Высокопрочный чугун для термообрабатываемых литых корпусных деталей

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН ДЛЯ ТЕРМООБРАБАТЫВАЕМЫХ ЛИТЫХ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марукович Евгений Игнатьевич Карпенко Михаил Иванович Бадюкова Ульяна Сергеевна Шпадарук Валерий Эвальдович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Высокопрочный чугун для термообрабатываемых литых корпусных деталей, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, никель, молибден, хром, магний, церий и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит алюминий, азот, кальций и бор при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,2-3,1 кремний 1,1-1,5 марганец 0,3-0,7 медь 0,10-0,25 никель 0,3-0,7 молибден 0,2-0,5 хром 0,02-0,10 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 алюминий 0,02-0,05 азот 0,02-0,05 кальций 0,02-0,05 бор 0,01-0,03 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным конструкционным чугунам для цилиндров компрессоров, блоков цилиндров двигателей и других литых термообрабатываемых корпусных деталей, работающих в сложнонапряженных условиях и обладающих повышенными характеристиками трещиностойкости, упруго-пластических и антифрикционных свойств. Известный высокопрочный термообрабатываемый чугун АЧВ-1 1 после термической обработки, включающей операции закалки и отпуска, имеет недостаточные характе 12784 1 2010.02.28 ристики предела текучести и трещиностойкости, не обеспечивает длительной эксплуатационной стойкости в сложнонапряженных условиях. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения составляет 12-20 МПа, м/с. Известен также высокопрочный термообрабатываемый антифрикционный чугун 2,используемый для отливки цилиндров мощных газокомпрессоров и содержащий, мас.углерод 3,5-3,8 кремний 2,0-2,2 марганец 0,55 магний 0,03 фосфор 0,05-0,06 сера 0,004-0,006 железо остальное. Известный чугун в литом состоянии обладает крупнозернистой структурой, низкими характеристиками относительного удлинения (4-8 ), трещиностойкости и удароустойчивости. После термообработки отмечаются недостаточные антифрикционные свойства и износостойкость. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный чугун для термообрабатываемых литых корпусных деталей 3 следующего химического состава, мас.углерод 2,2-2,4 кремний 1,2-1,8 марганец 0,1-0,3 медь 1,6-2,5 никель 3, 0-3,5 молибден 0,3-0,5 хром 0,1-0,3 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 железо остальное. Механические и эксплуатационные 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 трещиностойкость чугуна в отливках, мм 33-40 износостойкость при сухом трении, мкм/км 0,38-0,45 предельный режим работы при трении, МПа, м/с 15-22. Известный чугун имеет в отливках преимущественно крупнозернистую аустенитную металлическую основу, повышенные характеристики прочности и износостойкости, но недостаточные упруго-пластические свойства и низкую трещиностойкость. Высокие концентрации в известном чугуне легирующих элементов, особенно никеля,хрома и молибдена, снижают упруго-пластические свойства и трещиностойкость отливок и требуют для повышения упруго-пластических и антифрикционных свойств длительной выдержки при термообработке отливок. Недостатком известного чугуна являются низкие характеристики трещиностойкости, антифрикционных и упруго-пластических свойств. Задача изобретения - повышение трещиностойкости отливок, антифрикционных и упруго-пластических свойств высокопрочного чугуна. Поставленная задача решается тем, что высокопрочный чугун для термообрабатываемых литых корпусных деталей, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, никель,молибден, хром, магний, церий и железо, дополнительно содержит алюминий, азот, кальций и бор при следующем соотношении компонентов, мас.2 12784 1 2010.02.28 углерод 2,2-3,1 кремний 1,1-1,5 марганец 0,3-0,7 медь 0,10-0,25 никель 0,3-0,7 молибден 0,2-0,5 хром 0,02-0,10 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 алюминий 0,02-0,05 азот 0,02-0,05 кальций 0,02-0,05 бор 0,01-0,03 железо остальное. Существенными отличиями предложенного чугуна являются дополнительное введение в его состав микролегирующих компонентов - алюминия, азота и бора, уменьшение концентрации хрома, молибдена и других легирующих элементов, снижающих однородность структуры и трещиностойкость, и дополнительное модифицирование его кальцием,что значительно повышает упруго-пластические и антифрикционные свойства. Дополнительное введение алюминия обусловлено тем, что он является эффективной раскисляющей и микролегирующей добавкой, уменьшающей содержание неметаллических включений в отливках и повышающей однородность и дисперсность структуры, упругопластические свойства чугуна. При содержании алюминия до 0,02 износостойкость,предел прочности и антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении его концентрации более 0,05 увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики упруго-пластических и антифрикционных свойств. Дополнительное введение 0,02-0,05 кальция обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры металлической основы, который очищает границы зерен, существенно повышает трещиностойкость и упруго-пластические свойства. При концентрации кальция менее 0,02 модифицирующий эффект, упруго-пластические и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,05 увеличивается угар, снижаются однородность структуры и упруго-пластические свойства. Азот (0,02-0,05 ) и бор (0,01-0,03 ) служат нитридообразующими и микролегирующими элементами, повышающими дисперсность структуры в отливках трещиностойкость и сокращающими продолжительность цикла последующей термообработки. При содержании их менее нижних пределов графитизирующий и микролегирующий эффекты недостаточны, а при содержании их более 0,05 и 0,3 соответственно каждого по границам зерен увеличивается концентрация нитридов, что снижает упруго-пластические свойства и трещиностойкость. Содержание углерода (2,2-3,1 ) и кремния (1,1-1,5 ) принято исходя из опыта производства высокопрочных антифрикционных чугунов для отливок преимущественно с мелкозернистой аустенитной структурой и повышенной трещиностойкостью в литом состоянии. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,1 и 1,5 в структуре отливок повышается содержание свободного графита, что снижает характеристики трещиностойкости и упруго-пластических свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 2,2 и 1,1 повышаются остаточные термические напряжения в отливках и содержание цементита в структуре, что снижает трещиностойкость и удароустойчивость. Медь в количестве от 0,10 до 0,25 снижает коэффициент трения, является микролегирующим и графитизирующим компонентом, обеспечивающим высокие характеристики антифрикционных и упруго-пластических свойств. При концентрации меди менее 0,1 дисперсность структуры и антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении ее 3 12784 1 2010.02.28 концентрации более 0,25 сильно повышается твердость, снижается однородность структуры и стабильность упруго-пластических свойств. Содержания молибдена до 0,2-0,5 и никеля до 0,3-0,7 обусловлено снижением трещиностойкости и упруго-пластических свойств при более высоких их концентрациях. При увеличении концентрации никеля более 0,7 и молибдена более 0,5 снижаются упруго-пластические свойства. Их влияние при содержании менее нижних пределов на структуру, склонность к трещинам, антифрикционные и механические свойства недостаточное. Повышение концентрации марганца от 0,3 до 0,7 обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышением технологических, механических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,7 увеличиваются остаточные напряжения и снижается трещиностойкость, а при снижении концентрации марганца менее 0,3 повышается содержание в структуре перлита и снижаются эксплуатационные характеристики чугуна. Хром в количестве более 0,10 повышает содержание в структуре цементита и карбидов, снижает трещиностойкость, удлиняет продолжительность режима термообработки и снижает упруго-пластические свойства. При концентрации хрома менее 0,02 антифрикционные свойства, износостойкость и прокаливаемость существенно снижаются. Содержание магния (0,03-0,05 ) и церия (0,01-0,02 ), являющихся основными сфероидизирующими графит модифицирующими добавками, соответствует общепринятым нормам при производстве высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, принято без изменения. Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием литейных рафинированных чугунов, чугунного лома 17 А и 19 А, стального лома 1 А,чугунной стружки 5 НТ, 5 МГ, ферромарганца ФМн 70, никеля НП 3, меди М 2, феррохрома Х 800, карбюризатора С 94, ферромолибдена ФМо 1 и других ферросплавов. Микролегирование никелем, ферромарганцем, медью и ферробором производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в барабанных раздаточных ковшах с использованием никель-магниевой лигатуры, силикокальция и ферроцерия. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы. Трещиностойкость чугуна в отливках определяют на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм высотой 140 мм. После изотермической обработки отливок, образцов и технологических проб определяют механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства чугуна по стандартным методикам. Ударную вязкость определяют на образцах 101055 мм с надрезом 0,2 мм. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в табл. 2 их технологические, механические и эксплуатационные свойства. Таблица 1 Содержание компонентов, мас.(железо - остальное) Компоненты 1 (Извест.) 2 3 4 5 6 Углерод 2,4 2,1 2,2 2,7 3,1 3,4 Кремний 1,5 1,0 1,1 1,3 1,5 1,8 Марганец 0,3 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0 Медь 2,1 0,05 0,10 0,15 0,25 0,3 Никель 3,1 0,2 0,3 0,5 0,7 1,0 Молибден 0,2 0,10 0,2 0,3 0,5 0,8 Хром 0,2 0,007 0,02 0,03 0,10 0,17 Магний 0,05 0,01 0,03 0,04 0,05 0,07 Церий 0,02 0,005 0,01 0,012 0,02 0,03 Алюминий 0,01 0,02 0,03 0,05 0,08 Азот 0,01 0,02 0,03 0,05 0,07 Кальций 0,01 0,02 0,03 0,05 0,06 Бор 0,003 0,01 0,02 0,03 0,05 4 12784 1 2010.02.28 Таблица 2 Свойства чугунов Временное сопротивление при растяжении, МПа Предел текучести, МПа Склонность к трещинообразованию количество трещин в пробе общая длина всех трещин, мм Вязкость разрушения, кН/мм 3/2 Относительное удлинение,Скорость износа при сухом трении,мкм/км Ударная вязкость, Дж/см 2 Предельный режим работы при трении,МПа, м/с Коэффициент трения Показатели для составов чугуна 1(Изв.) 2 3 4 5 Источники информации 1. ГОСТ 1585-85. 2. Высококачественные чугуны для отливок / Под редакцией И.Н.Александрова. -М. Машиностроение, 1982. - С. 165. 3. А.с. СССР 926058, МПК С 22 С 37/10 // БИ 17. - 1982 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5