Высокопрочный чугун

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам высокопрочных чугунов для ответственных машиностроительных отливок, работающих в условиях сухого трения и ударных нагрузок. Цель - повышение эксплуатационных свойств. Высокопрочный чугун дополнительно содержит ниобий, цирконий, нитриды иттрия, магний и сурьму при следующем соотношении компонентов , мас.%: углерод 3,6-4,3, кремний 1,2-2,6, марганец 0,8-1,5, хром 0,02-0,07, алюминий 0,05-0,25, ванадий 0,05-0,15, РЗМ 0,02-0,08, титан 0,015-0,05, медь 0,9- 1,4, ниобий 0,42-0,85, нитриды иттрия 0,05- 0,25, кальций 0,03-0,07, магний 0,05-0,12, цирконий 0,06-0,13, сурьма 0,007-0,02; железо остальное. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 22 С 37/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ!

ОО

С) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4851174/02 (22) 27.07.90 (46) 15.06,92. Бюл. ¹ 22 (75) M.È.Êàðïåíêî, В,А.Соленов и С.М,6oдюкова (53) 669.13.018,2 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 370737, кл. С 22 С 37/04, 1971.

Авторское свидетельство СССР № 831851, кл, С 22 С 37/10, 1981. (54) ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН (57) Изобретение относится к металлургии, в частности к составам высокопрочных чугунов для ответственных машиностроительИзобретение относится к металлургии, в частности к составам высокопрочных чугунов для ответственных машиностроительных отливок, работающих условиях трения и ударных нагрузок, Известен высокопрочный чугун, содержащий, мас.%:

Углерод 3,5-4,0

Кремний 2,25 — 5,0

Марганец 0,4 — 1,5

Хром 0,2-5 — 2,0

Медь 0,75 — 1,0

Магний 0,01 — 0,04

Железо Остальное

Чугун в качестве технологических примесей может содержать, мас.%: фосфор до

0,2, никель до 0,5; сера до 0,02. Этот чугун содержит до 20% эвтектического цементита, снижающего эксплуатационную стойкость в условиях ударных нагрузок.

Наиболее близким к предложенному по технической сущности и достигаемому эф„„. Ж„„ 1740480 А 1 ных отливок, работающих в условиях сухого трения и ударных нагрузок. Цель — повышение эксплуатационных свойств. Высокопрочный чугун дополнительно содержит ниобий, цирконий, нитриды иттрия,магний и сурьму при следующем соотношении компонентов, Mac,%: углерод 3,6 — 4,3, кремний

1,2 — 2,6, марганец 0,8-1,5, хром 0,02 — 0,07, алюминий 0,05 — 0,25, ванадий 0,05 — 0,15, РЗМ 0,02-0,08, титан 0,015 — 0,05, медь 0,91,4, ниобий 0,42 — 0,85,-нитриды иттрия 0,050,25, кальций 0,03 — 0,07, магний 0,05 — 0,12, цирконий 0,06 — 0,13, сурьма 0,007 — 0,02; железо остальное. 2 табл. фекту является износостойкий высокопрочный чугун следующего химического состава, мас.%:

Углерод 2,6-3,6

Кремний 1,0 — 2,0

Марганец 0,5 — 1,0

Хром 0,2 — 1,0

Ванадий 0,10 — 0,25

Редкоземельные металлы 0,02 — 0,15

Кальций 0,03 — 0,30

Титан 0,15 — 0,40

Алюминий 0,10 — 0,30

Медь 0,6 — 1,4

Железо Остальное

Удароустойчивость чугуна 847 †9, а износ в абразивной среде 160 — 190 мг/м ч.

2, Долговечность работы чугуна в условиях сухого трения недостаточна и не превышает

620 ч, а износ в режиме сухого трения 60—

110 мг/м ч, Стойкость чугуна против растрескивания 80-120 цикл.

1740480

15

Цель изобретения — повышение эксплуатационной стойкости.

Высокопрочный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, титан, медь, алюминий, РЗМ, кальций и же- 5 лезо, дополнительно содержит ниобий, цирконий, нитриды иттрия, магний и сурьму при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 3,6 — 4,3

Кремний 1,2 — 2,6

Марганец 0,8 — 1,5

Хром 0,02 — 0,07

Ванадий 0,05 — 0,15

Алюминий 0,05.— 0,25

Редкоземельные металлы 0,02 — 0,08

Титан 0,015 — 0,05

Медь 0,9 — 1,4

Ниобий 0,42 — 0,85 20

Цирконий 0,06 — 0,13

Нитриды иттрия 0,05 — 0,25

Кальций 0,03 — 0,07

Магний 0,05 — 0,12

Сурьма 0,007 — 0,02 25

Железо Остальное

Дополнительное введения ниобия обусловлено его положительным влиянием на упругопластические свойства и вязкость разружения, что повышает долговечность 30 работы в условиях сухого трения. При его концентрации до 0,42 мас.% влияние на упругопластические и эксплуатационные свойства недостаточно, а при увеличении содержания ниобия более 0,85 мас.% усили- 35 ваются ликвационные процессы, снижается стойкость против растрескивания и ухудшаются эксплуатационные свойства..

Редкоземельные металлы (0,02—

0,08 мас.%) и магний (0,05 — 0,12 мас,%) улуч- 40 шают форму графита и повышают прочностные и эксплуатационные свойства.

При концентрации их менее нижних пределов модифицирующий эффект недостаточен, а при увеличении их концентраций 45 более верхних пределов повышается угар и наличие неметаллических включений, что снижает прочностные и эксплуатационные свойства чугуна.

Хром и ванадий увеличивают отбел, 50 снижают упругопластические свойства при концентрации более верхних пределов, поэтому их концентрация в сравнении с известным чугуном снижена. При концентрации их менее нижних пределов износостой- 55 кость, прочность и эксплуатационные свойства чугуна недостаточны, Титан при концентрации более 0,05 мас.% ухудшает форму графита, снижает стабильность структуры и эксплуатационных свойств, поэтому его концентрация в предложенном чугуне снижена.

Нитриды иттрия измельчают структуру чугуна, стабилизируют процесс модифицирования и повышают износостойкость, динамическую прочность и эксплуатационные свойства. При их содержании до 0,05 мас.% измельчение структуры и повышение эксплуатационных свойств недостаточно, а верхний их предел обусловлен увеличением угара и снижением стабильности пластических и эксплуатационных свойств, Марганец (0,8 — 1,5 мас.%) и алюминий (0,05 — 0,25 мас.%) оказывают раскисляющее и микролегирующее влияние, повышая стойкость против растрескивания, износостойкость и эксплуатационные свойства.

Их раскисляющее влияние усиливается при введении в чугун кальция в количестве

0,03 — 0,07 мас,%. Верхние пределы концентрации кальция и алюминия снижены до пределов, при которых не ухудшается стабильчость и однородность структуры и повышаются пластические и эксплуатационные свойства.

Введение сурьмы обусловлено ее способностью очищать границы зерен, повышать износостойкость и эксплуатационную стойкость. Влия ние сурьмы, на износостойf кость и долговечность работы начинает сказываться с концентрации 0,007 мас.%.

Верхний предел обусловлен снижением вязкости разрушения, термостойкости и динамической прочности при более высоких концентрациях.

Содержание основных графитизирующих компонентов (кремний 1,2-2,6 мас.%, углерод 3,6-4,3 мас.% и медь 0,9-1,4 мас.%) принято в пределах, обеспечивающих достаточно дисперсную и стабильную структуру, обеспечивающую повышение износостойкости, пластических и эксплуатационных свойств. При увеличении их концентрации выше верхних пределов укрупняется структура, снижаются упругопластические и эксплуатационные свойства чугуна, а при концентрации менее нижних пределов усиливается отбел, снижаются характеристики стойкости против растрескивания и эксплуатационных свойств.

Пример. Выплавку чугунов производят дуплекс-процессом вагранка — открытая индукционная печь. Способ производства чугуна включает выплавку высокоуглеродистого расплава в вагранке с температурой

1380 †14 С с использованием шихты из перельных рафинированных чугунов марок

ПВК1 и ПВК2, лома чугунного 17А, литейных чугунов Л1 и Л2, силикомарганца СМ17, феррованадия Вд2, ферросиликохрома

1740480

0,02 — 0,08

0,015 — 0,05

0,9 — 1,4

0,03-0,07

0,42 — 0,85

0,05 — 0,25

0,05 — 0,12

0,06 — 0,13

0,007 — 0,02

Остальное

Та бл и,ца 1

Компоненты

Со е жание, мас., в ч г не состава

1 (изв.) 4,3

1,2

1,5

0,07

0,25

0,15

0,08

0,05

1,4

0,07

0,85

3,4

1,5

0,5

6,38

0,2

0,2

0,08

0,4

1,2

0,10

3,6

2,6

0,8

0,02

0,05 .

0,05

0,02

0,015

0,9

0,03

0,42

4,0

1,6

1,2

0,03

0,1

0,1

0,05

0,02 . 1,2

0,05

0,53

3.3

1,0

0,5

0,01

0,01

0,02

0,01

0,002

0,75

0,02

0,01

Углерод

Кремний

Марганец

Хром

Алюминий

Ванадий

РЗМ

Титан

Медь

Кальций

Ниобий

Нитриды иттрия

Магний

4,4

2,8

1,6

0,6

0,27

0,18

0,09

0,06

1,55

0,1

0,81

0,12

0.07

0,25

0,12

0,27

0,14

0,05

0,05

0,03

0,04

ФСХ40, ферромарганца доменного и ферросиликоциркония ФСЦрМр30. В индукционной печи расплав перегревают до

1430 — 1460 С и рафинируют. Затем присаживают ферросиликониобий ФСНб20Ти10, медь М1, силикокальций ФСК15А11 и сурьму Су3. Модифицирование чугуна ферросиликоалюминокальцием с РЗМ ФСАКР20, магниевой лигатурой ЖКМК-6 и ферросилицием производят в литейных ковшах, присаживая их в пакетах в измельченном виде до фракции 0,05 — 2,0 мм вместе с порошковыми нитридами иттрия ИтМ-2Н при выпуске расплава из печи в ковш. Температура металла перед выпуском из электропечи 1400—

1430 С, Результаты модифицирования чугуна контролируют путем отбора проб из каждого ковша до заливки в литейные формы в соответствии с методикой по PTM МТ 20-285.

В табл, 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.

Проводят определение структуры чугунов и механические и эксплуатационные свойства на технологических пробах, Долговечность работы высокопрочных чугунов производят на цилиндрических образцах в условиях сухого трения и ударных нагрузок при энергии удара 0,85 Дж. Термическую стойкость определяют в условиях термоциклирования по режиму 20 — 1000 С.

В табл. 2 приведены механические и эксплуатационные свойства чугунов после нормализации с нагревом до температур выше критических (860 — 930 С) и последующим охлаждением на спокойном воздухе.

Как видно из табл. 2, предложенный чугун обладает более высокими механическими и эксплуатационными свойствами, чем известный.

Э кономический эффект от испол ьзования предложенного чугуна для изготовле5 ния износостойких отливок составит до 40 руб на 1 т годного литья. При этом повышается долговечность и надежность работы в условиях сухого трения и ударных нагрузок.

Формула изобретения

Высокопрочный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, алю15 миний, ванадий, редкоземельные металлы, титан, медь, кальций и железо, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения эксплуатационных свойств, он дополнительно содержит ниобий, нитриды

20 иттрия, магний, цирконий и сурьму при следующем соотношении компонентов, мас,%;

Углерод 3,6 — 4,3

Кремний 1,2-2,6

25 Марганец 0,8-1,5

Хром 0,02 — 0,07

Алюминий 0,05 — 0,25

Ванадий 0,05 — 0,15

Редкоземельные ме30 талл ы

Титан

Медь

Кальций

Ниобий

35 Н итриды иттрия

Магний

Цирконий

Сурьма

Железо

1740480

Продолжение таблицы

0,02

0,002

Остал ьн.

0,2-1

0,06

Остал ьн, 0,13

0,02

Остал ьн.

0,06

0,007

Остал ьн, 0,1

0,012

Остальн.

Цирконий

Сурьма

Железо

Остал ьн, Таблица 2

Свойства ч г нов составов

Показатели

1 изв.

Предел прочности при растяжении, МПа

Относительное удлинение, %

Износ в режиме сухого трения, мг/м .ч

Динамическая прочность, МДж/м

Вязкость разрушения, з(г

Стойкость против растрескивания, цикл.

Теомостойкость, цикл.

Долговечность работы, ч, 246

260

355

465

458

415

9-11

17-18

13-17

4-9

17-19

16-18

15-18

18-22

43-57

54-65

60-86

0,56

0,30

0,62

0,18

0,77

0,15

132

2906

603

196

664

224

3662

880

236

800

212

780

600

Составитель Г.Дудик

Редактор О.Спесивых Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор M.Ìàêñèìèøèíåö

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 2054 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изсбретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5