Патент на изобретение №2352675

Published by on




РОССИЙСКАЯ ФЕДЕРАЦИЯ



ФЕДЕРАЛЬНАЯ СЛУЖБА
ПО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ,
ПАТЕНТАМ И ТОВАРНЫМ ЗНАКАМ
(19) RU (11) 2352675 (13) C1
(51) МПК

C22C37/00 (2006.01)

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ

Статус: по данным на 08.09.2010 – действует

(21), (22) Заявка: 2007123909/02, 25.06.2007

(24) Дата начала отсчета срока действия патента:

25.06.2007

(46) Опубликовано: 20.04.2009

(56) Список документов, цитированных в отчете о
поиске:
SU 1097702 А, 15.06.1984. SU 926058 А, 07.05.1982. SU 1581770 А1, 30.07.1990. SU 910828 А, 09.03.1982. JP 57198241 А, 12.04.1982.

Адрес для переписки:

150023, г.Ярославль, Московский пр., 88, ЯГТУ

(72) Автор(ы):

Алов Виктор Анатольевич (RU),
Карпенко Михаил Иванович (BY),
Епархин Олег Модестович (RU),
Гунин Анатолий Викторович (RU),
Синякин Виктор Николаевич (RU),
Куприянов Илья Николаевич (RU),
Бадюкова Ульяна Сергеевна (BY)

(73) Патентообладатель(и):

Ярославский государственный технический университет (RU)

(54) ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН

(57) Реферат:

Высокопрочный антифрикционный чугун содержит, мас.%: углерод 3,2-3,5; кремний 1,8-2,2; марганец 0,4-0,8; медь 0,15-0,7; никель 0,02-0,25; хром 0,02-0,06; магний 0,03-0,05; церий 0,01-0,02; олово 0,03-0,10; фосфор 0,02-0,10; кальций 0,002-0,01; железо остальное. Использование изобретения позволяет снизить склонность к трещинам и повысить антифрикционные и упругопластические свойства чугуна в отливках. 2 табл.

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, Евро-4, работающих в условиях трения, износа, повышенных механических и термоциклических нагрузок.

Известный высокопрочный антифрикционный чугун АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85) 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).

Известен также антифрикционный магний-цериевый чугун с вермикулярным графитом типа ЧВГ-45, рекомендованный в ГОСТ 28394-89 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 низкое 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 (А.с. СССР 1097702, С22С 37/00, 1984) следующего химического состава, мас.%:

Углерод 2,7-3,8
Кремний 2,2-3,5
Марганец 0,5-1,2
Медь 0,3-1,5
Магний 0,03-0,08
Церий 0,005-0,1
Железо Остальное

Предел текучести известного чугуна 235 245 МПа, ударная вязкость 16-20 Дж/см2 и предельный режим работы при трении не превышает 15-18 МПа·м/с. Отличаются также высокая скорость износа при сухом трении и повышенная склонность известного антифрикционного чугуна к трещинообразованию (количество трещин в стандартной технологической пробе составляет от 5 до 8).

Существенным недостатком его являются низкие упругопластические свойства и стойкость в условиях ударных нагрузок при изготовлении деталей новых модернизированных двигателей.

Задачей данного технического решения является снижение склонности к трещинам и повышение антифрикционных и упругопластических свойств чугуна в отливках.

Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, магний, церий и железо, дополнительно содержит олово, никель, хром, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 3,2-3,5
Кремний 1,8-2,2
Марганец 0,4-0,8
Медь 0,15-0,7
Олово 0,03-0,10
Никель 0,02-0,25
Хром 0,02-0,06
Магний 0,03-0,05
Церий 0,01-0,02
Фосфор 0,02-0,10
Кальций 0,002-0,01
Железо Остальное

Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов – олова, никеля, хрома, фосфора и и дополнительное модифицирование его кальцием, что существенно повышает предел текучести, трещиностойкость, износостойкость и упругопластические свойства. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны 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 олова обусловлено тем, что оно является эффективной микролегирующей и перлитизирующей добавкой, повышающей плотность и трещиностойкость чугуна в отливках с однородной перлитной металлической основой, что обеспечивает увеличение предела текучести, антифрикционные и упругопластические свойства чугуна. При содержании олова до 0,03% износостойкость, трещиностойкость, предел текучести и антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении его концентрации более 0,10% увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики упругопластических свойств и предела текучести.

Никель, медь, хром и марганец являются основными легирующими компонентами высокопрочных антифрикционных чугунов, обеспечивающими высокие характеристики предела прочности и износостойкости, но оказывающими неоднозначное влияние на склонность чугуна к отбелу и другим дефектам, а также на предел текучести, упругопластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства.

Содержание никеля и хрома в чугуне составляет соответственно 0,02-0,25% и 0,02-0,06%, т.к. при концентрации их выше верхних пределов увеличиваются содержание карбидов и цементита в структуре, снижаются однородность структуры, упругопластические, антифрикционные и эксплуатационные свойства. При уменьшении их содержания ниже 0,02% каждого снижается изностойкость и имеются недостаточные характеристики предела текучести, трещиностойкости, твердости и эксплуатационных свойств.

Содержание меди в чугуне ограничено концентрацией 0,7%, т.к. при более высоком ее содержании снижаются характеристики предела текучести, ударной вязкости и износостойкости.

Фосфор является перлитизирующим элементом и при содержании в чугуне от 0,02 до 0,1% 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 более 0,10% снижаются характеристики однородности структуры, упругопластических свойств, предела текучести и повышаются коэффициент трения, склонность чугуна к трещинам и другим дефектам.

Дополнительное введение 0,002-0,01% 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 упругопластические свойства. При концентрации кальция менее 0,002% модифицирующий эффект, упругопластические и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,01% увеличивается его угар, снижаются однородность структуры, износостойкость и предел текучести чугуна.

Снижение 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.

Снижение концентрации кремния до 1,8-2,2% и ограничение концентрации углерода в пределах от 3,2 до 3,5% принято с целью снижения склонности отливок к трещинам, отбелу и повышения износостойкости, механических, антифрикционных свойств в условиях трения и знакопеременных нагрузок. При увеличении концентрации 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 графитомодифицирующими добавками, соответствует общепринятым нормам их концентрации при производстве высокопрочных антифрикционных чугунов и принято без изменения.

Опытные плавки чугунов производят в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-75), передельного чугуна марки ПЛ11Б2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А (ГОСТ 2787-75), чугунного лома марки 17А (ГОСТ 2787-75), катодной меди, олова, ферромарганца, феррофосфора, силикокальция и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна – 1480-1500°С. Микролегирование ферромарганцем марки ФМн78-2 (ГОСТ 4755-91), оловом марки 01пч (ГОСТ 860-75) и катодной медью марки М 1к (ТУ 859-2001) производят после рафинирования расплава в печи. Модифицирование чугуна при изготовлении образцов, технологических проб и мелких отливок производят в ковше с использованием металлотермических 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 1450-1480°С с использованием сфероидизирующих комплексных лигатур, а затем в литейных формах с использованием модификатора МКМг19 (ТУ 0826-003-47647304-2001) и графитизирующих добавок. Определение механических свойств проводят по ГОСТ 1497-84 с диаметром 14 мм и расчетной длиной 70 мм. Ударную вязкость определяют на образцах 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм, трещиностойкость – на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм. В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, в табл.2 – их механические и эксплуатационные свойства.

Таблица 1
Компоненты Содержание компонентов, мас.%, (железо – остальное), в чугуне состава
1 (Извест.) 2 3 4 5 6
Углерод 3,8 2,5 3,2 3,3 3,5 3,8
Кремний 3,0 1,7 1,8 2,1 2,2 2,5
Марганец 1,2 0,3 0,4 0,5 0,8 1,0
Никель 0,01 0,02 0,11 0,25 0,38
Хром 0,01 0,02 0,05 0,06 0,14
Медь 1,4 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
Олово 0,01 0,03 0,06 0,10 0,14
Фосфор 0,02 0,02 0,05 0,10 0,14
Кальций 0,001 0,002 0,006 0,01 0,02

Таблица 2
Свойства чугунов Показатели для составов чугуна
1 (Изв.) 2 3 4 5 6
Предел текучести, МПа 240 257 265 290 282 275
Ударная вязкость, Дж/см2 19 35 41 56 53 39
Скорость износа при сухом трении, мкм/км 0,40 0,38 0,30 0,24 0,22 0,35
Твердость, НВ 290 267 229 241 235 300
Предельный режим работы при трении, МПа.м/с 17 24 31 35 40 9R
Коэффициент трения 0,48 0,44 0,35 0,32 0,4 0,45
Склонность к трещинообразованию (количество трещин в технологической пробе) 6,6 3,7 3,0 2,8 3,2 4,2

Формула изобретения

Высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, магний, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово, фосфор, кальций, никель и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 3,2-3,5
кремний 1,8-2,2
марганец 0,4-0,8
медь 0,15-0,7
никель 0,02-0,25
хром 0,02-0,06
магний 0,03-0,05
церий 0,01-0,02
олово 0,03-0,10
фосфор 0,02-0,10
кальций 0,002-0,01
железо остальное

Categories: BD_2352000-2352999