Износостойкий чугун

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марукович Евгений ИгнатьевичКарпенко Михаил ИвановичАлов Виктор АнатольевичБадюков Михаил Сергеевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь,молибден, алюминий, фосфор, олово, кальций и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит кобальт, магний, бор и нитриды циркония при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,8-3,3 кремний 2,4-2,8 марганец 0,8-1,5 хром 0,3-0,7 никель 0,6-1,3 медь 0,2-0,8 молибден 0,2-0,8 алюминий 0,1-0,4 фосфор 0,02-0,06 олово 0,002-0,015 кальций 0,02-0,05 кобальт 0,02-0,28 магний 0,02-0,07 бор 0,02-0,25 нитриды циркония 0,03-0,10 железо остальное. Изобретение относится к изысканию серых износостойких чугунов, работающих в условиях износа при кавитации, в частности для изготовления цилиндров и втулок двигателей внутреннего сгорания с повышенной эксплуатационной стойкостью. 15765 1 2012.04.30 Известен износостойкий чугун 1, содержащий, мас.углерод 1,8-2,5 кремний 0,4-0,6 марганец 5,0-10,0 никель 0,1-2,0 хром 0,5-2,0 ванадий 0,2-0,4 титан 0,03-0,1 железо остальное. Известный чугун обладает недостаточной стабильностью механических и эксплуатационных свойств. Известен также износостойкий чугун 2 следующего химического состава, мас.углерод 2,51-3,8 кремний 1,35-2,49 марганец 0,40-1,28 хром 1,35-1,95 металлы из группы, содержащей титан, кальций, бор, алюминий,сурьму и теллур в сумме 0,25-1,20 медь 0,11-1,49 железо остальное. Твердость чугуна - 400 . При литье в кокиль в микроструктуре отливок преобладают карбиды цементитного типа, которые делают его хрупким, существенно снижая стабильность механических и эксплуатационных свойств деталей двигателей. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является износостойкий чугун 3, содержащий, мас.углерод 2,7-3,2 кремний 1,2-2,0 марганец 0,7-1,0 хром 0,3-0,5 никель 0,6-1,2 молибден 0,3-0,6 фосфор 0,02-0,15 медь 0,3-1,2 кальций 0,01-0,08 олово 0,02-0,1 алюминий 0,05-0,4 железо остальное. Физико-механические свойства этого чугуна предел прочности при изгибе, МПа 840-930 предел коррозионной усталости, МПа 315-375 износ, мг/100 ч 51,2-61,4 демпфирующая способность 51,0-60,0 кавитационно-эксплуатационная стойкость, ч 63-75. Недостаток - низкие эксплуатационные свойства в условиях кавитации, сложнонапряженного состояния и износа. Этот недостаток особенно сильно проявляется в чугунах с повышенным содержанием фосфора. 15765 1 2012.04.30 Задача изобретения - повышение эксплуатационных свойств. Поставленная задача достигается тем, что износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец,хром, никель, медь, молибден, алюминий, фосфор, олово, кальций и железо, при этом дополнительно содержит кобальт, магний, бор и нитриды циркония при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,8-3,3 кремний 2,4-2,8 марганец 0,8-1,5 хром 0,3-0,7 никель 0,6-1,3 медь 0,2-0,8 молибден 0,2-0,8 алюминий 0,1-0,4 фосфор 0,02-0,06 олово 0,002-0,015 кальций 0,02-0,05 кобальт 0,02-0,28 магний 0,02-0,07 бор 0,02-0,25 нитриды циркония 0,03-0,10 железо остальное. Выбор граничных пределов компонентов обусловлен следующим образом. Дополнительное введение кобальта 0,02-0,28 мас.и магния 0,02-0,07 мас.обусловлено их высокой химической и модифицирующей активностью в расплавленном металле, способностью упрочнять матрицу, измельчать структуру, улучшать форму графита и повышать механические и эксплуатационные свойства. При этом кобальт в большей степени влияет на упругопластические свойства и демпфирующую способность, а магний упрочняет матрицу, повышает задиростойкость, износостойкость и эксплуатационные свойства. При увеличении их концентрации выше верхних пределов повышаются угар и отбел чугуна и снижается стабильность демпфирующей способности и эксплуатационных свойств. При концентрации кобальта до 0,02 мас.и магния до 0,02 мас.их модифицирующий и стабилизирующий эффект недостаточен, а механические и эксплуатационные свойства чугуна низкие. Бор снижает отбел, ускоряет процессы графитизации и бейнитного превращения, измельчает структуру и повышает демпфирующую способность и эксплуатационные свойства. При введении его в количестве до 0,02 мас.измельчение структуры и повышение механических и эксплуатационных свойств незначительное, а при повышении его концентрации более 0,25 мас.снижаются однородность структуры, механические и эксплуатационные свойства. Введение нитридов циркония обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на измельчение структуры при стабилизации упруго-пластических и эксплуатационных свойств. Их влияние начинает сказываться с концентрации 0,03 мас. , а при увеличении содержания нитридов циркония более 0,10 мас.возрастает количество неметаллических включений по границам зерен и снижаются упруго-пластические и эксплуатационные свойства. Кальций вводят как эффективный модификатор, очищающий границы зерен от неметаллических включений и повышающий стабильность структуры и эксплуатационных свойств. Верхний предел концентрации кальция обусловлен ограниченной растворимостью его в перлите, а при концентрации его до 0,02 мас.модифицирующий эффект недостаточен. 3 15765 1 2012.04.30 Введение в чугун 0,3-0,7 мас.хрома и 0,002-0,015 мас.олова микролегирует структуру, улучшает распределения графита и неметаллических включений, повышает плотность чугуна и сопротивляемость износу и воздействию кавитации, что повышает эксплуатационные свойства. Микролегирующее влияние начинает сказываться с концентрации 0,3 мас.хрома и 0,002 мас.олова. При увеличении их содержания выше верхних пределов увеличивается отбел и снижаются упруго-пластические и эксплуатационные свойства. Содержание основных компонентов (углерод 2,8-3,3 мас. , кремний 2,4-2,8 мас.и марганец 0,8-1,5 мас. ) определены экспериментально с учетом практики производства износостойких чугунов с повышенными характеристиками кавитационной стойкости и демпфирующей способности. Увеличение их содержания выше верхних пределов снижает однородность структуры и стабильность механических и эксплуатационных свойств. При их концентрации менее нижних пределов ухудшается процесс графитизации и снижаются характеристики демпфирующей способности, пластических и эксплуатационных свойств. При уменьшении содержания углерода менее 2,8 мас.и кремния менее 2,4 мас.и увеличении концентрации марганца более 1,5 мас.и хрома более 0,7 мас.значительно увеличивается отбел, в структуре выделяются участки цементита при литье в кокиль и снижаются механические и эксплуатационные свойства, стабильность структуры и свойств. Содержание фосфора в чугуне снижено до 0,02-0,06 мас. , так как он снижает стабильность структуры и демпфирующую способность, предел выносливости при изгибе и пластические свойства при более высоких концентрациях. Молибден (0,2-0,8 мас. ), медь (0,2-0,8 мас. ) и никель (0,6-1,3 мас. ) упрочняют металлическую основу и повышают механические свойства, ускоряют бейнитное превращение и кавитационно-эксплуатационную стойкость. Увеличение содержания этих легирующих компонентов выше верхних пределов снижает однородность структуры,демпфирующую способность и эксплуатационную стойкость. При концентрации их менее нижних пределов упрочнение металлической основы и повышение износостойкости и эксплуатационных свойств недостаточны. Введение в расплав алюминия основано на его высоком сродстве к кислороду и сере и аффективном микролегирующем влиянии, стабилизирующем физико-механические и эксплуатационные свойства. Его нижний предел (0,1 мас. ) обусловлен заметным повышением стабильности структуры, механических и эксплуатационных свойств, начиная с этой концентрации. При увеличении концентрации алюминия более 0,4 мас.увеличивается содержание неметаллических включений в структуре и снижаются пластические и эксплуатационные свойства. Чугун выплавляют в открытых индукционных печах. В качестве шихтовых материалов используют стальной лом, бой электродов, стружку, передельные и литейные чугуны,брикеты нитридов циркония, кобальт 2 (ГОСТ 123-37), брикеты ферробора и других ферросплавов, микролегирующих и модифицирующих присадок. Ферромолибден, кобальт,никель и феррохром вводят в электропечь, а измельченные брикеты нитридов циркония и ферросплавов, модификатор г 9 (ТУ 14-5-134-86), олово и другие модифицирующие добавки - в ковш при выпуске чугуна с температурой 1480-1500 С. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок. Отливки втулок цилиндров производят способом литья в кокиль, а технологические пробы и образцы для механических испытаний - в песчано-глинистые литейные формы. Отливки и образцы подвергают термической обработке - изотермической выдержке при температуре 350410 С. В табл. 2 приведены механические и эксплуатационные свойства чугунов опытных плавок. 4 15765 1 2012.04.30 Таблица 1 Компоненты углерод кремний марганец хром никель медь молибден алюминий олово кобальт бор нитриды циркония кальций фосфор магний Содержание компонентов, мас.(железо - остальное) Известн. Предложенный чугун чугун 1 2 3 4 5 3,0 2,8 3,0 3,3 2,6 1,2 2,4 2,7 2,8 2,1 0,8 0,8 1,2 1,5 0,6 0,5 0,3 0,5 0,7 0,2 1,1 0,6 0,9 1,3 0,3 0,3 0,2 0,3 0,8 0,1 0,6 0,2 0,5 0,8 0,05 0,4 0,1 0,3 0,4 0,05 0,08 0,002 0,005 0,015 0,001 0,02 0,12 0,28 0,01 0,02 0,2 0,25 0,01 0,08 0,12 Средний износ определен в условиях трения без смазки на специальных стендах, а коэффициент износостойкости - на образцах в соответствии с ГОСТ 23.207. Ударную вязкость определяли на образцах 101055 мм 2 с полукруглым надрезом. Таблица 2 Свойства Предел прочности при изгибе, МПа Ударная вязкость, Дж/см 2 Стрела прогиба, мм Износ, мг/100 ч Демпфирующая способность Предел коррозионной усталости Эксплуатационная стойкость при кавитации, ч Коэффициент износостойкости (эталон сталь 20 Л) Предел усталости, МПа Показатели для состава чугуна 1 2 3 4 5 6 926 1100 1135 1192 948 988 18 26 32 29 18 23 3,6 10,8 11,8 11,3 5,4 8,2 52,0 20,1 18,2 19,6 46,0 38,1 60 93 95 94 72 83 370 390 410 398 375 383 75 Предел прочности при изгибе, предел коррозионной усталости и демпфирующую способность определяют на образцах, вырезанных из пробных отливок согласно ГОСТ 729385, а эксплуатационная стойкость при кавитации - на чугунах, отлитых в кокиль. Величину отбела определяют на клиновых пробах. Механические и эксплуатационные свойства определяют после термической обработки стандартных образцов. Как видно из табл. 2, предлагаемый чугун обладает более высокими показателями ударной вязкости и эксплуатационной стойкости при кавитации, износостойкости и демпфирующей способности, чем известный. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6