Чугун с шаровидным графитом

(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 Бевза Владимир Федорович Груша Владимир Петрович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(56) РД 37.002.0520-87. Технологический процесс и оборудование для производства и контроля отливок поршневых колец из серого и высокопрочного чугунов. - С. 95-97.9511 1, 2008.1759939 1, 1992.2212467 2, 2003.19629970 1, 1998.20010014445 , 2001.5870 1, 2004.11084 1, 2008.10666 1, 2008.12783 1, 2010.(57) Чугун с шаровидным графитом, содержащий углерод, кремний, марганец, никель,хром, фосфор, магний, серу и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит медь, алюминий, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,0-4,0 кремний 2,1-2,9 марганец 0,3-0,8 никель 0,1-0,6 хром 0,05-0,30 фосфор 0,03-0,30 магний 0,02-0,06 сера 0,01-0,03 медь 0,15-0,35 алюминий 0,021-0,030 кальций 0,01-0,05 барий 0,01-0,03 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, а именно к антифрикционным чугунам с повышенными упругопластическими свойствами для получения литых заготовок мето 17150 1 2013.06.30 дом направленного затвердевания в металлической водоохлаждаемой форме с последующим применением пластической деформации. Известен высокопрочный чугун с шаровидным графитом с повышенными упругопластическими свойствами марки ВЧ 35 1, который при изготовлении литых заготовок толщиной до 50 мм содержит, мас.углерод 3,3-3,8 кремний 1,9-2,9 марганец 0,2-0,6 хром до 0,05 фосфор до 0,1 сера до 0,002 железо остальное. Известный чугун имеет недостаточно высокие прочностные (350-400 МПа), антифрикционные и технологические свойства. Известен также высокопрочный чугун 2 следующего химического состава, мас.углерод 2,7-3,2 кремний 1,0-2,5 марганец 0,05-0,14 никель 0,3-0,8 алюминий 0,005-0,02 РЗМ 0,008-0,09 магний 0,005-0,05 кальций 0,001-0,004 железо остальное. Этот чугун имеет низкие характеристики вязкости и технологических свойств. По технической сущности и достигаемому результату наиболее близким к предлагаемому изобретению является чугун с шаровидным графитом 3 (прототип) следующего химического состава, мас.углерод 3,6-4,1 кремний 2,1-2,9 марганец до 0,5 никель до 1,0 хром до 0,3 фосфор до 0,3 магний 0,015-0,035 сера до 0,05 железо остальное. Ударная вязкость чугуна - 20-30 Дж/см 2. Известный чугун обладает недостаточной прочностью при сжатии (1000-1200 МПа),низкими характеристиками износостойкости, термостабильности и технологической пластичности. Технической задачей изобретения является повышение механических и антифрикционных свойств чугуна и его деформируемости. Поставленная задача решается тем, что предлагаемый чугун с шаровидным графитом,содержащий углерод, кремний, марганец, никель, хром, фосфор, магний, серу и железо,дополнительно содержит медь, алюминий, кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,0-4,0 кремний 2,1-2,9 марганец 0,3-0,8 никель 0,1-0,6 2 17150 1 2013.06.30 хром 0,05-0,30 фосфор 0,03-0,30 магний 0,02-0,06 сера 0,01-0,03 медь 0,15-0,35 алюминий 0,021-0,030 кальций 0,01-0,05 барий 0,01-0,03 железо остальное. Дополнительное микролегирование чугуна медью способствует стабилизации структуры металлической основы и технологических свойств материала при температурносиловых воздействиях за счет повышения дисперсности и устойчивости перлита. При этом достигается повышение ударной вязкости и антифрикционных свойств. При содержании меди до 0,15 не достигается существенного повышения механических и антифрикционных свойств чугуна. При концентрации меди более 0,35 снижаются дисперсность чугуна в литых изделиях, его вязкостные и технологические свойства. Дополнительное введение алюминия в количестве 0,021-0,030 рафинирует и раскисляет расплав, способствует повышению механических и технологических свойств. При концентрации алюминия менее нижнего предела повышения механических и технологических свойств не достигается, а при повышении концентрации его более 0,030 снижается устойчивость перлита и стабильность металлической основы. Кальций (0,01-0,05 ) и барий (0,01-0,03 ) введены как эффективные модифицирующие добавки, очищающие границы зерен, повышающие упругопластические свойства и деформируемость чугуна. При их концентрации менее нижних пределов модифицирующий эффект недостаточен, верхние пределы концентраций ограничены их растворимостью в расплаве и снижением стабильности структуры. Повышение концентрации магния в чугуне связано с необходимостью увеличения количества компактных выделений графита и ограничено содержанием 0,06 , выше которого в структуре образуется цементит, появляется отбел в отливках и снижаются пластические и технологические свойства чугуна. Никель, хром и марганец в чугуне - основные легирующие элементы, обеспечивающие повышение механических свойств, их стабильности, увеличение количества износостойких структурных составляющих. Их концентрации ограничены пределами, выше которых снижаются технологические свойства, ударная вязкость и деформируемость чугуна. Фосфор (0,03-0,30 ) и кремний (2,1-2,9 ) обеспечивают повышение антифрикционных и технологических свойств. Их верхние пределы ограничены концентрациями, вышекоторых отмечается снижение упругопластических свойств чугуна. Уменьшение концентрации графита связано с дополнительным введением в чугун меди, алюминия, кальция и бария, являющихся графитизирующими элементами. Приведенные соотношения компонентов обеспечивают совокупность высоких упругопластических,технологических и антифрикционных свойств чугуна. Пример. Выплавку чугуна проводили в открытых индукционных печах с кислой футеровкой по известной технологии. В качестве шихтовых материалов использовались литейные и передельные чугуны, стальной и чугунный лом, никель (ГОСТ 4759-87), ферромарганец,медь марки М 0, феррофосфор (ОСТ 113-25-44-86) и другие ферросплавы. Температура чугуна после рафинирования и перед выпуском из печи - 1470-1490 С. Модифицирование чугуна производили в литейных ковшах с использованием комплексных лигатур, содержащих магний (ТУ 14-5-39-74), силикокальция СК 30, силикобария и алюминия. Температура чугуна при модифицировании - 1420-1450 С. 3 17150 1 2013.06.30 Из модифицированного чугуна изготовляли полые цилиндрические отливки с использованием направленного затвердевания в непрерывно циклическом режиме. Размеры литых заготовок, мм длина - 90-280, наружный диаметр - 20-40 и толщина стенки - 10-30. После охлаждения отливки обрабатывали на металлорежущих станках по наружной и внутренней поверхности и затем подвергали горячей пластической деформации. В результате получали заготовки с минимальными припусками на механическую обработку, из которых изготавливались поршневые и уплотнительные кольца и втулки различного назначения. Таблица 1 Химические составы чугунов опытных плавок Способ изготов ления образца и п/ содержание комп понентов Литой образец 1 среднего состава Деформирован 2 ный образец известного чугуна Предлагаемый 3 образец среднего состава Предлагаемые 4 составы после деформирования Предлагаемые составы после 5 деформации,ниже нижнего и выше верхнего Химические составы чугунов (железо - остальное), мас. Определение динамической прочности проводилось на копре на образцах с размерами 101055 мм типа 8 по методике в соответствии с ГОСТ 9454-78. Механические и антифрикционные свойства чугуна определяли в соответствии с методикой РД 37.002.0520-87 на поршневых кольцах, а усталостные испытания - на машине УРМ-200 при частоте нагружения 40 Гц. В табл. 2 приведены механические, технологические и антифрикционные свойства чугунов опытных плавок. Результаты сравнительных испытаний образцов из известного и предложенного чугунов показывают, что оптимальным сочетанием механических и антифрикционных свойств обладают составы чугуна 5 после деформирования в сравнении с деформированным чугуном 2 известного состава. Металлографические исследования образцов показали, что в образцах из предложенного чугуна в литом состоянии преобладает более дисперсная структура металлической основы (перлит ПД 0,3 и ПД 0,5) с включениями графита шаровидной формы. 17150 1 2013.06.30 Таблица 2 Механические и антифрикционные свойства чугунов опытных плавок Механические свойства Антифрикционные свойства Предел Условный Контактно Ударная прочности модуль усталостная Коэффициент Износостойп/п вязкость,при изгибе,упругости, долговечность,трения,кость, мг/гс Дж/см 2 Е, ГПа МПа изг, МПа 1 1050 23 155 660 0,076 306 2 1300 28 162 724 0,072 284 3 1370 32 168 741 0,068 275 1410 36 175 812 0,065 256 4 1480 44 186 846 0,060 235 1460 41 182 838 0,058 241 1100 26 156 752 0,073 290 5 1130 30 161 770 0,069 277 Источники информации 1. ГОСТ 7293-85. 2. Патент РФ 2098508, МПК С 22 С 37/10, 1997. 3. Технологический процесс и оборудование для производства и контроля отливок поршневых колец из серого и высокопрочного чугуна. РД 37002.0520-87. Минавтопром СССР. - М., 1987. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5