Высокопрочный антифрикционный чугун

(51) МПК (2009) 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) Высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец,никель, хром, медь, магний, церий и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит титан, цирконий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,2-3,5 кремний 1,8-2,2 марганец 0,4-0,8 никель 0,02-0,25 хром 0,02-0,06 медь 0,4-0,7 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 титан 0,03-0,10 цирконий 0,02-0,10 кальций 0,002-0,010 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным чугунам для антифрикционных отливок, получаемых при модифицировании их магнием и церием и используемых в литом состоянии для ответственных деталей двигателей Евро-3 и Евро-4, работающих в условиях трения, износа, повышенных механических и термоциклических нагрузок. Известный высокопрочный антифрикционный чугун АЧВ-2 1 имеет в отливках типа блоки и головки блоков цилиндров двигателей перлитно-ферритную структуру и недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ), предела выносливости (150-170 МПа),трещиностойкости и износостойкости, что снижает стойкость и надежность работы цилиндров в условиях термоциклических нагрузок и трения. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения имеет низкие значения (312 МПа м/с). 12783 1 2010.02.28 Известен также антифрикционный магний-цериевый чугун с вермикулярным графитом типа ЧВГ 45, рекомендованный в 2 для аналогичных отливок. Твердость чугуна в отливках составляет 190250 НВ, а относительное удлинение не превышает 0,81,5 . Предельный режим эксплуатации его в условиях трения низкий и не превышает 1215 МПа м/с. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный антифрикционный чугун для износостойких литых деталей 3 следующего химического состава, мас.углерод 2,2-2,4 кремний 1,2-1,8 марганец 0,1-0,3 никель 3,0-3,5 молибден 0,3-0,5 хром 0,1-0,3 медь 1,6-2,5 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 железо остальное. Механические и антифрикционные свойства известного чугуна временное сопротивление, МПа 690-735 предел текучести, МПа 210-250 2 ударная вязкость, Дж/см 17-32 коэффициент трения 0,47-0,55 предел коррозионной усталости, МПа 285-291 предельный режим работы в условиях трения, МПа м/с 15-22 износостойкость при сухом трении, мкм/км 0,38-0,45. Низкое содержание графитизирующих элементов (углерода и кремния) и высокое карбидообразующих элементов (хрома, молибдена и никеля) в известном чугуне повышают концентрацию аустенита и карбидов в структуре, склонность к трещинам, отбелу в отливках, что снижает упруго-пластические и антифрикционные свойства, вызывает необходимость проведения термообработки отливок и дополнительных затрат на устранение литейных дефектов. Отмечаются недостаточные упруго-пластические и антифрикционные свойства, трещиностойкость, предел текучести и стойкость в условиях ударных нагрузок при изготовлении деталей новых двигателей. Задача изобретения - снижение склонности к трещинам и повышение антифрикционных и упруго-пластических свойств чугуна в отливках. Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, хром, медь, магний, церий, железо, дополнительно содержит титан, цирконий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,2-3,5 кремний 1,8-2,2 марганец 0,4-0,8 никель 0,02-0,25 хром 0,02-0,06 медь 0,4-0,7 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 титан 0,03-0,10 цирконий 0,02-0,10 кальций 0,002-0,01 железо остальное. 2 12783 1 2010.02.28 Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - титана и циркония, а также дополнительное модифицирование его кальцием, что существенно повышает предел текучести, трещиностойкость,антифрикционные и упруго-пластические свойства. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные отличия являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными. Дополнительное введение титана обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей и графитизирующей добавкой, повышающей компактность графитных включений, плотность и трещиностойкость чугуна в отливках, обеспечивает увеличение предела текучести, антифрикционные и упруго-пластические свойства чугуна. При содержании титана до 0,03 износостойкость, трещиностойкость, предел текучести, коэффициент трения и другие антифрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 0,10 увеличивается неоднородность структуры, снижаются характеристики упруго-пластических свойств и предела текучести. Цирконий является перлитизирующим элементом и при содержании в чугуне от 0,02 до 0,10 повышает технологические свойства, дисперсность структуры в отливках, износостойкость, трещиностойкость, предел текучести и стабильность антифрикционных свойств. При содержании его менее 0,02 микролегирующий эффект недостаточен и технологические свойства, дисперсность структуры, трещиностойкость и износостойкость низкие. При содержании циркония более 0,10 снижаются характеристики однородности структуры, упруго- пластических свойств, предела текучести и повышаются коэффициент трения, склонность чугуна к трещинам и другим дефектам. Дополнительное введение 0,002-0,010 кальция обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры, который очищает границы зерен, существенно повышает трещиностойкость, антифрикционные и упруго-пластические свойства. При концентрации кальция менее 0,002 модифицирующий эффект, упруго-пластические и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,01 увеличивается его угар, снижаются однородность структуры, износостойкость и предел текучести чугуна. Повышенное содержание углерода (3,2-3,5 ) и кремния (1,8-2,2 ) принято с целью снижения склонности отливок к трещинам, отбелу и повышения износостойкости, механических и антифрикционных свойств в условиях трения и знакопеременных нагрузок. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,5 и 2,2 в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, предела текучести, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,2 и 1,8 повышаются остаточные термические напряжения в отливках, склонность чугуна к трещинам и газоусадочным дефектам, что снижает предел текучести, ударную вязкость, удароустойчивость и упругопластические свойства. Содержание магния (0,03-0,05 ) и церия (0,01-0,02 ), являющихся основными сфероидизирующими графитмодифицирующими добавками, соответствует общепринятым нормам их концентрации при производстве высокопрочных антифрикционных чугунов и принято без изменения. Марганец, никель, медь, молибден и хром являются основными легирующими компонентами высокопрочных антифрикционных чугунов, обеспечивающими высокие характеристики предела прочности и износостойкости, но оказывающими неоднозначное влияние на склонность чугуна к трещинам, отбелу и другим дефектам, а также на предел текучести, упруго-пластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства. 3 12783 1 2010.02.28 Содержание никеля и меди в чугуне снижено соответственно до концентраций 0,020,25 и 0,4-0,7 , так как при более высоком содержании они снижают однородность структуры, упруго-пластические и эксплуатационные свойства. Хром и молибден еще в большей степени увеличивает неоднородность структуры, склонность чугуна к трещинам и карбидообразованию в литом состоянии. При этом молибден является наиболее дорогим и дефицитным легирующим элементом, повышающим склонность чугуна к трещинам и карбидообразованию, поэтому он исключен из состава предложенного чугуна, а содержание хрома ограничено концентрацией 0,06 , выше которой он значительно снижает упругопластические свойства. При концентрации хрома менее 0,02 дисперсность структуры,износостойкость, предел текучести и эксплуатационные свойства недостаточны. Повышение концентрации марганца до 0,4-0,8 обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышение технологических, механических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,8 увеличиваются остаточные напряжения и снижается предел коррозионной усталости, а при снижении концентрации марганца менее 0,4 повышается содержание в структуре феррита и снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна. Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л 2 ШБ 2 (ГОСТ 4832-95), передельного чугуна марки ПЛ 11 Б 2(ГОСТ 805-90), стального лома марок 1 А и 2 А (ГОСТ 2787-75), чугунного лома марки 17 А(ГОСТ 2787-75), катодной меди, ферромарганца, ферротитана, комплексных лигатур, содержащих магний, цирконий и кальций. Температура выплавляемого чугуна - 14801500 С. Микролегирование ферромарганцем марки ФМн 78-2 (ГОСТ 4755-91) и катодной медью марки М 1 к (ТУ 859-2001) производят после рафинирования расплава в печи. Модифицирование чугуна при изготовлении образцов, технологических проб и мелких отливок производят в ковше с использованием 2 кг пакетов с комплексными модификаторами,содержащими магний, кальций и церий. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы. При изготовлении массивных отливок в производственных условиях процесс модифицирования чугуна производят в две стадии сначала в ковше при температуре 14501480 С с использованием сфероидизирующих комплексных лигатур, содержащих магний, цирконий и кальций, а затем в литейных формах с использованием модификатора МКМг 19 (ТУ 0826-003-47647304-2001), ферротитана и других графитизирующих добавок. Определение механических свойств проводят согласно ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм и расчетной длиной 70 мм. Ударную вязкость определяют на образцах 101055 мм с надрезом 0,2 мм, трещиностойкость - на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм высотой 140 мм. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в табл. 2 - их механические и эксплуатационные свойства. Таблица 1 Содержание компонентов, мас. , в чугуне (железо - остальное) Компоненты 1 (Известн.) 2 3 4 5 6 Углерод 2,4 2,5 3,2 3,3 3,5 3,8 Кремний 1,5 1,7 1,8 2,1 2,2 2,5 Марганец 0,3 0,3 0,4 0,5 0,8 1,0 Никель 3,1 0,01 0,02 0,11 0,25 0,38 Хром 0,2 0,01 0,02 0,05 0,06 0,14 Медь 2,1 1,3 0,15 0,45 0,7 2,7 Магний 0,05 0,05 0,01 0,03 0,05 0,07 Церий 0,02 0,005 0,01 0,016 0,02 0,04 Титан 0,01 0,03 0,06 0,10 0,14 Цирконий 0,02 0,02 0,05 0,10 0,14 Кальций 0,001 0,002 0,006 0,010 0,02 4 12783 1 2010.02.28 Таблица 2 Свойства чугунов Предел текучести, МПа Ударная вязкость, Дж/см 2 Скорость износа при сухом трении, мкм/км Твердость, НВ Предельный режим работы при трении, МПа м/с Коэффициент трения Склонность к трещинообразованию (количество трещин в технологической пробе) Показатели для составов чугуна 2 3 4 5 250 262 290 272 30 35 42 45 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5