Чугун Советский патент 1989 года по МПК C22C37/00 

1

Изобретение относится к металлургии, в частности к разработке составов чугуна для отливок, работающих в условиях трения и ударно-циклических нагрузок.

Цель изобретения - повьппение ударно-усталостной долговечности (УУД) при сохранении уровня износостойкости.

Выбор граничных пределов содержа7 ния компонентов, входящих в состав предложенного чугуна, обусловлен еле- дую1цими соображениями.

Углерод и кремний: нижние пределы (3,2 и 2,0 мас.% соответственно) выбраны исходя из технологичности сплава и обеспечения его достаточной жидко- текучести. Верхние пределы (4,5 и 2,8 мае.7, соответственно) выбраны исходя из необходимости обеспечения

10

15

20

требуемой стойкости и износостойкости

чугуна.

Марганец - карбидостабилизирующий элемент, упрочняющий сплав. При этом он не образует собственные карбиды, в связи с чем содержание марганца ограничено в пределах 0,1-0,4 мас.%. Превышение содержания марганца вьаае верхнего предела не приводит к существенному упрочнению сплава.

Наличие хрома в составе чугуна в

пределах 0,6-1,2 мас.% обеспечивает кристаллизацию сплава по метаста- бильной диаграмме с образованием ле- дебуритной эвтектики. Хром относится к сильным карбидообразующим элементам, существенно повышающим твердость и износостойкость чугунов. Нижний предел содержания хрома (0,6 мас.%) обусловлен отсутствием

S

00

со

3эффекта повышения твердости, верхни (1,2 мае.%) ограничен снижением жид котекучести и увеличением склонности чугуна к пленообразованию.

Медь в составе чугуна вызывает эффект дисперсионного твердения, чт способствует измельчению перлитно- цементитной эвтектики. Нижний преде содержания меди (П,8 мас. минимальная концентрация, вызыЕатр;ая эффект дисперсионного твердения. Верхнее содержание меди в чугуне (1,4 мас.%) ограничено стабилизацией дисперсионного твердения и незначительным повышением УУД сплава. Молибден и ванадий - упрочняющие элементы, действие которых связано с измельчением графитных включений, стабилизацией перлитной составляюще структуры за счет увеличения дисперности и микротвердости перлита. Содержание молибдена и ванадия ниже нижнего предела ( 0,6 мас.% и

:0,2 мас.%) приводит к резкому снижению прочностных характеристик, а содержание их вьше верхнего предела ( 1,0 мас,% и 0,6 мас.%) эконо- мически нецелесообразно.

Сурьма стабилизирует перлитную составляющую структуры чугуна, способствует также переохлаждению расплава, изменяет форму и размеры графитных включений. Общее число включний графита с добавкой сурьмы увеличивается, что благоприятно сказываеся на повышении износостойкости чугуна. Верхний предел содержания сурьмы (0,04 мас.%) ограничен малым приростом перлитизирующего эффекта нижний (0,02 мас.%) обусловлен досжением требуемой прочности.

Фосфор существенно повьго ает жид котекучесть высокоуглеродистых сплавов и усредняет число графитны включений. Общее число включений графита становится меньше, но располагаются они в металлической основе чугуна более равномерно. Кроме того, в присутствии сурьмы и азта фосфор в чугуне образует сложну азотсодержащую фосфидно-сурьмянис- тую эвтектику, обладающую большей

по

твердостью (Е л : 735 кг/мм -), сравнению с обычной фосфидной (HI л 580 кг/мм ), которая, располагаясь по границам зерен в виде разорванной сетки и обладая больше температурой плавления ( ),

способствует повьпчению износостойкости чугуна. Обычная (Fe - ) эвтектика, располагаясь сплошной сеткой по границам зерен, имеет невысокую температуру плавления (). При длительной работе чугун нагревается до температур, близким к температуре плавления эвтектики, про- исходит подплавление эвтектики по границам зерен и затем резкое повышение темпа износа, материал разрушается .

Верхний предел содержания фосфора 5 (0,6 мас.%) ограничен достижением максимума твердости сплава, нижний предел (0,2 мас.%) обусловлен снижением жидкотекучести чугуна.

Дополнительный ввод в состав из- 0 носостойкого чугуна ниобия способствует измельчению структуры металлической основы за счет образования мелкодисперсных карбидов ниобия, равномерно расположенных по сечению 5 отливки, предотвращая микроликваци- ,онную неоднородность сплава. При этом су1чественно повышается УУД чу- гука.

Нижний предел содержания ниобия Q в чугуне (0,4 мас.%) установлен необходимым количеством карбидов ниобия для уменьшения микроликваци- онной неоднородности. Верхний предел (0,8 мас.%) ниобия не вызывает су1дественного увеличения дисперсности карбидов и повышения УУД.

РЗМ введенные в состав чугуна, относятся к сильным рафинирующим элементам, связывают S (примеси 0 чугуна) в неметаллические включения и изменяют топографию их расположения, вытесняя с границ зерен и переводя последние непосредственно внутрь зерна. При этом значительно повыша- 45 ются силы молекулярно-механического сцепления. УУД повышается вследствие удаления неметаллических включений с границ зерен, препятствующих движению дислокаций. Нижний предел содержания РЗМ (0,005 мас.%) - минимальная концентрация, при которой осуществляется его положительное влияние. Верхний предел (0,01 мас.%) установлен исходя из принципа экономичности. Bbmie верхнего предела эффект прироста УУД и износостойкости незначительный.

Пример. Плавку исходного расплава чугуна осуществляли в индук5

ционной тигельной печи емкостью 50 кг с кислой футеровкой тигля. После перегрева расплава до 145П С осуществляется доводка химического состава по основным и легирующим элементам. В качестве ферросплавов использовали: азотированный феррохром ФХ 400Н (Сг 68%, N 5%), ферромарганец ФМп 0,5 (85% Мп), ферромолибден ФМ2 (Мо 55%), феррониобий ФН-3 (Nh 55,6%) феррованадий Bgl (V 40%), катодную медь МЧ, кристаллическую сурьму Су2, цериевый мипметалл МЦ-40 (Се 36%).

Усвоение элементов из ферросплавов, %: Сг 65-75; N F,5-75; Мп 85-90; V 70; Мо 80; ИЪ 85. Усвоение Си 90%, ЗЪ 90%, РЗМ 60-70%.

Для сравнительных испытаний известного и предложенного чугунов на УУД использовали специальную установку, реализующую односторонний изгиб ударного образца без надреза

сосредоточенным ударом в центре с частотой 400 ударов в минуту. Образцы для испытаний на ударную усталость имели размеры 10 10«55 мм. Испытания проводили при постоянной нагрузке 0,3 кг. За критерий УУД принимали количество циклов нагруже- ния до разруше ния образца.

Износостойкость оценивали весовым методом. Образец диаметром 10 мм перемещали по поверхности абразивного материала. Дисперсность корунда, который служил в качестве абразивного

материала, составляла 250-320 мкм. Нагрузка на образец 1,5 кг. Путь образца по поверхности составлял 50 м. Скорость движения 0,8 м/с.

Б таблице 1 приведены химические составы предлагаемого и известного чугунов, в таблице 2 - результаты испытаний.

Таблице 1

Изобретение относится к металу- лургии и может быть использовано при производстве отливок, работающих в условиях трения и ударно-циклических нагрузок. Целью изобретения - повышение ударно-усталостной долговечности при сохранении уровня износостойкости. Новый чугун содержит, мас.%: С 3,2-4,5; Si 2-2,8; Мп 0,1- 0,4; Сг 0,6-1,2; Си 0,8-1,4; Мо 0,6- 1,0; V 0,2-0,6; Р 0,2-0,6; N 0,01- 0,02; БЪ 0,02-0,04; МЪ 0,4-0,8; РЗК 0,005-0,01 и Fe остальное. Дополнительный ввод в состав чугуна Sb, Nb и РЗК обеспечил по сравнению с известным составом повьшение ударно-усталостной долговечности в 1,36- 1,56 раза при сохранении уровня износостойкости чугуна. 2 табл.

Известный

Предлагае мый Нижний 3,2 2,0 0,1 0,6 Средний 3,8 2,4 0,25 0,9 - Верхний 4,5 2,8 0,4 1,2 Таблица 2

Чугун : Пределы ;

Свойства

j УУД ,

I Износ, ; г

СредНИИ

Нижний

Средno

150

1,8 1,4

0,6 0,2 0,2 0,01 0,02 0,4 0,005 Остальное

0,8 0,4 0,4 0,015 0,03 0,6 00075 Остальное

1,0 0,6 0,6 0,02 0,04 0,8 0,01 Остальное

Как видно из полученных результатов испытаний, чугун предложенного состава отличается более высокой УУД (в 1,36 - 1,56 раза) при сохранении достаточно высокого уровня износостойкости.

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, молибден, ванадий, фосфор, азот и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения ударно-усталостной долговечности при сохранении уровня износостойкости, он дополнительно содержит сурьму, ниобий и редкоземельные элементы при следую- щем соотношении компонентов, мас.%: Углерод 3,2 - 4,5 Кремний 2,0 - 2,8 Марганец О 1 Хром . 0,6 - 1,2

714548738

Медь0,8-1,4Сурьма0,02 - 0,04

Молибден0,6 - 1,0Ниобий0,4 - 0,8

Ванадий0,2 - 0,6Редкоземельные

Фосфор0,2-0,65элементы0,005-0,0

Азот0,01 - 0,02ЖелезоОстальное