Чугун

,И,ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 0,01-0,15 О, 01-0, 08 005-0,30 0,01-0,10Остально ОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ(71) Днепропетровский ордена Трудового Красного Знамени металлургическиЯ институт им. Л.И,Брежнева и Днепропетровский тепловозоремонтныйзавод(56) 1. Авторское свидетельство СССР9 550453, кл. С 22 С 37/10, 1977.2. Авторское свидетельство СССРМ 322394, кл, С 22 С 37/00, 1971(5 4) ( 5 7) ЧУГУН, содержащий углерод,кремний, марганец, ванадий, медь,никель, хром, магний, редкоземельные 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, улучшения обрабатываемости, он дополнительно содержит кальций, алюминиЯ и олово при следующем соотношении компонентов, мас,%: 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 0,01-0,80 Хром О, 01-0, 50 Магний 0,0 1-0,05 Редкоземель- ф ные металлы Кальций Алюминий Олово Жел езо еО 25 Изобретение относится к областиметаллургии, в частности к разработке состава чугуна с высокой стойкостью к образованию эадиров на трущихся поверхностях, например цилиндри -ческих втулок двигателей внутреннего 5сгораии я.Известен чугун (1 следующего химического состава, мас,углерод 2,6-4, 5Кремний 1,0-4,0Марганец 0,1-1,2Хром О, 01-0, 5Никель 0,01-1,0Медь О, 01-1,0Магний О, 015-0, 1 15Кальций 0,015-0,06РЗМ 0,005-0,15Алюминий 0,005-0,4Желез о ОстальноеВ качестве примесей чугун можетсодержать серу в количестве до 0,03и фосфор до О, 2,Чугун имеет достаточно высокуюпрочность ( ьрб 30-650 МПа) и хорошуюобрабатываемость (твердость207-217 НВ),Недостатками чугуна являются низкие износостойкость и сопротивление образованию задиров (антифрикционные свойства). Это связано сналичием в структуре Феррита, ухудшаюшего антифрикционные свойства, иотсутствием составляющих с высокойтвердостью.Наиболее близким к предлагаемомуявляется чугун 23 следующего химического состава, мас.:Углерод 3,8-4,5Кремний 2,5-4,2Ван адий 3, 5-4,5Медь О, 1-1,5 40Никель О, 1-2,0Марганец До 0,8Сера До 0,1ФосФор До 0,15Хром До О, 10 45Магний До 0,05РЗМ Да 0,03Железо ОстальноеБлагодаря шаровидной Форме граФита, чугун имеет высокие механические свойства: в литом состоянииС: 650-850 МПа, после закалки сотпуском б =1200-1400 МПа, после отжига бь: 650-680 МПа, Чугун имеетперлитную матрицу и содержит большое количество иэносостойкой карбидной Фазы, представленной карбидами ванадия ЧС. Это придает чугуну высокую износостойкость, Однако большое количество ванадиевых карбидов иих неблагоприятная форма снижает антифрикционные свойства чугуна иухудшает его обрабатываемость.Чугун имеет высокую стоимость,обусловленную повышенным содержаниемван 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 металлыи железо, дополнительно содержит кальций, алюминий и олово при следующемсоотношении компонентов, мас.:углерод 3,4-3,8Кремний 2,9 3,7Марганец 0,4-0,8Ванадий 0,9-1, 2Медь 0,8-2,0Никель 0,01-0,8Хром 0,01-0,5Магний 0,01-0,05Редкоземельные металлы 0,01-0,15Кальций 0,01-0,08Алюминий 0,05-0,3Олово 0,01-0, 1Железо ОстальноеВ качестве примесей чугун можетсодержать серу в количестве до 0,03и Фосфор до О, 15,В предлагаемом чугуне по сравнению с прототипом существенно снижено содержание ванадия - основного карбидообразующего элемента, За счетэтого уменьшено количество карбидной Фазы и улучшена ее морфология:снижено относительно количество ком.пактных карбидов и увеличена доляразветвленных, чем повышается устойчивость чугуна к образованию задиров,Однако уменьшение количества износостойкой карбидной фазы можетпривести к снижению износостойкости чугуна. Для предотвращения этогов чугун дополнительно введены кальций, алюминий и олово. Кальций иалюминий эффективно рафинируют имодифицируют чугун, благодаря чемуиэмельчается структура, в том числеи ванадиевые карбиды. Масса карбидных кристаллов уменьшается, а ихколичество в единице объема чугунавозрастает. Эти элементы, особенноалюминий, увеличивают степень разветвленности карбидных кристаллов,Такие изменения микроструктуры карбидной фазы обеспечивают повышениеизносостойкости чугуна, несмотря науменьшение суммарного количества карбидной фазы.Олово введено для предотвращенияобразования структурно-свободногоФеррита и получения полностью перлитной матрицы.Положительное действие кальция какмодифицирующего и рафинирующего элемента проявляется при содержании егов чугуне более 0,01, Свыше 0,08 эффективность влияния кальция снижает 1108124ся, усложняется технология ввода егов чугун и повышается стоимость чугуна. Алюминий начинает измельчать карбиды при содержании его в чугуне неменее 0,05. Свыше 0,3 ухудшаютсялитейные свойства чугуна вследствиесильного пленообразования. Отсутствие в структуре чугуна феррита и повышение антифрикционных свойств наблюдается при содержании олова, равном 0,01, Свыше 0,1 начинают за Ометно падать прочностные свойствапри одновременном росте твердости иухудшении обрабатываемости,Пределы содержаний остальных компонентов выбраны по следующим причинам.Углерод и кремний способствуютобразованию ванадиевого карбида,При содержании углерода ниже 3,4 икремния - 2,9 в структуре чугунаобразуется цементит, вследствие чегоснижаются механические свойства чугуна, При содержании углерода свыше3,8 и кремний - 3,7 происходит укрупнение граФитовых включений, чтоснижает твердость и износостойкостьчугуна.При содержании ванадия менее 0,9не происходит образования специальных ванадиевых карбидов (критическоесодержание 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 критическоесодержание ванадия, способствуютграфитизации и препятствуют отбеливанию чугуна. Влияние этих элементовна структуру и свойства чугуна идентично, поэтому они взаимозаменяемы.Поскольку никель действует примернов 1,5 раза сильнее меди, их приведенное содержание можно оценивать суммой Сц + 1,5 М 1. В предлагаемом чугуне эта сумма должна быть не ниже0,8 и не выше 3,2. При уменьшенииСи + 1,5 И 1 ниже 0,8 ухудшаются антифрикционные свойства чугуна. Приувеличении этой суммы более 3,2происходит укрепление графитных включений, что снижает маслоудерживающуюспособность микрорельефа на поверхности трения, и ухудшается прирабатываемость чугуна. Верхний предел содержания меди принят 2, посколькуее дальнейшее повышение не приводитк существенному улучшению механических и антифрикционных свойств. Остальные пределы содержаний выбраны изусловия 0,8 Си + 1,5 Б 1 Э 3,2, при 60этом учтено, что никель может бытьполностью заменен медью,Марганец и хром способствуют повышению механических свойств чугунапутем легирования аустенита, При со держании марганца более 0,8 и хрома - 0,5, 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 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 сфероидизирующий 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.П р и м е р . 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 И 4 Т,5 М 1, В качестве шихтовых материалов использовали чушковые чугуны, стальной и чугунный лом, ферросплавы и добавки, в том числе силикокальций СК 20 (ГОСТ 4762-7 1), алюминий А 5 (ГОСТ 11069-71), олово 04 (ГОСТ 860- 60), РЗМ вводили в виде лигатуры СЦЕМИШ-З, магний - в виде лигатуры ЖКМ(ТУ 14-5-37-74) . Чугун выпускали из печи при температуре 1480- 1500 С в разливочный ковш, на дне которого находились подогретые лигатуры. При 1340-1360 С заливали Формы цилиндровых втулок двигателейвнутреннего сгорания. После выбивкиотливки подвергали искусственномустарению при 580-620 С в течение6 ч. Образцы для исследования свойстввырезали иэ тела отливок,Антифрнкционные свойства - износостойкость (И) и сопротивление задиру (Р) определяли по известной методике ЦНИИ МПС на машине трения МТВ с возвратно-поступательным движениеми жидкой смазкой (масло М 14 В по ТУ 1038-101-421-73), Износостойкость оп- .ределяли по потере веса образца вмг за 100 часов работы машины, а сопротивление задиру - по величине удельного давления, вызывающего поврежде" 15ние 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 ВКбМ 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 резания известного чугуна. Химический состав исследованных сплавов и результаты испытаний показаны в таблице.Л Оо о асмл О О л ОЪ сч о о о о Ю . О Л ОО ю л л ю сч сч сч сч о о ф м О О 11 лс Ю Ф с с л3 Л Мо с Л 1 Х1108124 Составитель Н.КосторнойРедактор Л.Авраменко Техред С. Мигунова Корректор А,Ильин Заказ 5841/19 Тираж 603ВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, "Ж, Раушская наб д, 4/5 Подписное филиал ППППатент, г, 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 показ что у предлагаемого сплава износ меньше на 3-26, сопротивление задиру повысилосьна 46-62, а обрабатываемость улучшилась в 1 4-1 6Гразаодовой экономический эффект от внедрения предлагаемого чугуна для втулок цилиндров двигателей-дизелей составит 2,276 млн. руб,