Патент на изобретение №2191214

(54) ЧУГУН

(57) Реферат:

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким аустенитным марганцовистым чугунам, используемым в машиностроении, например, для изготовления гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Сущность изобретения: в состав чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, хром, медь и железо, дополнительно вводят серу, никель, молибден, бор, кальций, при этом отношение суммы карбидообразующих компонентов – марганца, хрома, молибдена., бора к сумме графитизирующих компонентов – углерода, кремния, никеля, меди, находится в пределах 1,23-1,27 при содержании (мас.%) углерода 3,2-3,7, марганца 7,5-9,5, меди 0,4-1,1, серы 0,02-0,2, кальция 0,02-0,1, никеля 0,2-0,8, молибдена 0,1-0,5, бора 0,01-0,04, железа – остальное. Отношение содержания серы к содержанию кальция находится в пределах 1-2. Использование предлагаемого чугуна для изготовления деталей, работающих в узлах трения скольжения со смазкой, обеспечивает их высокую эксплуатационную надежность и долговечность. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким аустенитным марганцовистым чугунам, используемым в машиностроении для изготовления деталей, работающих в узлах трения скольжения со смазкой, например, для изготовления гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания.

Известен износостойкий аустенитный марганцовистый чугун (см. патент РФ N 2030478, МПК6: С 22 С 37/06, заявл. 16.07.91, опубл. 10.03.95), содержащий следующие компоненты, мас.%:
Углерод – 3,1 – 3,8
Кремний – 0,5 – 1,2
Марганец – 4,2 – 5,8
Хром – 5,0 – 10,0
Медь – 1,5 – 2,5
Кальций – 0,01 – 0,1
Церий – 0,03 – 0,05
Железо – Остальное
Чугун известного химического состава обладает достаточной износостойкостью в связи с наличием в структуре мартенсита и специальных сложных карбидов, однако, те же карбиды резко ухудшают обрабатываемость резанием и антифрикционные свойства. Наличие в составе большого количества хрома и низкое содержание кремния не только охрупчивает чугун, но и существенно снижает его жидкотекучесть. Кроме того, указанное содержание марганца не позволяет получить полностью аустенитную структуру чугуна, а повышенное содержание меди экономически нецелесообразно.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является износостойкий аустенитный марганцовистый чугун (см. авторское св. СССР N 635152, МПК2: С 22 С 37/10, заявл. 07.02.77, опубл. 30.11.78), содержащий следующие компоненты, мас.%:
Углерод – 3,5 – 6,0
Кремний – 4,0 – 6,0
Марганец – 8,0 – 10,0
Медь – 2,5 – 4,5
Титан – 0,4 – 0,6
Хром – 0,3 – 0,6
Железо – Остальное
Описанное решение принято за прототип.

Существенным недостатком известного чугуна является наличие в его структуре значительного количества включений ледебурита, который ухудшает обрабатываемость резанием, задиростойкость, антифрикционные свойства. Кроме того, большое содержание в чугуне меди и титана экономически неоправданно. Все это сокращает возможности его широкого использования, например, для изготовления деталей двигателей внутреннего сгорания, работающих в условиях трения скольжения со смазкой.

Задачей изобретения является повышение надежности и долговечности деталей из чугуна, работающих в узлах трения скольжения со смазкой, а также экономичности и технологичности их изготовления путем увеличения износостойкости чугуна, улучшения его антифрикционных свойств и обрабатываемости резанием.

Поставленная задача достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь и железо, дополнительно содержит серу, никель, молибден, бор и кальций, при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод 3,2-3,7, марганец 7,5-9,5, медь 0,4-1,1. сера 0,02-0,2, кальций 0,02-0,1, никель 0,2-0,8, молибден 0,1-0,5, бор 0,01-0,04, железо – остальное, при атом отношение суммы карбидообразующих компонентов – марганца, хрома, молибдена и бора к сумме графитизирующих компонентов – углерода, кремния, никеля и меди находится в пределах 1,23-1,27, а отношение содержания серы к содержанию кальция находится в пределах 1-2.

Дополнительное содержание в составе чугуна серы, никеля, молибдена, бора и кальция при соблюдении вышеописанных соотношений компонентов позволяет получить новые свойства чугуна, описанные далее.

Содержание углерода в пределах 3,2-3,7% обеспечивает получение в структуре чугуна оптимальной для условий смазки формы графитовых включений – гнездообразной (крабовидной), способствующей повышению антифрикционных свойств и, следовательно, снижению износа трущихся поверхностей, особенно при отливке заготовок центробежным способом. Кроме того, при содержании углерода свыше 3,7% в структуре чугуна появляются крупные заэвтектические карбиды, которые резко снижают задиростойкость, антифрикционные и технологические свойства.

Содержание марганца в пределах 7,5-9,5% обеспечивает стабилизацию аустенита и получение преимущественно аустенитной металлической основы. Содержание его ниже 7,5% приводит к возрастанию доли мартеноитной составляющей, что ухудшает обрабатываемость резанием, а свыше 9,5% – нецелесообразно, т.к. способствует удорожанию чугуна, не изменяя ауотенизирующий эффект.

Содержание меди в пределах 0,4-1,1% способствует образованию аустенитной структуры, графитизации, улучшает антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием. Содержание меди ниже 0,4% малоэффективно, а свыше 1,1% приводит к неоправданному удорожанию чугуна при незначительном повышении указанных свойств.

Известно, что сера в чугунах и сталях считается вредной примесью, поэтому ее содержание ограничивают 0,2%. В то же время сера относится к элементам, улучшающим обрабатываемость резанием, при этом ее содержание не должно превышать 0,2%, а при содержании ниже 0,02% влияние серы на технологичность неэффективно. Наиболее благотворное влияние на обрабатываемость резанием сера оказывает при введении ее в пределах 0,02-0,2% совместно с кальцием. При этом наибольший эффект достигается, когда отношение содержания серы к содержанию кальция находится в пределах 1-2. В чугуне эти элементы образуют сульфиды кальция, откладывающиеся в процессе резания на режущей кромке инструмента в виде пленки, которая, в свою очередь, служит смазкой, снижающей износ инструмента. Кроме того, присутствуя в зоне трения, сульфиды кальция повышают износостойкость и уменьшают задироопасность. Кальций в чугуне снижает концентрацию вредных примесей по границам зерен и улучшает литейные и механические свойства. Введение кальция в количествах, меньших 0,02% и больших 0,1%, практически не улучшает физико-механические и технологические свойства металла.

Никель в пределах 0,2-0,8% еще в большей степени, чем медь, способствует аустенизации и графитизации чугуна. Находясь в твердом растворе, он упрочняет металлическую основу чугуна, что приводит к повышению механических и эксплуатационных свойств. Содержание никеля менее 0,2% практически не влияет на свойства чугуна и считается “полезной” примесью, а свыше 0,8% приводит к удорожанию чугуна и снижению его обрабатываемости резанием.

Молибден – сильный карбидообразующий элемент. В чугунах он образует в основном простые стабильные карбиды, которые в значительной мере упрочняют металлическую основу. Эффект улучшения механических свойств чугуна сказывается уже при содержании молибдена в количестве 0,1% и более, но содержание его свыше 0,5% приводит к значительному удорожанию чугуна, так как молибден очень дорогой легирующий элемент.

Бор – ярко выраженный горофильный (поверхностно-активный) легирующий элемент и при введении в чугун сосредотачивается по границам зерен в виде простых стабильных карбидов, увеличивая устойчивость границ зерен, и этим способствует получению мелкозернистой микроструктуры. Влияние бора на механические свойства зависит от количества углерода, поэтому в чугунах оно проявляется при 0,01% и более. При содержании бора свыше 0,04% по границам зерен образуется грубая сетка карбидов бора, что приводит к охрупчиванию чугуна и, в конечном итоге, к снижению механических свойств.

Состав чугуна, обеспечивающий отношение суммы карбидообразующих компонентов к сумме графитизируюших компонентов в пределах 1,23-1,27 при указанных выше концентрациях углерода, марганца, меди, никеля, молибдена, бора, приводит к образованию аустенитной металлической основы с равномерно распределенными в ней мелкодисперсными карбидами молибдена и бора, присутствие которых в зоне трения повышает износостойкость чугуна. Отклонение в ту иди иную сторону соотношения карбидообразующих и графитизируюших компонентов при указанном содержании марганца приводит к образованию в структуре чугуна, наряду с аустенитом, сравнительно крупных сложнолегированных заэвтектических карбидов, которые ухудшают антифрикционные и технологические свойства.

Таким образом, заявляемая совокупность легирующих компонентов позволяет повысить износостойкость чугуна, улучшить его антифрикционные свойства и обрабатываемость резанием, что, в конечном итоге, решает поставленную задачу.

Для проверки свойств заявляемого чугуна в условиях литейного участка цеха опытного производства НИКТИД в индукционной печи ИСТ – 016 с кислой футеровкой тигля были выплавлены экспериментальные составы чугуна, которые приведены в табл. 1. При этом составы 2, 3, 4 показали оптимальные результаты и тем самым определили заявляемую совокупность легирующих компонентов. Составы 1 и 5 не обеспечили требуемые в соответствии с поставленной задачей свойства чугуна, поэтому не учтены в заявляемой совокупности легирующих компонентов. Металл перегревали в печи до температуры 1420…1450^oС, при которой проводили легирование и частичное модифицирование. Окончательное модифицирование проводили под струей металла в разливочном ковше. Разливку чугуна проводили при температуре 1350…1370^oС разливочным ковшом с массой жидкого металла 10 кг в центробежную машину мод. 552-2 при частоте вращения шпинделя 800-1000 об/мин и, таким образом, отливали заготовки гильз цилиндров для дизельного двигателя ЗМЗ-514.10 (ОАО “Заволжский моторный завод”, г. Заволжье).

Из заготовок гильз цилиндров вырезались образцы в виде колодок (контртело изготавливалось из серого чугуна СЧ 25 в виде диска), которые подвергались испытаниям на трение и износ на машине трения СМТ-1 при удельном давлении 25 кгс/см² и скорости скольжения 3,2 м/с со смазкой, в качестве которой применялось масло М10Г2. Время испытания 40 мин с троекратной повторностью. Результаты проведенных испытаний представлены в табл. 2.

Сравнительные испытания чугуна на обрабатываемость резанием проводились на токарном станке при продольном точении заготовок гильз цилиндров резцом марки Т15К6. За критерий обрабатываемости брали величину износа режущего инструмента после 2-х проходов на длине обрабатываемой поверхности 340 мм при глубине резания 2 мм, подаче – 0,5 мм/об и частоте вращения шпинделя 100 об/мин. Результаты проведенных испытаний представлены в табл.2.

Сравнение результатов испытаний показывает, что износостойкость предлагаемого чугуна по показателям износа колодок выше, чем известного. Антифрикционные свойства чугуна в среднем вдвое выше, чем известного (коэффициент трения равен в среднем 0,054 и 0,12 соответственно). Обрабатываемость резанием при продольном точении предлагаемого чугуна выше в среднем на 101%, чем известного.

Использование предлагаемого чугуна для изготовления деталей, работающих в узлах трения скольжения со смазкой, например, гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, обеспечивает их высокую эксплуатационную надежность и долговечность.

Формула изобретения

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит серу, никель, молибден, бор и кальций, при следующем соотношении компонентов, маc.%:
Углерод – 3,2-3,7
Марганец – 7,5-9,5
Медь – 0,4-1,1
Сера – 0,02-0,2
Кальций – 0,02-0,1
Никель – 0,2-0,8
Молибден – 0,1-0,5
Бор – 0,01-0,04
Железо – Остальное
при этом отношение суммы карбидообразующих компонентов – марганца, хрома, молибдена и бора к сумме графитизирующих компонентов – углерода, кремния, никеля и меди находится в пределах 1,23-1,27, а отношение содержания серы к содержанию кальция находится в пределах 1-2.

РИСУНКИ