Половинчатый чугун

 

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при производстве чугунных отливок, Сущность изобретения: половинчатый чугун содержит . мас.%: С 3-4,2; SI 2.4-3.3; Мп 0.3-1,5; Сг 1,2-2.6; Си 0,4-2,3; V 0.1-0,8; AI 0,06-0,6; Ма 0,002-0,05; Са 0,005-0.06; РЗМ 0.005- 0,06; TI 0.05-0,2; Fe остальное. Дополнительное введение TI и уменьшение содержания Si позволяют повысить до в 1,57-1,72 раза и стабилизировать в интервале 630-680 МПа. а также повысить износостойкость в 1.56-1,89 раза при сохранении низкого коэффициента трения. 2 табл.

союз сОВетских

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)5 С 22 С 37/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

ФЪ и« тО (21) 4866952/02 (22) 27.09.90 (46) 07.07.92. Бюл. ¹ 25 (76) Г.И.Сильман (53) 669.15-196 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1041597, кп. С 22 С 37/06, 1983.

Авторское свидетельство СССР № 1127320, кп. С 22 С 37/06, 1983. (54) ПОЛОВИНЧАТЫЙ ЧУГУН (57) Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при

Изобретение относится к металлургии, в частности к половинчатым чугунам, обла- дающим повышенными антифрикционными свойствами. износостойкостью и прочностью.

Известен чугун следующего химического состава, мас.%:

Углерод 2,9-3,8

Кремний 3,6-5,5

Марганец 0,9-1,5

Хром 1,5-3.8

Медь 0,8-1,5 . Железо Остальное

К недостаткам .этого чугуна относятся повышенная хрупкость и не всегда достаточная прочность, что является следствием частичного силикокарбидного отбела и пластинчатой формы графитных включений.

Наличие большого количества силикокарбидов (наряду с карбидами МпСЗ типа СггСЗ) ухудшает также обрабатываемость чугуна резанием.

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

„„5U,, 1746888 А3 производстве чугунных отливок, Сущность изобретения; половинчатый чугун содержит, мас,%: С 3-4,2; SI 2,4-3,3; Мп 0,3 — 1,5;

Сг 1,2-2,6: Со 0,4 — 2,3; Ч О, l — 0,8; Al 0,06-0,6; .Ма 0,002-0,05; Са 0,005-0.06; РЗМ 0.005—

0,06; Tl 0,05-0,2; Fe остальное. Дополнительное введение Tl и уменьшение содержания

$1 позволяют повысить д» в 1,57-1,72 раза и стабилизировать в интервале 630-680

MIla.,à также повысить износостойкость в

1,56-1,89 раза при сохранении низкого коэффициента трения. 2 табл.

Углерод 3,5-3;8

Кремний .. 3,4 — 4,0

Марганец 0,3 — 0,6

Хром 1,4 — 2,1

Медь 0.5-2,0

Ванадий 015-05:, ъ

Алюминий 0,04-0,4.: Ч

Магний 0,01-0,035 « у

Кальций 0,01-0,08

Р3М 0,01-0.15

Железо Остальное ©

Недостатками этого чугуна являются не- © стабильные значения свойств из-за воэмож- . CO

1 ного несогласованного соотношения . содержащий графитиаирующих и аароидо- ф« образующих элементов и отсутствия огра- . р ничений по суммарному содержанию элементов — модификаторов, В ряде случаев это может привести к резким выпадам по прочности и износостойкости., Целью изобретения является повышение и стабилизация значений прочности и иэносостойкости чугуна при сохранении низких значений коэффициента трения.

1746888

Чугун, содержащий углерод. кремний. марганец, хром, медь, ванадий. алюминий, магний, кальций. РЗМ и железо. дополнительно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас. :

Углерод 3.0-4,2

Кремний 2,4-3,3

Марганец 0,3 — 1,5

Хром 1,2 — 2,6

Медь 0.4 — 2,3

Ванадий 0.1 — 0,8

Титан 0,05-0,2Алюминий 0,06-0,6

Магний 0,002-0,05

Кальций 0,005 — 0,05

РЗМ 0,005-0,06

Железо Остальное причем содержание компонентов удовлетворяет следующим соотношениям, мас. :

П1 = Si + Al + 1/2 Cu = 3,04-4,67:

Oz = Cr + V + 1/2 Mn = 2,15-3.26;

Пз = Му+ Са + РЗМ = 0,067- 0;096;

П1-П2 «0,5, где П вЂ” параметр, характеризующий суммарное содержание элементов-графитизаторов;

llz — параметр, характеризующий содержание карбидообразующих элементов;

Пз — параметр, характеризующий соде ржание элементов-модификаторов.

В качестве примесей чугун может содержать серу (до 0,03 ) и фосфор (до

0,08 ).

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений., По сравнению с известным в составе предлагаемого чугуна уменьшено содержание кремния с ограничением в интервале

2,4 — 3,3 . Если содержание кремния более

3,3, то становится возможным образование силикокарбидов и силикоферрита с охрупчиванием чугуна, что приводит к снижению прочности и стабильности всего комплекса свойств, При содержании кремния менее 2,4 степень графитизации чугуна оказывается недостаточной. что проявляется в существенном повышении твердости, ухудшении обрабатываемости чугуна резанием и увеличении коэффициента трения.

Алюминий в чугуне оказывает как графитиэирующее, так и модифицирующее действие, При содержании алюминия менее

0,06ф> ни один иэ этих эффектов практически не проявляется. Содержание алюминия более 0,6 (трудно обеспечить технологически, так как при этом резко ухудшается жидкотекучесть чугуна и повышается склонность чугуна к образованию газовых дефектов.

Медь в составе чугуна способствует грэфитизации при температурах т-вердожидко- . го и аустенитного состояний, при более низких температурах перлитизирует струк5 туру матрицы. При содержании в чугуне более 1ф> медь образует собственную (медистую) фазу, Все эти факторы сильно снижают коэффициент трения и повышают износостойкость чугуна, При содержании

1.0 меди менее 0,4 эти эффекты незначительны. Повышение содержания меди более . 2,3 удорожает чугун без значительного положительного эффекта по свойствам, Общее содержание элементов-графи15 тиэаторов определяется значением параметра П1, причем коэффициентом 0,5 характеризуется более слабое действие меди по сравнению с другими элементами.

При П1 3,04 степень графитизации чугуна

20 оказывается недостаточной, если же П

4,67, что происходит снижение свойств чугуна из-за уменьшения количества карбидов и охрупчивания матрицы чугуна.

Основным карбидообразующим эле25 ментом в чугуне является хром. Его содержание ограничено 1,2 — 2,6 При содержании хрома менее 1,2 (, структура чугуна оказывается сильно графитизированной, что проявляется в снижении твердости и

30 износостойкости чугуна. При содержании в чугуне более 2,6 хрома трудно обеспечить необходимую степень графитизации без образования силикокарбидов и силикоферрита, так как отбеливающее действие такого

35 количества хрома можно нейтрализовать только большим количеством кремния.

Небольшие количества ванадия существенно изменяют структуру чугуна и повышаЮт его прочность и износостойкость. При

40 содержании ванадия менее 0,1% этот эффект незначителен..Использование ванадия в количестве более 0,8 нецелесообразно

° из-за повышения стоимости чугуна беэ заметного положительного эффекта по свой45 ствам.

Содержание марганца ограничено интервалом 0.3-1;5,. При содержании 0,3% марганец является технической примесью и дальнейшее его уменьшение требует при50 менения специальной шихты, что удорожает чугун. При содержании более 1,5ф марганец сильно повышает твердость матрицы чугуна, что проявляется в повышении общей твердости, ухудшении обрабатывае55 мости чугуна резанием и повышении коэффициента трения.

Общее содержание карбидообразующих элементов определяется значением параметра llz. При П2 < 2,15 количество карбидов в литой структуре чугуна недоста1746888

30

55 точно. так как не обеспечивает нужную твердость и высокую износостойкость чугуна. При Пр > 3,26% существенно снижается степень графитизации чугуна, увеличивается коэффициент трения и ухудшается обрабатываемость чугуна резанием.

Титан играет роль стабилизатора степени графитиэации и свойств чугуна. Первичные и эвтектические карбиды титана являются центрами графитизации, что способствует устранению кинетического отбела. При остаточном содержании титана менее 0,05% этот эффект незначителен. при содержании титана более 0,2% образуются крупные первичные карбиды компактной формы, .которые легко выкрашиваются и увеличивают износ чугуна, Предлагаемый интервал содержания углерода 3,0-4,2% обеспечивает формирование половинчатой структуры чугуна при соблюдении условий по параметрам П и Пг, При содержании углерода менее 3% ослабляется действие графитизаторов и усиливается влияние отбеливающих элементов, что приводит к недостаточной графитизации чугуна, излишне высокой твердости, плохой обрабатываемости резанием и повышению коэффициента трения, .При содержании углерода более 4,2% проявляется обратный эффект с черезмерным увеличением степени графитизации и появлением в структуре чугуна крупных заэвтектических карбидов, резко снижающих свойства чугуна.

Магний, кальций и РЗМ использованы в качестве элементов-модификаторов с целью сфероидизации графитных включений и измельчении первичной структуры чугуна. Общее содержание этих элементов должно соответствовать параметру Пз. При

Il3 < 0,067% результаты модифицирования нестабильны и в структуре чугуна может появляться вермикулярный или пластинчатый графит со значительным снижением прочности чугуна, При Пз > 0.096% становится возможным эффект перемодифицирования с необоснованным повышением расхода модификатора. Целесообразно нижнее значение содержаний магния сочетать с верхними значениями содержаний РЗМ.

Кальций играет роль десульфуратора, уменьшая расход магния и Р3М. Остаточное содержание кальция менее 0,005% свидетельствует о повышенном расходе магния и Р3М, Содержание кальция более

0,05% достигается при слишком высоком его содержании в комплексном модификаторе, что затрудняет усвоение модификатора жидким чугуном и приводит к увеличению в чугуне количества неметаллических включений и снижению его свойств.

Плавки чугуна проводились в.открытых индукционных тигельных печах на шихте. состоящей из углеродистой стали, электродного боя, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома, феррованадия и ферротитана), отходов электротехнической меди и алюминия. Ферросплавы (эа исключением ферротитана) вводят в расплав при 1350-1380 С. После расплавления ферросплавов вводят медь и алюминий.

Алюминий частично используют в составе комйлексного модификатора.

При переливе металла иэ печи в раэливочный ковш проводят комплексное модифицирование чугуна и его микролегирование титаном. В качестве модификатора используют смесь лигатур ЖКМ и ЖКМК, а также мишметалла и небольшого количества алюминия (до 0,2%), Модифицирование проводят сандвич-процессом, пригружая модифицирующую смесь специально отлитой чугунной решеткой. Температура модифицируемого металла составляет

1420 — 1450 С.

Жидкий чугун разливают в сухие песчано-глинистые формы. Отливают стандартные клиновые пробы толщиной 30 мм, из которых вырезают образцы для проведения металлографического анализа, механических испытаний и испытаний на износ. Испытания на износ проводят на машине

МИ вЂ” 1М в условиях сухого трения по схеме вращающийся диск — неподвижная колодка.

Диск контртела диаметром 50 мм изготавливают из стали 45 и термообрабатывают на

HRC346. Испытания проводят .при частоте вращения диска 250 об/мин с удельной нагрузкой 1,2 МПа. Износ определяют по потере массы образца в процессе изнашивания. Параллельно определяют коэффициент трения, Химические составы сплавов и реэультаты их испытаний приведены в табл,1 и 2 в сопоставлении с известным составом.

Чугун предлагаемого состава (сплавы 16) отличается от известного сочетанием более высоких и стабильных свойств. При выходе за предлагаемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 7-9) существенно ухудшаются его свойства (снижаются прочность и износостойкость, повышается коэффициент трения).

Формула изобретения

Половинчатый чугун. содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь. ванадий, алюминий, магний, кальций, РЗМ и железо, отличающийся тем, что, с целью повышения и стабилизации прочности и износостойкости при сохранении низкого коэффициента трения. он дополни1746888

РЗМ 0,005-0,06

Железо Остальное причем содержание компонентов удовлетворяет следующим соотношениям, мас.g:

5 П3 SI+ Al+ 1/2 Си 3,04 — 4,67;

Ilz - Сг + V + 1/2 Mn - 2,15 — 3,26;

Пэ - Mg+ Са+ РЗМ - 0,067-0,096;

Il>-Ilz 0,5, где П1 — суммарное содержание элементов

10 графитиэатора;

П2 — карбидообраэующих;

Пэ — элементов-модификаторов. тельно содержит титан при следующем соотношении компонентов, мас. $:

3.0-4,2

2.4-3,3

0.3-1,5

1,2 — 2,6

0,4-2,3

0,1-0,8

0,05 — 0.2

0,06-0.6

0,002-0,05

0,005-0.05

Т ° блме ° 1

Параметре Прнне манне

T1 Al НО Се РЗ

3 ° 24

3 30

3,05

2 ° 73

2,88

2е49

2>777

0,76 2,04

0,84 1 ° 50

0.30 1,20

I,SO 1,77 I ° 12 2,60

0,80 1,65

2 34

1,86 О, 39

0,91 0 57

0,6l 0,80

1,35 0 48

2,30 0,10

0,40 0,23

0,41 0,02

3,00

3,28

3, 46

3. 79

3.95

4,20

2 ° 66

О ° IS Oе50

0 08 0,60

0,05 0,23

0,20 0,06

0,18 0,36

0,10 O.44

0,28 0,63

l,67 2,81

3,35 2 49

3,60 2,15

3,50 3,00

4,39 3,26

3,04 2,28

3,60 3,43

О ° 010

О, 002

0,038

0,030

О, 050

0,044

0,060

0 050

0,034

0,018

О, 027

0,012

0,005

0,080

0,032

0,060

0,035

0,018

0,005

О, 029 о, 067

0,092

0,096

0,091

0,075

0,067

0,078

0,207

Состое соответствует Рормуле мзобретенне

Отеовмеммл по C,1Ь,22еAI.ПОеСе, РО, П,П

Отнломейме ло 81,Ct. Cu,0,2I,ее1

01 ° ÏÑ

Отнлоненне но СОЗ.Ст,Со,те TI.

Пт е Се е РОП е П т е ПС

8 j 59 4,6Ь 1,37 2,86 0 13 1,12 - 0,02 0,022 0,056 0 010 l 76 4,66 0 0&8

9 4,2Ü 1,30 0,85 1,02 2,36 0,62 - 0,24 0,001 О ° 002 0,003 2,72 2,06 0,006

3 90 0,52 1 ° 41 О ° 96 О 20 - О 35 0>015 Os&12 О 015 4 81 1 90 Os&42

Пзееотмне 3,62

Откломемне ne SI.,Ct, TI,Ï,П,Пу

Таблнца2

Свойства

Сплав ю енемааеа

Износ, Коэффицимг/см2 нм ент тре" ния

Твердость

Предел прочности

Mrla ю ю ем е ° ее ю ю ю

269-293

255"277

248-255

285-311

255"277

269-277

401-444

321-341

321-352

229-248

Составитель ГеДудик

Техред М.Моргентал Корректор О.Кундрик

Редактор ИеШулла

Заказ 2406 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагаринае 101

Углерод

Кремний

Марганец

Хром

Медь

Ванадий

Титан

Алюминий

Магний

Кальций Предлагаемый

2

4

6

8

Известный

660-680

660-680

670-690

630-660

660-680

650-680

330"350

380-410

340-360 . 380-4оо

6,6-7,0 0,68

6,9-7,3 0,69

6,8-7,2 0,68

5,6-6,0 0,69

6 3-6,6 0,66

6,5-6,8 0,72

9,2-9,6 0,86

9,8-10,4 0,80

9,0-9,5 0,75

10,6-11,4 0,68