Чугун

(73) Патентообладатели Физико-технический институт НАН Б Дудецкая Лариса Романовна Данильчик Игорь Константинович Покровский Артур Игоревич Орлов Юрий Григорьевич(56) Технологический процесс и оборудование для производства и контроля отливок поршневых колец из серого и высокопрочного чугунов. РД 37.002.0520-87,668968, 1979,950789, 1982,2012652 С 1,1994,2012667 С 1, 1994,2058417 1, 1996,3628157 А 1, 1988.(57) Предложен чугун для уплотнительных (в том числе поршневых) колец, получаемых с применением горячей пластической деформации, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, магний и примеси,отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов,мас.углерод 3,64,1 кремний 2,12,9 марганец 0,50 фосфор 0,310,45 хром 0,30 никель 0,400,60 молибден 0,150,25 магний 0,040,07 железо и примеси Изобретение относится к металлургии, а именно к материалам для уплотнительных (в том числе поршневых) колец, получаемых с применением горячей пластической деформации. Изобретение может быть использовано в машиностроении при производстве высокоресурсных машин и агрегатов, например двигателей внутреннего сгорания, компрессоров и т.п. Долговечность и надежность пар трения, например кольцо-гильза, связан с качеством материала, который должен обладать определенными антифрикционными и прочностными свойствами. Из известных материалов наилучшим сочетанием требуемых свойств обладают чугуны. При этом антифрикционные свойства выше у чугуна с пластинчатым, а прочностные- у чугуна с шаровидным графитом. Тип чугуна обеспечивается его химическим составом и способом получения заготовок. В основе всех используемых для получения заготовок колец способов лежит литейная технология, которая является окончательным способом формирования заготовки. Известен, например, чугун с пластинчатым графитом доля маслосъемных поршневых колец 1, которые получают путем литья и последующей термической и механической обработки индивидуальных заготовок. Данный материал обладает следующими недостатками 1. Низкие и нестабильные механические свойства и, как следствие, пониженная теплостойкость и повышенная остаточная деформация при повторных нагружениях. 2. Наличие в материале колец литейных дефектов, не устраняемых при дальнейшей обработке, уменьшающее выход годных деталей. 4427 1 3. Значительные колебания в структуре колец при получении литых заготовок. Отмеченные недостатки материала особенно проявляются при использовании чугуна с пластическим графитом для компрессионных колец. Известен также чугун с шаровидным графитом для компрессионных колец различного назначения, которые получают методом литья маслотных (коллективных) заготовок 1. Данному материалу присущи следующие недостатки 1. Низкие антифрикционные свойства. 2. Нестабильность свойств материала по высоте заготовки (маслоты). 3. Наличие ликвации по сечению маслоты и других литейных дефектов в литом материале. Наиболее близким к предполагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является чугун с шаровидным графитом следующего состава, мас.2 углерод 3,64,1 кремний 2,12,9 марганец 0,5 фосфор 0,3 сера 0,05 хром 0,30 никель 1,0 магний 0,0150,035 железо остальное. К недостаткам данного материала можно отнести следующее повышенная склонность к ликвации, приводящая к непостоянству модуля упругости по высоте литой заготовки низкие антифрикционные свойства материала, обусловленные шаровидной формой графита и отсутствием в структуре износостойких структурных составляющих. Задачей настоящего изобретения является повышение антифрикционных свойств, термостабильности и сопротивления деформации чугуна. Задача решается за счет того, что предлагаемый чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром,никель, магний, железо и примеси, дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,64,1 кремний 2,12,9 марганец 0,5 фосфор 0,310,45 сера 0,05 хром 0,30 никель 0,40,6 молибден 0,150,25 магний 0,040,07 железо остальное. Дополнительное легирование чугуна молибденом имеет целью стабилизацию структуры металлической основы и свойств материала при температурно-силовых воздействиях за счет повышения устойчивости перлита. В частности, обеспечивается сохранение перлитной составляющей при охлаждении после отжига заготовок и обеспечивается за счет этого быстрое и равномерное насыщение углеродом аустенита при нагреве под пластическую деформацию. Кроме того, повышается теплоустойчивость колец изготовленных из заявляемого чугуна. При концентрации молибдена менее чем 0,15 , устойчивость перлита существенно не повышается, при концентрации его более чем 0,25 в структуре после отжига присутствуют выделения первичного цементита, что ухудшает деформируемость и снижает механические свойства чугуна. Легирование чугуна фосфором имеет целью повышение антифрикционных свойств за счет образования фосфидной эвтектики, дробящейся при деформационных воздействиях. Возможно незначительное ухудшение формы включения графита в данном случае не имеет принципиального значения, поскольку материал при изготовлении колец подвергается горячей пластической деформации, в результате чего включения графита приобретают компактную вытянутую в виде волокон форму. Поскольку форма включений остается компактной, ухудшения деформируемости чугуна не происходит. При горячей пластической деформации происходит дробление фосфидной эвтектики с равномерным распределением включений по сечению деформируемой заготовки, в результате чего материал сохраняет высокие прочностные свойства и приобретает повышенные антифрикционные характеристики. При концентрации фосфора ниже предлагаемого предела влияние фосфора на антифрикционные свойства чугуна в деформированном состоянии мало, при его содер 4427 1 жании выше происходит изменение формы графита с шаровидной на пластинчатую, в результате чего ухудшаются деформируемость в горячем состоянии и механические свойства. Изменение концентрации магния в чугуне связано с необходимостью сохранения компактных выделений графита при повышенной концентрации фосфора. При ее величине ниже устанавливаемого предела возможно появление отбела при кристаллизации чугуна и ухудшается его жидкотекучесть. Уменьшение концентрации никеля компенсируется присутствием в составе чугуна молибдена, который является сильным перлитизатором структуры. Таким образом, приведенные соотношения компонентов обеспечивают совокупность высоких механических и эксплуатационных свойств чугуна. Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемое техническое решение отличается от известного наличием нового компонента, а именно молибдена, и новым соотношением некоторых элементов, входящих в состав чугуна. В качестве примера осуществлена выплавка сплавов, химический состав которых представлен в табл. 1. Таблица 1 Химический состав опытных чугунов Способ изготовления образца Известный литье Известный после деформации Предлагаемый литье Предлагаемый после деформации Предлагаемый после деформации Предлагаемый после деформации Предлагаемый после деформации Предлагаемый после деформации Проведены механические испытания и испытания на износостойкость, о которой судили по коэффициенту трения. Свойства сплавов определяли в литом и деформированном со степенью 0,5 состоянии. Результаты испытаний представлены в табл. 2. Наряду с опытными сплавами проводили выплавку и испытания в аналогичных условиях сплава, состав которого был выбран за прототип ( 1-2 табл. 1). Выплавку чугуна производили в индукционной печи с кислой футеровкой по известной технологии. В качестве шихтовых материалов служили чугун передельный (ГОСТ 805-93), чугун литейный (ГОСТ 483293), лом стальной категории А (ГОСТ 2787-87), ферромолибден (ГОСТ 4759-87), никель (ГОСТ 849-87),феррофосфор (ОСТ 113-25-44-86). Магний вводили в расплав в виде лигатуры СМ 7 К 03 (ТУ 14-5-39-74) в ковш при выпуске из печи при температуре 14001450 С. Механические свойства чугуна определяли по методике, утвержденной РД 37.002.0520-87 на поршневых кольцах диаметром 110 мм. Соответствующие данные приведены в табл. 2. 4427 1 Таблица 2. Механические и триботехнические свойства сплавов Механические свойства Условный модуль уп- Предел прочности при ругости Е, ГПА изгибе изг, МПа 2 160 170 176 180 185 190 150 155 Потеря упругости при нагреве до температуры 250 С за 4 ч,4 6 6 4 4 3 3 7 7 Триботехнические свойства Коэффициент трения,5 0,092 0,086 0,068 0,070 0,064 0,060 0,080 0,075 Из анализа результатов, приведенных в табл. 2, следует, что оптимальным сочетанием свойств обладают сплавы 46. Результаты сравнительных испытаний показывают, что предлагаемый сплав по сравнению с прототипом обладает более высокими механическими и эксплуатационными свойствами и отвечает поставленной при его разработке задаче. Предлагаемый сплав предполагается внедрить на машиностроительных предприятиях, изготавливающих уплотнительные кольца для тракторной, сельскохозяйственной техники и автомобилей, например на Минском заводе колесных тягачей при изготовлении уплотнительных колец трансмиссий. Источники информации 1. Молдаванов В.П., Пикман А.Р., Авербух В.Х. Производство поршневых колец ДВС. - М. Машиностроение, 1980. 2. Технологический процесс и оборудование для производства и контроля отливок поршневых колец из серого и высокопрочного чугунов РД 37.002.0520-87 Минавтопром СССР. - М., 1987. Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, магний, железо и примеси, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,6-4,1 кремний 2,1-2,9 марганец до 0,5 фосфор 0,31-0,45 хром до 0,30 никель 0,4-0,6 молибден 0,15-0,25 магний 0,04-0,07 железо и примеси остальное. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.