Высокопрочный чугун

 

Изобретение относится к области металлургии , в частности к составам износостойких высокопрочных чугунов, работающих в условиях термоциклирования. Целью изобретения является повышение термической и эксплуатационной стойкости высокопрочного чугуна в отливках Предлагаемый чугун содержит, мас.%: углерод 2,0-3,0; кремний 1,0-2,5; марганец 1,0-1,8; хром 0,06-0,5; никель 3,05-8,8; медь 0,24-2,6; молибден 0,04-0,8; ванадий 1,02-2,08; нитриды бора 0,02-0,08; магний 0.002-0,06; церий 0,002-0.04; цирконий 0,005-0,08; висмут 0.002-0.01; железо - остальное , Чугун имеет От 966-987 МПа, HRV 5460-5676 МПа, фрикционную теплостойкость 2405-2733 циклов, термостойкость 4020-4130 циклов, эксплуатационную теплостойкость 3270-3850 ч. 2 табл.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (39) (3 3) 3s3)s С 22 С 37/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО.ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4852626/02 (22) 20.01,90 (46) 23.06.92. Бюл. N. 23 (71) Всесоюзный заочный политехнический институт (72) Б.К.Святкин, М.И.Карпенко, M,Б,Егорова, И.И,Карпенко и С.М.Бадюкова (53) 669.13.018.258(088,8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1423620, кл. С 22 С 37/10, 1988.

Авторское свидетельство СССР

N. 926058, С 22 С 37/10, 1982. (54) ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН (57) Изобретение относится к области металлургии, в частности к составам иэноеостойких высокопрочных чугунов, Изобретение относится к металлургии, в частности к составам износостойких высокопрочных чугунов, работающих в условиях термоциклирования в отливках.

Известен чугун следующего химического состава, мас.%:

Углерод 3,2-3,4

Кремний 1,8-2,4

Марганец 0.6-0.8

Алюминий 0.5 — 0.9

Титан 0,2-0,4

Железо . Остальное

В качестве технологической примеси чугун может содержать до 0,14 мас.% фосфора.

Чугун обладает высоким объемом усадочных пор (2,1 — 2,5 смз) и недостаточной термической стойкостью. Коэффициент относительной износостойкости в условиях фрикционного разогрева не превышает 2,5, Известен чугун, содержащий, мас.%:

Углерод 3,0-3,6 работающих в условиях. термоциклирования. Целью изобретения является повыше ние термической и эксплуатационной стойкости высокопрочного чугуна в отливках. Предлагаемый чугун содержит, мас.%: углерод 2,0 — 3,0; кремний 1,0 — 2,5; марганец

1,0-1,8; хром 0,06-0,5, никель 3,05 — 8,8; медь 0,24 — 2,6; молибден 0,04-0,8; ванадий

1,02-2,08; нитриды бора 0,02-0,08; магний

0.002 — 0,06; церий 0,002-0,04; цирконий

0,005-0,08; висмут 0,002-0.01; железо — остальное, Чугун имеет о = 966 — 987 МПа, HRV = 5460-5676 МПа, фрикционную теплостойкость 2405 — 2733 циклов, термостойкость 4020-4130 циклов, эксплуатационную теплостойкость 3270-3850 ч, 2 табл.

Кремний 1,6 — 2,5

Марганец 0,4-1,2

Никель 0,1-1,0

Хром 0,1-0,6

Титан 0,01 — 0,08

Фосфор 0,10 — 0,25

Медь 0,15-1,0

Азот 0,006 — 0,18

Железо Остальное

Чугун обладает:недостаточной выносливостью при знакопеременных нагрузках в условиях теплосмен.

° Наиболее близким к предлагаемому является чугун, содержащий, мас.%:

Углерод 2,2-2,4

Кремний 1;2-1,8

Марганец 0,1 — 0,3

Никель 3,0-3,5

Хром 0,1-0,3

Молибден 0,3-0,5

Магний 0,03-0,05

Медь 1,6-2.5

1742348

Церий 0,01-0,02

Железо Остальное

Высокопрочный чугун обладает в литых изделиях следующими свойствами: временное сопротивление на разрыв 690 — 735 МПа, ударная вязкость 170 — 320 кДж/м, твердость 341 — 397 НВ, скорость износа при сухом трении 0,38-0,45 мкм/км, предел коррозионной усталости на базе 10 циклов

285 — 291 МПа, термическая стойкость 1120—

1520 циклов.

Однако известный высокопрочный чугун обладает недостаточной термостойкостью и высоким износом при сухом трении, Цель изобретения — повышение термической и эксплуатационной стойкости.

Высокопрочный чугун, содер>кащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, медь, молибден, марганец, церий и железо, дополнительно содержит ванадий, нитриды бора, цирконий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас, ., Углерод 2,0-3,0

Кремний 1,0-2,5

Марганец 1,0 — 1,8

Хром 0,06 — 0,5

Никель 3,05 — 8,8

Медь 0,24 — 2,6

Молибден . 0,04 — 0,8

Нитриды бора 0,02 — 0,08

Магний 0,002 — 0,06, Церий 0,002-0,04

Ванадий 1,02 — 2,08

Цирконий 0,005 — 0,08

Висмут 0,002 — 0,01

Жел-езо, Остальное

Дополнительное введение ванадия обусловлено его отбеливающим и упрочняющим влиянием, повышающим твердость, микротвердость, термостойкость и эксплуатационные свойства сплава, При содержании ванадия до1,02 мас. микротвердость, термостойкость и стабильность служебных свойств недостаточны. При увеличении его содержания более 2,08 мас,% снижаются пластические свойства, ударная вязкость и стабильность механических и служебных свойств сплава.

Нитриды бора введены с целью изменения структуры чугуна и повышения микротвердости, стабильности термической стойкости и служебных свойств. Их влияние на стабильность механических и служебных свойств начинает сказываться с содер>кания 0,02 мас.7,, Верхний предел (0,08 мас. ) обусловлен увеличением содержания неметаллических включений по границам зерен и снижением стабильности предела коррозионной усталости, механических и служебных свойств.

Введение висмута обусловлено его модифицирующим и отбеливающим влиянием на структуру, способствующим првышению стабильности прочностных и служебных

5 свойств, При его содержании меньше

0,002 мас. модифицирующий эффект и стабильность служебных свойств недостаточны, При повышении висмута более 0 01 мас.% возрастает его угар и отмечается сни10 жение механических свойств как при обычных, так и при повышенных температурах.

Ведение меди в количестве 0,24—

2,6 мас.% измельчает труктуру, увеличивает прокаливаемость и твердость чугуна, 15 оказывает влияние на природу упрочнения фаз и их термическую стойкость, что способствует снижению износа и повышению стабильности эксплуатационной стойкости.

Нижняя концентрация меди принята такой, 20 при которой начинает сказываться ее влияние на структуру чугуна и эксплуатационну!о стойкость, а верхний предел меди (2,.6 мас. ) обусловлен сни>кением предела выносливости стрелы прогиба и пластиче25 ских свойств ввиду снижения растворимости ее в металлической основе при более высоких концентрациях и увеличения ликвации в отливках, что снижает стабильность служебных свойств, 30 Дополнительное введение церия в количестве 0,002 — 0;04 мас. способствует измельчению размеров шаровидных включений графита, повышению эксплуатационной стойкости, трещиностойкости, 35 износостойкости и прочности чугуна при повышенных температурах. Нижний предел концентрации церия принят от значения, с которого начинает сказываться его влияние на размер и фору графита; При увеличении

40 концентрации церия более 0,04 мас. / возрастает угар металла, увеличивается количеств.о неметаллических включений по. границам зерен, снижаются пластические и эксплуатационные свойства чугуна при на45 греве и охлаждении.

Содержание углерода, марганца и кремния в высокопрочном чугуне выбрано с учетом практики производства термостойких отливок с повышенной стабильностью экс50 плуатационных и механических свойств, При увеличении их концентрации выше верхних пределов стабильность прочности, предела выносливости и характеристики упругопластических свойств снижаются, а при

55 снижении ниже нижних пределов ухудша-! отся литейные свойства, термическая стойкость, прочность и эксплуатационная стойкость. Составляющие чугуна, мас.%: хром 0,06 — 0,50: никель 3,05-8,80; молибден

0,04--0,80 и медь 0,24 — 2,6 упрочняют и мик1742348

2-3

1,0-2,5

1,0 — 1,8

0,06 — 0.5

3,05 — 8,8

0,24 — 2,6

0;04-0,8

1,02 — 2,08

0,02 — 0,08

0,002-0,06

0,002 — 0,04

0.005 — 0,08

0,002-0,01

Остальное

Таблица!

Солеряание компонентов, иас,8 (мелево " остальное)

Никель Недь Церий Оана- Нагний Рнснут

Амй Л

3,05 0,24 0,002 1,02 0,04 0,002

6,4 0,95 0,007 1,50 0,5 0 ° 04

8.8 2,6 0,04 2,08 0,3 0,06

2,2 0,05 0,001 0,6 0,02 0,001

Э 2 3 37 0 08 3 0 О 9 0 I

Чугун

I t

Цмрко. нмй

Нитрмды бора

Хрсн Наргаиец

УглеРоА

О, 002

0 ° 006

0,01

0,001

0,03

0,06 . 1,0

0,02 1,6

0.5

0,03 0,8

0,6 1,9

0,050

0,О8О

0,001 °

0,10

0,02

0 05

0,08

0,01.

0,11

1 2,0

2 2.5

3 3,0

4 1,9

5 3,3

6 (невестный) 2,3

1,0

1,8

2,5

0,5

° 2,8

3,0 2,2 0,02 - 0,5 0,05

1,3 0,2 0,3

Таблица2

Относитель ррйкцмон- ная.мзносо- ная теплостойкость стойкость

Кф циклы . 6,68 2405, Яь82 . .. 2733

9, 76 . 2726

6, .67т 17157,85 . 1972

Стойкость к растрескиванно, трезвны

Термическая стойПредел проыности пр» износе

Эксплуата" ° ционная теплостойкость, и

Контактная выносливость

НПа

Ни кро тверлость

Лла

Чугун кость, циклы

4п20

4130.

28ЭО

3830

4,8

4,3

4,5 6 ° 2 "

5,4

1 2

4

6 (известный) 662

676

668

519

548

966

987

767

809

5676

5670 5075

5245

3050

745 5042 6,2) . 1610 . 2800 б,б, 2100

515 ролегируют матрицу, повышают ее термостойкость и эксплуатационную стойкость.

Введение циркония измельчает графит, нейтрализует влияние хрома при термоупрочнении, снижает коэффициент 5 термического расширения и повышает сопротивляемость термохимических воздействий, что обеспечивает повышение эсплуатационной стойкости. При концентрации его до 0,005 мас.% сопротивляемость 10 термохимическим воздействиям и эксплуатационная стойкость недостаточны, а и ри концентрации циркония более

0,08% мас, % снижаются стабильность термической стойкости и сопротивляемость 15 к ударным нагрузкам.

Введение магния в количестве 0,002—

0,06 мас.% раскисляет и модифицирует расплав, очищает границы зерен, повышает стабильность эксплуатационной стойкости 20 в условиях теплосмен. Верхний предел магния ограничен его усвояемостью в чугуне, а при. концентрации магния менее

0,002 мас.% его модифицирующий эффект недостаточен, что приводит к снижению 25 эксплуатационной стойкости.

Пример. Плавки чугуна проводят в индукционной печи с использованием литейных и передельных чугунов, лома чугун- 30 ного 17А, стального лома 1А, феррохрома высокоуглеродистого, феррованадия ВД2, ферроцерия ФЦеМ-2, брикетов нитридов . бора, ферромарганца ФМн-75, никеля НЗ. ферромолибдена Мо1 и других ферроспла- 35 вов. Чугун из печи выпускают при 14801500 С в литейные ковши с магнйевой лигатурой ФС50Мг2, висмутом Ви2, ферроцерием и другими добавками. Из чугуна от40 ливают отливки тормозных устройств, образцов и технологических проб.

В табл, 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в табл, 2— механические и служебные свойства.

Трещиностойкость определяют по звездообразным технологическим и робам 250 мм и высотой 140 мм, контакту выносливости в условиях качения с торможением при испытании на базе 5.10 циклов и эксплуатационную стойкость в условиях фрикционного износа. Как видно из табл, 2, высокопрочный чугун обладает более высокими механическими и служебными свойствами по сравнению с известным.

Формула изобретения

Высокопрочный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром. никель, медь, молибден, магний, церий и железо, отличающийся тем, что; с целью повышения термической и эксплуатационной стойкости, он дополнительно содержит ванадий, нитриды бора, цирконий и висмут при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод

Кремний

Марганец

Хром

Никель

Медь

Молибден

Ванадий

Нитриды бора

Магний

Церий

Цирконий

Висмут

Железо