ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН
WEAR-RESISTANT CAST IRON

Изобретение относится к изысканию низколегированных чугунов, работающих в условиях износа при кавитации, в частности при изготовлении гильз цилиндров, втулок и других деталей двигателей внутреннего сгорания с повышенной эксплуатационной стойкостью.
Известен низколегированный чугун (а.с. СССР №734308, МПК C22C 37/10, 1980) следующего химического состава, мас.%:
Углерод
2,8-3,4
Кремний
2,2-4,0
Марганец
0,05-0,7
Никель
0,4-1,0
Медь
0,4-1,0
Хром
0,05-0,4
Кальций
0,003-0,25
Редкоземельные металлы
0,001-0,25
Магний
0,01-0,07
Иттрий
0,005-0,25
Фосфор
0,05-0,3
Железо
Остальное
Известный чугун имеет низкие механические свойства и высокий износ при кавитации и фреттинг-коррозии. Эксплуатационная стойкость гильз и других деталей при интенсивном изнашивании в условиях кавитации составляет от 50 до 70 часов.
Известен также износостойкий низколегированный чугун (патент ПНР №102522, МПК C22C 37/08, 1979) содержащий, мас.%:
Углерод
2,51-3,8
Кремний
1,35-2,49
Марганец
0,40-1,28
Хром
1,35-1,95
Металлы из группы, содержащей
титан, кальций, бор, алюминий,
сурьму и теллур, в сумме
0,25-1,20
Медь
0,11-1,49
Железо
Остальное
Этот чугун имеет высокую твердость (до 400 НВ) и низкие пластические свойства. В отливках деталей двигателей из-за высокого содержания хрома в структуре преобладают карбиды цементитного типа, что снижает ударную вязкость и эксплуатационную стойкость при кавитации.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является износостойкий чугун (а.с. СССР №926057, МПК C22C 37/10, 1982), содержащий, мас.%:
Углерод
2,7-3,2
Кремний
1,2-2,0
Марганец
0,7-1,2
Хром
0,3-0,5
Никель
0,6-1,2
Молибден
0,3-0,6
Фосфор
0,02-0,15
Медь
0,30-1,2
Кальций
0,01-0,08
Олово
0,02-0,1
Алюминий
0,05-0,4
Железо
Остальное
Физико-механические свойства этого чугуна:
Предел прочности при изгибе, МПа
840-930
Предел коррозийной усталости, МПа
315-375
Износ, мг/100 ч
51,2-61,4
Демпфирующая способность
51-60
Кавитационно-эксплуатационная стойкость, ч
63-75
Недостаток - низкие эксплуатационные свойства в условиях кавитации, сложно-напряженного состояния и износа.
Задачей данного технического решения является повышение эксплуатационных свойств.
Поставленная задача решается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, медь, никель, алюминий, фосфор, олово, кальций и железо, дополнительно содержит кобальт, карбонитриды титана, ниобий, бор и лантан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,8-3,3
Кремний
2,4-2,8
Марганец
0,8-1,5
Хром
0,3-0,7
Никель
0,6-1,3
Медь
0,2-0,8
Молибден
0,2-0,8
Алюминий
0,6-1,4
Кобальт
0,02-0,28
Олово
0,002-0,015
Кальций
0,02-0,05
Карбонитриды титана
0,02-0,25
Ниобий
0,13-0,30
Бор
0,03-0,10
Фосфор
0,02-0,07
Лантан
0,02-0,07
Железо
Остальное
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки 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 кобальта (0,02-0,28 мас.%) и лантана (0,02-0,07 мас.%) обусловлено их высокой химической и модифицирующей активностью в расплавленном металле, способностью упрочнять матрицу, измельчать структуру, улучшать форму графита и повышать механические и эксплуатационные свойства. При этом кобальт в большей степени влияет на упруго-пластические свойства и демпфирующую способность, а лантан упрочняет матрицу, улучшает форму графита, повышает задиростойкость, износостойкость и эксплуатационные свойства. При увеличении их концентрации выше верхних пределов повышаются угар, отбел чугуна, снижается стабильность демпфирующей способности и эксплуатационных свойств. При концентрации кобальта до 0,02 мас.% и лантана до 0,02 мас.% их модифицирующий и стабилизирующий эффекты недостаточны, а механические и эксплуатационные свойства чугуна низкие.
Карбонитриды титана снимают отбел, ускоряют процессы графитизации и бейнитного превращения, измельчают структуру, повышают демпфирующую способность, предел коррозийной усталости и эксплуатационные свойства. При введении их в количестве до 0,02 мас.% измельчение структуры и повышение механических и эксплуатационных свойств незначительно, а при повышении концентрации их более 0,25 мас.% увеличивается количество карбонитридов по границам зерен, снижаются однородность структуры, механические и эксплуатационные свойства.
Введения ниобия (0,13-0,30 мас.%) и бора (0,03-0,10 мас.%) обусловлено их высоким микролегирующим влиянием на структуру при стабилизации упруго-пластических и эксплуатационных свойств. Их влияние начинает сказываться с концентрации соответственно 0,13 мас.% и 0,03 мас.%, а при увеличении их содержания более 0,30 мас.% и 0,10 мас.% соответственно возрастает отбел в тонких стенках литых деталей, снижаются механические и эксплуатационные свойства.
Кальций вводят как эффективный модификатор, очищающий границы зерен от неметаллических включений и повышающий стабильность структуры и эксплуатационных свойств. Верхний предел концентрации кальция обусловлен ограниченной растворимостью его в перлите, а при концентрации его до 0,02 мас.% модифицирующий эффект недостаточен.
Введение в чугун (0,3-0,7 мас.%) хрома и (0,002-0,015 мас.%) олова микролегирует и упрочняет структуру, улучшает распределение графита и неметаллических включений, повышает плотность чугуна, сопротивляемость износу и воздействию кавитации, что повышает эксплуатационные свойства. Микролегирующее влияние начинает сказываться с концентрации 0,3 мас.% хрома и 0,002 мас.% олова. При увеличении их содержания выше верхних пределов увеличивается отбел, снижаются упруго-пластические и эксплуатационные свойства.
Содержание основных компонентов (углерод 2,8-3,3 мас.%, кремний 2,4-2,8 мас.% и марганец 0,8-1,5 мас.%) определены экспериментально с учетом практики производства износостойких чугунов для деталей двигателей с повышенными характеристиками кавитационной стойкости и демпфирующей способности. Увеличение содержания их выше верхних пределов снижает однородность структуры, предел коррозионной усталости, стабильность механических и эксплуатационных свойств. При их концентрации менее нижних пределов ухудшается процесс графитации и снижаются характеристики демпфирующей способности, пластических и эксплуатационных свойств. При уменьшении содержания углерода менее 2,8 мас.% и кремния менее 2,4 мас.% и увеличения концентрации марганца более 1,5 мас.% и хрома более 0,7 мас.% значительно увеличивается отбел, в структуре выделяются участки цементита при литье в кокиль и снижаются механические и эксплуатационные свойства, стабильность структуры и свойств.
Содержание фосфора в составе чугуна снижено до 0,02-0,07 мас.%, так как при более высоких концентрациях он снижает стабильность структуры и демпфирующую способность, предел выносливости при изгибе и пластические свойства.
Молибден (0,2-0,8 мас.%), медь (0,2-0,8 мас.%) и никель (0,6-1,3 мас.%) упрочняют металлическую основу и повышают механические свойства, кавитационно-эксплуатационную стойкость, ускоряют бейнитное превращение. Увеличение содержания этих легирующих компонентов выше верхних пределов снижает однородность структуры, ударную вязкость и эксплуатационную стойкость. При концентрации их менее нижних пределов упрочнение металлической основы, износостойкость и эксплуатационные свойства недостаточны.
Введение в расплав алюминия (0,6-1,4 мас.%) основано на его высоком сродстве к кислороду и сере, эффективном микролегирующем влиянии, стабилизирующем значения предела коррозийной усталости, физико-механических и эксплуатационных свойств. Его нижний предел (0,6 мас.%) обусловлен заметным повышением стабильности структуры, механических и эксплуатационных свойств, начиная с этой концентрации. При увеличении концентрации алюминия более 1,4 мас.% увеличивается содержание неметаллических включений в структуре и снижаются пластические и эксплуатационные свойства.
Чугун выплавляют в открытых индукционных печах. В качестве шихтовых материалов используют стальной лом, бой электродов, стружку, литейные и передельные чугуны, брикеты феррониобия, кобальт К2 (ГОСТ 123-87), брикеты карбонитридов титана, ферробор и другие ферросплавы, микролегирующие и модифицирующие присадки. Ферромолибден, кобальт, никель, ферробор, феррониобий и феррохром вводит в электропечь, а измельченные присадки карбонитридов титана, лантана, силикокальция, олова и других модифицирующих добавок в виде спрессованных экзотермических таблеток диаметром 50 мм и высотой 50 мм на основе алюминия и оксидов железа вводят в ковше при выпуске чугуна с температурой 1460-1480°С. Заливку литейных форм производят при температуре чугуна 1400-1430°С.
В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок. Отливки втулок цилиндров производят способом литья в кокиль, технологические пробы и образцы для механических испытаний в песчаные литейные формы. Отливки и образцы подвергают термической обработке - изотермической выдержке при температуре 350-410°C.
В таблице 2 приведены механические и эксплуатационные свойства чугунов опытных плавок (составы 2, 3 и 4 - предложенный износостойкий чугун).
Предел прочности при изгибе, ударную вязкость и предел коррозионной усталости определяют по стандартным методикам на образцах, вырезанных из пробных отливок согласно ГОСТ 7293-85, а эксплуатационную стойкость при кавитации и износостойкость - на деталях и образцах, отлитых в кокиль, с использованием специальных стендов. Величину отбела определяют на клиновых пробах. Механические и эксплуатационные свойства определяют после термической обработки стандартных образцов и отливок двигателей. Ударная вязкость определена на образцах 10×10×55 мм с полукруглым надрезом.
Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун обладает более высокими показателями ударной вязкости, эксплуатационной стойкости при кавитации, износостойкости и коррозионной стойкости, чем известный.
Таблица 1
Химические составы чугунов опытных плавок
Компоненты
Содержание компонентов, мас.% (железо - остальное)
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
3,0
2,8
3,0
3,3
2,6
3,6
Кремний
1,2
2,4
2,7
2,8
2,1
3,2
Марганец
0,8
0,8
1,2
1,5
0,6
1,8
Хром
0,5
0,3
0,5
0,7
0,2
0,8
Никель
1,1
0,6
0,9
1,3
0,3
2,0
Медь
0,3
0,2
0,3
0,8
0,1
1,0
Молибден
0,6
0,2
0,5
0,8
0,05
1,1
Алюминий
0,4
0,6
0,8
1,4
0,35
2,2
Олово
0,08
0,002
0,005
0,015
0,001
0,06
Кобальт
-
0,02
0,12
0,28
0,01
0,35
Карбонитриды титана
-
0,02
0,2
0,25
0,01
0,3
Ниобий
-
0,13
0,15
0,30
0,10
0,36
Бор
-
0,03
0,06
0,1
0,02
0,12
Кальция
0,08
0,02
0,03
0,05
0,01
0,09
Фосфор
0,12
0,02
0,04
0,06
0,01
0,08
Лантан
-
0,02
0,05
0,07
0,01
0,1
Таблица 2
Механические и эксплуатационные свойства чугунов опытных плавок
Свойства чугунов
Показатели свойств состава чугунов опытных плавок
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Предел прочности при изгибе, МПа
926
1130
1230
1192
948
986
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
16,6
20,8
24,8
21,5
15,4
18,2
Износ, мг/100 г
52
20,1
16,2
19,6
46,0
38,1
Предел коррозионной усталости, МПа
360
393
405
394
372
383
Эксплуатационная стойкость при кавитации, ч
73
106
128
112
92
95
Коэффициент износостойкости (эталон сталь 20 ГЛ)
3,2
9,8
10,6
9,2
4,2
6,8
Предел усталости, МПа
372
402
428
422
380
362