения этого в чугун дополнительно введены кальций, алюминий и олово. Кальций и алюминий эффективно рафинируют и модифицируют чугун, благодаря чему измельчается структура, в том числе и ванадиевые карбиды. Масса карбидных кристаллов уменьшается, а их количество в единице объема чугуна возрастает. Эти элементы,особенно алюминий, увеличивают степень разветвленности карбидных кристаллов. Такие изменения микроструктуры карбидной фазы обеспечивают повышение износостойкости чугуна, несмотря на уменьшение суммарного количества карбидной фазы.

Олово введено для предотвращения образования структурно-свободного феррита и получения полностью перлитной матрицы.

Положительное действие кальция ка модифицирующего и рафинирующего элемента проявляется при содержании его в чугуне более 0,01%. Свыше 0,08% эффективность влияния кальция снижается, усложняется технология ввода его в чугун и повЕдиается стоимость чугуна. Алюминий начинает измельчать карбиды при содержаний его в чугуне не менее 0,05%. Свыше 0,3% ухурщаются литейные свойства чугуна вследствие сильного пленообразования. Отсутствие в структуре чугуна феррита и повышение антифрикционных свойств наблюдается при содержании олова, равном 0,01%. Свьпие 0,1% начинают заметно падать прочностные свойства при одновременном росте твердости И ухудшении обрабатываемости.

Пределы содержаний остальных компонентов выбраны по следующим причинам.

Углерод и кремний способствуют образованию ванадиевого карбида. При содержании углерода ниже 3,4% и крвманя - 2,9% в структуре чугунаобразуется цементит, вследствие чего снижаются механические свойства чугуна. При содержании углерода свыше 3,8% и кремний - 3,7% происходит укрупнение графитовых включений, что снижает твердость и износостойкость чугуна.

При содержании ванадия менее 0,9% не происходит образования специальных ванадиевых карбидов (критическое содержание ванадия). Свыше 1,2% происходит существенное укрепнение ванадиевых карбидов, в результате чего снижается задиростойкость и ухудшается обрабатываемость чугуна.

Медь и никель оказывают легирующие действия, уменьшают критическое содержание ванадия, способствуют графитизации и препятствуют отбеливанию чугуна. Влияние этих элементов на структуру и свойства чугуна идентично, поэтому они взаимозаменяемы. Поскольку никель действует примерно в 1,5 раза сильнее меди, их приведенное содержание можно оценивать сумой Си + 1,5Ni. в предлагаемом чугуне эта сумма дол;кна быть не ниже 0,8% и не выше 3,2%. При уменьшении Си l,5Ni ниже 0,8% ухудшаются антифрикционные свойства чугуна. При увеличении этой суммы более 3,2% происходит укрепление графитных включений, что снижает маслоудерживающую способность микрорельефа на поверхности трения, и ухудшается прирабатываемость чугуна. Верхний предел содержания меди принят 2%, поскольку ее дальнейшее повьшение не приводит к существенному улучшению механических и антифрикционных свойств. Остальные пределы содержаний выбраны и условия 0,8% Си + l,5Ni :, 3,2%, при этом учтено, что никель может быть полностью заменен медью.

Марганец и хром способствуют повышению механических свойств чугуна путем легирования аустенита. При содержании марганца более 0,8% и хрома - 0,5%, в чугуне может образоваться структурно-свободный цементит, что ухудшает обрабатываемость чугуна. Нижний предел по марганцу (0,4%) определяется минимальным его содержанием, необходимым для устранения вредного влияния серы путем связывания ее в сульфиды. Минимальное содержание хрома определяется наличием в чугуне кремния, и при содержании кремния 2,9% хром может не вводиться в чугун. Содержание хрома 0,01% соответствует минимальному его количеству в шихтовых материалах.

Магний и редкоземельные металлы (РЗМ) обеспечивают получение в структуре чугуна графита шаровидной или вермикулярной формы, что повышает прочностные свойства чугуна . Магний сфероидизирует графит более активно, чем РЗМ, однако .наличие редкоземельных элементов позволяет дольше сохранять модифицирующее действие магния при длительных выдержках чугуна, поэтому их эффективно вводит совместно. Нижние пределы содержания магния и РЗМ (0,01) соответствуют их минимальным концентрациям, при которых проявляется совместный сфароидизирующий эффект. Верхние пределы содержаний магния (0,05%) и РЗМ (0,15%) обеспечивают во всех случаях устойчивое получение шаровидного графита. Дальнейшее повышение их содержания нецелесообразно из-за отсутствия положительного влияния на свойства чугуна при одновременном усложнении технологии его получения.

Пример . Для получения чугуна предлагаемого состава были приготовлены 5 смесей ингредиентов (сплавы 3-7) , которые отличались возрастающими добавками кальция, алюминия и олова, в том числе выше (сплав 7) и ниже (сплав 3) предлагаемых пределов при содержании остальных компонентов на постоянном уровне. В сплавах 8 и 9 содержание компонентов изменяли в пределах предлагаемого состава чугуна. Одновременно выплавляли сплав по прототипу.

Чугун выплавляли по известной технологии в индукционной печи H4T-2,J5M В качестве шихтовых материалов использовали чушковые чугуны ,стальной и чугунный лом, ферросплавы и добавки, в том числе силикокальций СК20 (ГОСТ 4762-71), алюминий А5 (ГОСТ 11069-71), олово 04 (ГОСТ 86060). РЗМ вводили в виде лигатуры СЦЕМИШ-3, магний - в виде лигатуры ЖКМ-1 (ТУ 14-5-37-74). Чугун выпускали из печи при температуре 14801500°С в разливочный ковш, на дне которого находились подогретые лигатуры. При 1340-1360°С заливали формы цилиндровых втулок двигателей

внутреннего сгорания. После выбивки отливки подвергали искусственному старению при 580-620С в течение б ч. Образцы для исследования свойств вырезали из тела отливок.

Антифрикционные свойства - износостойкость (И) и сопротивление задиРУ (Р). определяли по известной методике ЦНИИ МПС на машине трения МТВ-1 с возвратно-поступательным движением и ЖИДКОЙ смазкой (масло Ml4В по ТУ 38-101-421-73). Износостойкость определяли по потере веса в мг за 100 часов работы машины, а сопротивление задиру - по величине удельного давления, вызывающего повреждеиие поверхностей т эения образцов,

резкое увеличение коэффициента трения и повышения температуры контакта Обрабатываемость чугуна оценивали по индексу обрабатываемости (Ч) , представлякицему отношение Максимальной скорости -резания, вызывающей разрушение резца из сплава ВК6М во время токарной обработки is течение 1 ч чугунного образца при глубине резани 1,5 мм и скорости подачи 0,5 мм/об (для исследуекых сплавов), к максимальной скорости резания известного чугуна.

Химический состав исследованных сплавов и результаты испытаний показаны в таблице. 9 110812 Повышенное, против предлагаемого, содержание вводимых в состав сплава кальция, алюминия и олова (сплав 7) ухудаает обрабатываемость чугуна изза пошлиения его твердости. При отс/тствии указанных элементов (сплав 3) снижаются антифрикционные свойства вследствие повышенного содержания ;феррита в структуре чугуна. 410 Результаты исгаата-ний показали что у предлагаемого сплава износ меньше на 3-26%, сопротивление залиру повысилось на 46-62%, а обраб ваемость улущиилась в Ь4-1 6 оачя Годовой экономический эффект от внедаения предлагаемого чугуна втулок цилиндров двигателей-дизелей составит 2,276 млн. руб.

ЧУГУН, содержащий углерод, кремний, марганец, ванадий, медь, никель, хром, магний, редкоземельные металлы и железо, отли чающийс я тем, что, с целью повьииения стойкости к образованию задиров на трущихся поверхностях, улучшения обрабатываемости, он дополнительно содержит кальций, алюминий и олово при следующем соотношении компонентов, мас.%: Углерод3,4-3,8 Кремний2,9-3,7 МарганецО,4-0,8 Ванадий0,9-1,2 Медь0,8-2,0 Никель0,01-0,80 Хром0,01-0,50 Магний0,01-0,05 Редкоземель- е 0,01-0,15 ные металлы (Я Кальций 0,01-0,08 0,05-0,30 Алюминий 0,01-0,10 Олово Железо Остальное