ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЧУГУН ДЛЯ ТЕРМООБРАБАТЫВАЕМЫХ ЛИТЫХ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ
HIGH-STRENGTH CAST IRON FOR HEAT-TREATED CAST CASE PARTS

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным конструкционным чугунам для литых термообрабатываемых корпусных деталей, работающих в сложнонапряженных условиях и обладающих повышенными характеристиками предела текучести, трещиностойкости и антифрикционных свойств.
Известный высокопрочный термообрабатываемый чугун марки АЧВ-1 (ГОСТ 585-85) после термической обработки, включающей операции закалки и отпуска, имеет недостаточные характеристики предела текучести и трещиностойкости, не обеспечивает износостойкости и длительной эксплуатационной стойкости в сложнонапряженных условиях. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна составляет 12-20 МПа⋅м/с.
Известен также высокопрочный термообрабатываемый антифрикционный чугун (Высококачественные чугуны для отливок. Под ред. Н.Н. Александрова. М.: Машиностроение, 1982, с. 165), используемый для отливок цилиндров мощных газокомпрессоров и содержащий, мас. %:
Углерод
3,5-3,8
Кремний
2,0-2,2
Марганец
0,55
Магний
0,03
Фосфор
0,05-0,6
Сера
0,004-0,006
Железо
Остальное
Известный чугун в отливках обладает крупнозернистой структурой, низкими характеристиками трещиностойкости, относительного удлинения (4-8%) и удароустойчивости. После термообработки отмечаются недостаточные характеристики износостойкости, предела текучести, эксплуатационных и антифрикционных свойств.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный чугун для термообрабатываемых литых корпусных деталей (А.с. 926058, СССР, С22С 37/10, 1982, прототип) следующего химического состава, мас. %:
Углерод
2,2-2,4
Кремний
1,0-1,8
Марганец
0,1-0,3
Медь
1,6-2,5
Никель
3,0-3,5
Молибден
0,3-0,5
Хром
0,1-0,3
Магний
0,03-0,05
Церий
0,01-0,02
Железо
Остальное
Механические и эксплуатационные свойства известного чугуна:
Предел текучести, МПа
210-250
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
17-32
Коэффициент трения
0,47-0,55
Трещиностойкость чугуна в отливках, мм
35-40
Износостойкость при сухом трении, мкм/км
0,38-0,45
Предельный режим работы при трении, МПа⋅м/с
15-22
Известный чугун имеет в отливках преимущественно крупнозернистую аустенитную металлическую основу, недостаточные упругопластические свойства, а также низкие характеристики антифрикционных свойств, износостойкости, предела текучести и трещиностойкости.
Задачей данного технического решения является повышение износостойкости, предела текучести, трещиностойкости и антифрикционных свойств чугуна.
Поставленная задача решается тем, что высокопрочный термообрабатываемый чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, никель, молибден, хром, магний, церий и железо, дополнительно содержит цирконий, барий и бор при следующем соотношении компонентов, мас %:
Углерод
2,2-3,1
Кремний
1,5-2,3
Марганец
0,4-0,7
Медь
0,8-2,5
Никель
0,7-2,1
Молибден
0,2-0,35
Хром
0,1-0,3
Магний
0,03-0,05
Церий
0,01-0,02
Цирконий
0,05-0,35
Барий
0,01-0,03
Бор
0,01-0,03
Железо
Остальное
Существенными отличиями предложенного чугуна являются дополнительное введение в его состав микролегирующих добавок - циркония и бора и эффективного модификатора - бария, повышение концентрации эффективного микролегирующего и отбеливающего компонента - марганца, уменьшение концентрации никеля, снижающего трещиностойкость, а также износостойкость и однородность структуры после термической обработки, что значительно повышает предел текучести, упругопластические и антифрикционные свойства.
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны 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 циркония обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей и графитизирующей добавкой, снижающей термические напряжения в отливках и коэффициент трения, повышающей трещиностойкость, однородность и дисперсность структуры, предел текучести и износостойкость. При содержании циркония до 0,05% износостойкость, предел текучести и антифрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 0,35% увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики трещиностойкости, износостойкости и антифрикционных свойств.
Дополнительное введение 0,01-0,03% бария обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на очищение границ зерен и дисперсность структуры металлической основы, форму графита, который существенно повышает трещиностойкость и упругопластические свойства. При концентрации бария менее 0,01% модифицирующий эффект, упругопластические и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания бария более 0,03% увеличивается угар, снижаются однородность структуры, износостойкость и упругопластические свойства.
Дополнительное введение 0,01-0,03% бора обусловлено его эффективной микролегирующей и модифицирующей способностью и влиянием на сокращение режима термообработки, он также повышает дисперсность структуры, механические и антифрикционные свойства чугуна. При увеличении концентраций бора выше 0,03% отмечается повышение количества боридов по границам зерен, что снижает трещиностойкость, ударную вязкость и предел текучести. При концентрации бора менее 0,01% его влияние на структуру и свойства чугуна сказывается незначительно.
Содержание углерода (2,2-3,1%) и кремния (1,5-2,3%) принято исходя из опыта производства высокопрочных антифрикционных чугунов для отливок преимущественно с мелкозернистой аустенитной структурой и повышенной трещиностойкостью в литом состоянии. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,1% и 2,3% в структуре отливок повышается содержание свободного графита, что снижает характеристики износостойкости, предела текучести и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 2,2% и 1,5% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и содержание цементита в структуре, что снижает пластические свойства, трещиностойкость и удароустойчивость.
Медь в количестве от 0,8 до 2,5% снижает коэффициент трения, является микролегирующим и графитизируюшим компонентом, обеспечивающим высокие характеристики антифрикционных и упругопластических свойств. При концентрации меди менее 0,8% дисперсность структуры, упругопластические и антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении ее концентрации более 2,5% снижаются однородность структуры, твердость и стабильность упругопластических свойств.
Уменьшение содержания никеля до 0,7-2,1% и молибдена до 0,2-0,35% обусловлено снижением однородности структуры, трещиностойкости и упругопластических свойств чугуна при более высоких их концентрациях. При увеличении концентрации никеля более 2,1% и молибдена более 0,35% снижаются однородность структуры, трещиностойкость, упругопластические свойства. Их влияние, при содержании менее нижних пределов на структуру, склонность к трещинам, предел текучести, антифрикционные и механические свойства, недостаточны.
Повышение концентрации марганца до 0,4-0,7% обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышением износостойкости, технологических, механических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,7% увеличиваются остаточные напряжения и снижается трещиностойкость, а при снижении концентрации марганца менее 0,4% повышается содержание в структуре феррита и снижаются износостойкость и эксплуатационные характеристики чугуна.
Хром повышает износостойкость и механические свойства, но в количестве более 0,3% увеличивает содержание в структуре отливок цементита и карбидов, снижает трещиностойкость, удлиняет продолжительность режима термообработки и снижает упругопластические свойства. При концентрации хрома менее 0,1% механические и антифрикционные свойства, износостойкость и прокаливаемость существенно снижаются.
Содержание магния (0,03-0,05%) и церия (0,01-0,02%), являющихся основными сфероидизирующими графит и модифицирующими компонентами, соответствует общепринятым нормам при производстве высокопрочных чугунов с шаровидным графитом; в предлагаемом чугуне принято без изменения.
Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием литейных рафинированных чугунов, чугунного лома 17А и 19А, стального лома 1А, чугунной стружки 5НТ, МГ, феррохрома ΦХ800, ферромарганца ФМн 78, никеля H3, меди M2, карбюризатора С94, ферромолибдена ФМоl, ферроциркония, 17%-го ферробора, других ферросплавов, а также никель-магниевой лигатуры, ферроцерия и силикобария для внепечной обработки. Микролегирование никелем, ферромарганцем, ферроцирконием, ферробором и медью производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в барабанных раздаточных ковшах с использованием никель-магниевой лигатуры, силикобария и ферроцерия.
Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы. Для определения трещиностойкости использовали звездообразные пробы диаметром 250 мм и высотой 140 мм. Ударную вязкость определяют на образцах с размерами 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм.
После изотермической обработки отливок, образцов и технологических проб определяют износостойкость при сухом трении, механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства чугуна по стандартным методикам.
В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 - их технологические, механические и эксплуатационные свойства.