Чугун

Чугун

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

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 Редкоземелье 0,01-0,15 ные металлы (Я Кальций 0,01-0,08 0,05-0,30 Алюминий 0,01-0,10 Олово Железо Остальное

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

3(51) С 22 С 37/00,)3, ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ I

К ABTOPCKOIVlY СВИДЕТЕЛЬСТВУ,0,05

PQ

0,01-0, 15

0,01-0,08

0 05-0,30

0,01-0,10

Остальное

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И OTHPblTHA (21) 3629957/22-.02 (22) 28.07.83 (46) 15.08.84. Бюл. Р 30 (72) Ю.Н.Таран, Ю.В.Краснов, В.М.Снаговский, В.Ф.Карпенко, В.Х.Кванов, Б.М.Асташкевич, В.М.Супоницкий, М.Я. Хозяенок, Г.Н.Басова,Л,Б.Воловельская и А.В.Мерсон (71) Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени металлургический институт им. Л.И.Брежнева и Днепропетровский тепловозоремонтный завод (5 3) 669 . 15- 196 (0 88. 8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 550453, кл. С 22 С 37/10, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР

М 322394, кл. С 22 С 37/00, 1971.. (5 4) (5 7) ЧУГУН, содержащий углерод, кремний, марганец, ванадий, медь, никель, хром, магний, редкоз емельные

„„SU„„1108124 A металлы и железо, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения стойкости к образованию задиров на трущихся поверхностях, улучшени я обрабатываемости, он дополнительно содержит кальций, алюминиЯ и олово при следующем соотношении компонентов, мас.Ъ:

Углерод 3, 4-3,8

Кремний 2,9-3, 7

Марганец О, 4-0,8

Ванадий 0,9-1,2

Медь О, 8-2,0

Никель 0,01-0,80

Хром 0,01-0,50

Магний 0 1-0

Редкоземельные металлы

Кальций

Алюминий

Олово

Жел езо

1108124!

25

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке состава чугуна с высокой стойкостью к образованию эадиров на трущихся поверхностях, например цилиндри— ческих втулок двигателей внутреннего сгораии я.

Известен чугун 1) следующего химического состава, мас. :

Углерод 2,6-4,5

Кремний 1,0-4,0

Марганец О, 1-1,2

Хром О, 01-0, 5

Никель О, 01-1,0

Медь О, 01-1,0

Магний О, 015-0, 1 15

Кальций 0,015-0,06

РЗМ О, 005-0, 15

Алюми ни и О, 005-0, 4

Желез о Остальное

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

Чугун имеет дост ат очно высокую прочность (ь =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.Ъ:

Углерод 3,8-4,5

Кремний 2,5-4,2

Ван адий 3, 5-4,5

Медь О, 1-1,5 40

Никель О, 1-2,0

Мар ган ец До 0,8

Сера До 0,1

Фосфор До 0,15

Хром До 0,10 45

Магний До 0,05

Р3М Да Oi 03

Железо Остальное

Благодаря шаровидной Форме граФита, чугун имеет высокие механические свойства: в литом состоянии

650-850 МПа, после закалки с отпуском ба=1200 -1400 МПа, после отжига C. = 650-680 МПа, Чугун имеет перлитную матрицу и содержит большое количество иэносостойкой карбидной Фазы, представленной карбидами ванадия VC. Это придает чугуну высокую износостойкость. Однако большое количество ванадиевых карбидов и их неблагоприятная форма снижает ан- 6О тифрикционные свойства чугуна и ухудшает его обрабатываемость.

Чугун имеет высокую стоимость, обусловленную повышенным содержанием ван ади я, 55

Цель изобретения - повышение стой" кости к образованию задиров на трущихся поверхностях, улучшение обрабатываемости, Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, ванадий, медь, никель, хром, магний, редкоземельные металлы и железо, дополнительно содержит кальций, алюминий и олово при следующем соотношении компонентов, мас.Ъ:

Углерод 3,4-3,8

Кремний 2,9 3,7

Марганец О, 4-0,8

Ванадий 0,9-1, 2

Медь 0,8-2,0

Никель 0,01.-0,8

Хром О, 01-0, 5

Магний 0,01-0, 05

Р едкоэемельные металлы 0,01-0 15

Кальций 0,0)-0,08

Алюминий 0 05-0,3

Олово 0i 01-0i l

Железо Остальное

В качестве примесей чугун может содержать серу в количестве до О,ОЗЪ и фосфор до О, 15% °

В предлагаемом чугуне по сравнению с прототипом существенно снижено содержание ванадия - основного карбидообразующего элемента. 3а 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 задиро в, 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 иэмельчается структура, в том числе и ванадиевые карбиды. Масса карбидных кристаллов умен ьшается, 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 как модифицирующего и рафинирующего элемента проявляется при содержании его в чугуне более 0,01%, Свыше 0,08Ъ эффективность влияния кальция снижает1108124 ся, усложняется технология ввода его в чугун и повышается стоимость чугуна. Алюминий начинает измельчать карбиды при содержании его в чугуне не менее 0,05%. Свыше 0,3% ухудшаются литейные свойства чугуна вследствие сильного пленообразования. Отсутствие в структуре чугуна феррита и повышение антифрикционных свойств наблюдается при содержании олова, равном 0,01%. Свыше 0,1% начинают заметно падать прочностные свойства при одновременном росте твердости и ухудшении обрабатываемости.

Пределы содержаний остальных компонентов выбраны по следующим при- 15 чинам.

Углерод и кремний способствуют образованию ванадиевого карбида, При содержании углерода ниже 3, 4% и кремния — 2, 9% в структуре чугуна. образуется 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 укрепн ение ванадиевых карбидов, в результате чего снижается задиростойкость и ухудшается обрабатываемость чугуна.

Медь и никель оказывают легирующие действия, уменьшают критическое содержание ванадия, способствуют графитиэации и препятствуют отбеливанию чугуна. Влияние этих элементов на структуру и свойства чугуна иден- 40 тично, поэтому они взаимозаменяемы.

Поскольку никель действует примерно в 1,5 раза сильнее меди, их приведенное содержание можно оценивать суммой Сц + 1,5Ni. В предлагаемом чугу- 45 не эта сумма должна быть не ниже

0,8% и не выше 3,2%. При уменьшении

Cu + 1,5Ni 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 повышение не приводит к существенному улучшению механических и антифрикционных свойств. Остальные пределы содержаний выбраны из условия О, 8% Си + 1,5Ni э 3, 2%, при 60 этом учтено, что никель может быть полностью заменен медью.

Марганец и хром способствуют повышению механических свойств чугуна путем легирования аустенита. При со- 65 держании марганца более О, 8% и хрома — О, 5%, в чугуне может образоваться структурно-свободный цементит, что ухудшает обрабатываемость чугуна.

Нижний предел по марганцу (О, 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 О, 01% соответствует минимальному его количеству в шихтовых материалах.

Магний и редкоземельные металлы (РЗМ) обеспечивают получение в структуре чугуна графита шаровидной или верми кул ярн ой формы, что повышает прочностные свойства чугуна . Магний сфероидизирует графит более активно, чем Р3М, 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 сфзроидизирующий эффект. Верхние пределы содержаний магния (0,05%) и РЗМ (0,15%) обеспечивают во всех случаях устойчивое по-, лучение 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 И4Т-2,5М1.

В качестве шихтовых материалов использовали чушковые чугуны, стальной и чугунный лом, ферросплавы и добавки, в том числе силикокальций

СК20 (ГОСТ 4762-7 1), алюминий А5 (ГОСТ 11069-71), олово 04 (ГОСТ 86060), Р3М 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

1108124 внутреннего сгорания. После выбивки отливки подвергали искусственному старению при 580-620 С в течение

6 ч. Образцы для исследования свойств вырезали иэ тела отливок.

Антифрнкционные 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 М14В по ТУ 10

38-101-421-73) . Износостойкость оп- . ределяли по потере веса образца в мг за 100 часов работы машины, а сопротивление задиру — по величине удельного давления, вызывающего поврежде- 5 ние поверхностей трения образцов, резкое увеличение коэффициента трения и повышения температуры контакта.

Обрабатываемость чугуна оценивали по индексу обрабатываемости (Ч), представляющему отношение максимальной скорости -резания, вызывающей разрушение резца иэ сплава ВК6М во время токарной обработки в течение 1 ч чугунного образца при глубине резания

1,5 мм и скорости подачи 0,5 мм/об (для исследуеьих сплавов), к максимальной скорости рез ани я и 3 вести ого чугуна.

Химический состав исследованных сплавов и результаты испытаний показаны в таблице.

1108124

1

1

9-о м л м

ЧЪ 3А

С I

4 3

О .3 <Ч

О 33Ъ с . с л о о

3A CO

1О

3Ч СЧ о о о л ю. сп

33Ъ 1О t

3Ч СЧ СЧ

9. l

CO 3 Зс(с с

D с3 л

lA Ф с3 оъ о с м Р

«3 с3 м с

3. с( 3 Ю л о с о о

4 Ul О о о с с о о о

1 Й !

I a l

1 I

1 I

I — — Ч

I 1

I 1

1 (1 ю

1- — -I!

1 ф 1

I VI

\A lA

°;3 3 с с о о

33Ъ ЕП О о л с с с о о о л о с с о о

ОЪ 33Ъ

3 Ю с с о о

3 о о с с о о

3 3о о с с о о

«3 hl о о с с о о

Ю с о л о в с с о о м м о о с с о о м о о с с о о

1

I (1

1 dP о о л

I о

1 (:(1 о ! 0)

1 Э л Зс( с с л о

Зс(л л с с л л с

3 л о с

33Ъ 6) с с о

3А 3А с с л

33Ъ с л л

Ю с

D о о м 00 с с о .о о о м M с с о о

Ю м с

Ю о о м с с о о

D м с л л- о D о м с с с

Ю о о х

Э

1 333

I 33t

I о

1 Х

1 . Э o

I 333

I о

1 Ф

Э

I Х

I Х

33t

О с

Ю о о м м с о о о о

М 3А с с о о

3А

Ю с

CO с

1ф с3 с с о о

Ю 1О с с о о LO

Ю с(3 с с м м У «У с с м 3 с м

CO с м

\О с3 с с м м

1О О с с м м

1 Э

Е

1 (х

I и

1 ! И

Я 1 (33 1

33(1

I ф Эл х3

51

<ч м Э >3

Ь4

Ю

Ю с Л

Х 1

1! — — Ч

1 1

1 g 1

1(3Ъ 1

1 63 I

1 1! 1

1 — - .1

1 1

Ф I

<ю 1 Q 1

1 1

333 1 Ъ

О(1 х

3t} I

1 1

Э I 1

1 — — Ф

333 1 !

1 I

Э 1 1

Х(О(33(1 !

٠1 — — 1

О3 I

Э I I

1 1-1 1

o!z!

u I

1 — -(1 I

I I

1 1

Н 1

fvt

1 I

Г Ъ! I

I 1 (1

I Д I

1 I

1 — -4

I l

1 1

i .11

t3Лl

1 (1

I (ut

1 1

1 I

33Ъ О

О О 33Ъ с м с л

О О О сФ ф М

3 с lD 33Ъ л (О ф Ф

°, с . с Ч Л 33 Ъ

33Ъ IA 3A (I I

I I I

1 I 1,3 33Ъ М о о о с I с о о о л сф 4 с с с м мср чУ с3 3А с с с

О л л с(ЧЪ Ю с с с о о о о с с м

СЧ р с с с м м л 33Ъ а о о о с с с о о о

3 и I ю 1 с

3I3 30

3Ч о с с 1 оо I !

1 м 1 о

Ю 1

I

1 л I о 1 с I о

1108124

Составитель Н.Косторной

Редактор Л.Авраменко Техред C. MHryHoBa Корректор A.HJ! HH

Заказ 5841/19 Тираж 603

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, "Ж-35, Раушская наб,, д. 4/5

Подписное

Филиал ППП Патент, r. Ужгород, ул, Проектная, 4

Повьааенное, против предлагаемого, содержание вводимых в состав сплава кальция, алюминия и олова {сплав 7) ухудшает обрабатываемость чугуна изза повышения его твердости. При отсутствии указанных элементов (сплав

3) снижаются антифрикционные свойства вследствие повышенного содержания

:феррита в структуре чугуна.

Результаты исюыта,ний показал, что у предлагаемого сплава износ меньше на 3-26%, сопротивление задиру повысилось на 46-62%, а. обрабатываемость улучшилась в 1 4- 6

Г раза, одовой экономический эффект от внедрения предлагаемого чугуна для втулок цилиндров двигателей-дизелей составит 2,276 млн. руб.