Серый перлитный чугун

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марукович Евгений Игнатьевич Карпенко Михаил Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Серый перлитный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, редкоземельные металлы, кальций, магний, хром, алюминий и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит бор и азот при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,0-3,7 кремний 2,0-2,4 марганец 0,71-1,12 редкоземельные металлы 0,003-0,050 кальций 0,002-0,030 магний 0,002-0,020 хром 0,012-0,200 алюминий 0,002-0,100 бор 0,003-0,080 азот 0,002-0,020 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым перлитным чугунам для получения литых деталей ответственного назначения, работающих в условиях ударных нагрузок и повышенного трения. Известен серый чугун 1, содержащий мас.углерод 3,2-4,5 кремний 1,6-2,2 марганец 0,5-1,2 титан 0,16-0,20 цирконий 0,16-0,25 железо остальное. 16279 1 2012.08.30 Чугун имеет низкие механические свойства. Из-за низкой твердости (170-195 НВ) в литых изделиях отмечается недостаточная износостойкость. Известен также серый перлитный чугун 2 следующего химического состава, мас.углерод 3,0-4,5 кремний 1,6-2,4 марганец 0,5-1,3 титан 0,12-0,22 цирконий 0,15-0,30 медь 0,15-0,35 кальций 0,10-0,21 редкоземельные металлы 0,003-0,07 железо остальное. Твердость чугуна составляет 210-220 НВ. Из-за высокого содержания графитизирующих элементов в структуре отмечается повышенное содержание ферритной составляющей, которая плохо работает на износ. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является серый перлитный чугун 3, содержащий углерод, кремний, марганец, редкоземельные металлы,кальций, магний, хром, алюминий и железо при следующем соотношении компонентов,мас.углерод 3,0-3,7 кремний 2,0-2,4 марганец 0,7-0,8 редкоземельные металлы 0,003-0,05 кальций 0,002-0,03 магний 0,002-0,02 хром 0,012-0,20 алюминий 0,002-0,10 железо остальное. Известный перлитный чугун обладает следующими механическими свойствами временное сопротивление при растяжении, МПа 285-312 твердость, НВ 221-229 износостойкость при трении, мкм/ч 9,8-14 динамическая прочность, Дж/см 2 9,2-10,8. При трении с повышенными скоростями и удельными давлениями из-за недостаточной твердости чугуна отмечается снижение эксплуатационной стойкости литых деталей узлов трения. Задачей изобретения является повышение твердости и износостойкости при трении. Серый перлитный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, редкоземельные металлы, кальций, магний, хром, алюминий и железо, дополнительно содержит бор и азот при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,0-3,7 кремний 2,0-2,4 марганец 0,71-1,12 редкоземельные металлы 0,003-0,050 кальций 0,002-0,030 магний 0,002-0,020 хром 0,012-0,200 алюминий 0,002-0,100 бор 0,003-0,080 азот 0,002-0,020 железо остальное. 2 16279 1 2012.08.30 Проведенный анализ этого технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными. Присутствие в чугуне бора в количестве 0,003-0,080 мас.микролегирует матрицу,улучшает распределение графита и неметаллических включений, повышает плотность,износостойкость и герметичность чугуна. При содержании его до 0,003 мас.повышение износостойкости и технологических свойств несущественно, а при концентрации более 0,080 мас.снижаются пластические свойства чугуна, предел выносливости при изгибе и увеличивается отбел. Дополнительное введение азота способствует образованию в структуре дисперсных нитридов, измельчению структуры и повышению механических и эксплуатационных свойств чугуна. При концентрации азота до 0,002 мас.стабильность структуры, износостойкости и служебные свойства недостаточны, а при повышении концентрации более 0,020 мас.снижаются жидкотекучесть и технологические свойства, увеличиваются содержание неметаллических включений по границам зерен и брак по пористости, что снижает служебные свойства. Магний (0,002-0,020 ) и редкоземельные металлы (0,003-0,050 ) являются основными модифицирующими добавками, улучшающими форму графита и измельчающими структуру, повышающими твердость и износостойкость. При содержании в чугуне до 0,003 РЗМ и до 0,002 магния их влияние на структуру и свойства чугуна сказывается незначительно, а при увеличении их концентрации выше верхних пределов усиливается отбел и снижается стабильность результатов. Хром микролегирует металлическую основу, повышает твердость и износостойкость чугуна, измельчает структуру. При концентрации его более 0,200 отмечается наличие в структуре цементита, что снижает удароустойчивость. При его концентрации до 0,012 влияние на твердость и износостойкость чугуна слабо заметное. Введение алюминия и кальция в состав чугуна обусловлено их высокой раскисляющей способностью. Содержание графитизирующих элементов в чугуне соответствует общепринятым нормам и составляет углерод 3,0-3,7 кремний 2,0-2,4 кальций 0,002-0,030 алюминий 0,002-0,100 . При увеличении их концентрации более верхних пределов снижаются твердость и износостойкость, а при снижении их концентрации менее нижних пределов возникает отбел и снижается стабильность механических свойств. Чугун выплавляют в индукционных печах с кислой футеровкой, используя в качестве шихты рафинированные литейные чугуны, чугунный лом, стальной лом, высокоуглеродистый феррохром, азотированный ферромарганец и ферробор марки ФБ 1. Раскисление чугуна производят силикокальцием и алюминием, а модифицирование расплава комплексными модификаторами на основе кремния, марганца и редкоземельных металлов. Разливку металла в литейные формы производят при температуре 1370-1400 С. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок. Из известного чугуна состава 1 и предлагаемого чугуна (составы 2, 3 и 4) отливали образцы для механических испытаний, технологические пробы и отдельные отливки для изготовления деталей двигателей. Механические испытания на растяжение проводили на образцах диаметром 10 мм в соответствии с ГОСТ 1497, а на ударную вязкость - на образцах с размерами 101055 мм с -образным надрезом в соответствии с ГОСТ 9454. Механические свойства чугунов опытных плавок приведены в табл. 2. Качественный анализ структуры чугуна проведен металлографическим методом, включая требования в соответствии с методикой ГОСТ 3443. Данные о дисперсности перлита в образцах приведены в табл. 2. 3 16279 1 2012.08.30 Как видно из табл. 2, предложенный перлитный чугун обладает более высокими характеристиками механических свойств. Износостойкость чугуна при трении составляет 0,48-0,61 мкм/ч. Таблица 1 Химический соЧугун став, мас.1(изв.) 2 3 4 5 6 Углерод 3,6 3,0 3,4 3,7 2,9 4,0 Кремний 2,2 2,0 2,2 2,4 1,6 2,8 Марганец 0,6 0,71 0,86 1,12 0,62 1,26 Редкоземельные 0,03 0,003 0,008 0,050 0,002 0,10 металлы Кальций 0,02 0,002 0,007 0,030 0,001 0,06 Хром 0,05 0,012 0,015 0,200 0,006 0,30 Алюминий 0,05 0,002 0,005 0,100 0,001 0,15 Бор 0,003 0,006 0,080 0,001 0,01 Азот 0,002 0,007 0,020 0,001 0,03 Магний 0,006 0,002 0,007 0,020 0,001 0,03 Железо ост. ост. ост. ост. ост. ост. Таблица 2 Показатели Временное сопротивление при растяжении, МПа Твердость, НВ Износостойкость при трении,мкм/ч Задиростойкость при интенсивном трении, ч Динамическая прочность, Дж/см 2 Дисперсность перлита (ПД) по ГОСТ 3443 Свойства чугунов составов 2 3 4 5 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4