RU2215812C1 - Cast iron - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy of casting production. SUBSTANCE: invention relates to development of composition of heat-resistant cast iron for molded pieces working under conditions of high temperatures. Cast iron containing carbon, manganese, chrome, sulfur, phosphorus and iron and modified in form with ferrosilicomagnesium comprises additionally in the following ratio of components, wt. -%: carbon, 2.5-3.2; silicon, 4.4-51; manganese, up to 0.4; chrome, up to 0.1; sulfur, up to 0.025; phosphorus, up to 0.1; magnesium, 0.03-0.06; iron, the balance. Inventions provides the enhancement of mechanical properties, heat-resistance and exclusion of "nonmetallic inclusions" in cast iron as "refining foam" and as "black spots" of magnesium oxides and sulfides forming at upper parts of ingot. EFFECT: enhanced and valuable properties of cast iron. 2 tbl

Description

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности к разработке составов жаростойкого чугуна для литых деталей, работающих в условиях высоких температур в двигателях внутреннего сгорания. The invention relates to metallurgy of foundry, in particular to the development of compositions of heat-resistant cast iron for cast parts operating at high temperatures in internal combustion engines.

Известен чугун [1] , нирезист с шаровидным графитом (ШГ) следующего химсостава, мас.%:
Углерод - 2,5-3,0
Кремний - 2,0-2,5
Марганец - 1,3-1,8
Хром - 0,6-1,0
Никель - 14-16
Медь - 3-3,5
Недостаток известного чугуна - низкая жаростойкость. При испытании этого чугуна при температуре 750^oС в течение 200 часов прирост массы окалины составил 0,79%, тогда как у кремнистого чугуна с шаровидным графитом 0,20%. Причем окалина у нирезиста легко отделялась и осыпалась, тогда как у кремнистого чугуна с шаровидным графитом окалина была плотная и не осыпалась. Большая и легко отделяемая окалина недопустима в выпускных коллекторах дизельных двигателей с турбокомпрессором.Known cast iron [1], niresist with spherical graphite (SH) of the following chemical composition, wt.%:
Carbon - 2.5-3.0
Silicon - 2.0-2.5
Manganese - 1.3-1.8
Chrome - 0.6-1.0
Nickel - 14-16
Copper - 3-3.5
The disadvantage of cast iron is its low heat resistance. When testing this cast iron at a temperature of 750 ^o C for 200 hours, the increase in the mass of the dross was 0.79%, while for siliceous cast iron with spherical graphite 0.20%. Moreover, the scale of the niresist easily separated and crumbled, while the silicon oxide with spherical graphite had a dense and not crumbled scale. Large and easily detachable scale is unacceptable in the exhaust manifolds of diesel engines with a turbocharger.

Наиболее близким к предлагаемому чугуну по технической сущности и достигаемому результату является кремнистый чугун [2] следующего химсостава, мас.%:
Углерод - 2,7-3,3
Кремний - 4,5-5,5
Марганец - ≤0,8
Хром - ≤0,2
Сера - ≤0,03
Фосфор - ≤0,1
Недостатком данного чугуна является высокое содержание углерода и кремния, которое приводит к появлению "неметаллических включений", которые по ГОСТ 19200-80 определяются, как дефект в виде неметаллической частицы, попавшей в металл механическим путем или образовавшейся вследствие химического взаимодействия компонентов при расплавлении и заливке металла. Для данного чугуна "неметаллическими включениями" является "графитовая спель" в верхних частях тонкостенной отливки. При испытании отливок коллекторов на герметичность в этих местах появляется "течь".Closest to the proposed cast iron in technical essence and the achieved result is silicon cast iron [2] of the following chemical composition, wt.%:
Carbon - 2.7-3.3
Silicon - 4.5-5.5
Manganese - ≤0.8
Chrome - ≤0.2
Sulfur - ≤0.03
Phosphorus - ≤0.1
The disadvantage of this cast iron is the high content of carbon and silicon, which leads to the appearance of "non-metallic inclusions", which according to GOST 19200-80 are defined as a defect in the form of a non-metallic particle that has entered the metal mechanically or formed due to the chemical interaction of the components during melting and pouring of metal . For this cast iron, “non-metallic inclusions” is “graphite spell” in the upper parts of a thin-walled casting. When testing the castings of the collectors for leaks, a "leak" appears in these places.

Полученный обычным путем, модифицированием в ковше, кремнистый чугун с ШГ [2] и высоким углеродным эквивалентом (таблица 1, чугуны 9, 10, 11) имеет низкие механические свойства из-за больших по размеру и неправильной формы включений графита. Детали "выпускной коллектор" разрушились при испытаниях двигателей на стендах (таблица 2, чугуны 9, 10, 11). Silicon cast iron with SHG [2] and high carbon equivalent (table 1, cast irons 9, 10, 11) obtained in the usual way by modifying in a ladle has low mechanical properties due to the large size and irregular shape of graphite inclusions. Details "exhaust manifold" collapsed when testing the engines on the stands (table 2, cast iron 9, 10, 11).

Кроме того, этот чугун имеет недостаточную жаростойкость (средний прирост массы 0,12-0,36%, в таблице 2, чугуны 9, 10, 11). In addition, this cast iron has insufficient heat resistance (average weight gain of 0.12-0.36%, in table 2, cast iron 9, 10, 11).

Технической задачей данного изобретения является повышение механических свойств, жаростойкости и исключение "неметаллических включений" в чугуне в виде "графитовой спели", а также в виде "черных пятен" оксидов и сульфидов магния MgO+MgS, образующихся в верхних частях отливки при модифицировании магниевым модификатором. The technical task of this invention is to increase the mechanical properties, heat resistance and the exclusion of "non-metallic inclusions" in cast iron in the form of "graphite spell", as well as in the form of "black spots" of magnesium oxides and sulfides MgO + MgS formed in the upper parts of the casting when modified with a magnesium modifier .

Технический результат достигается тем, что чугун, полученный модифицированием в форме ферросиликомагнием, и содержащий углерод, кремний, марганец, хром, серу, фосфор, дополнительно содержит магний и имеет следующий химсостав, мас.%:
Углерод - 2,5-3,2
Кремний - 4,4-5,1
Марганец - до 0,4
Хром - до 0,1
Сера - до 0,025
Фосфор - до 0,1
Магний - 0,03-0,06
Железо - Остальное
Аналогов, содержащих отличительные признаки предлагаемого технического решения, не обнаружено.The technical result is achieved by the fact that cast iron obtained by modification in the form of ferrosilicomagnesium and containing carbon, silicon, manganese, chromium, sulfur, phosphorus, additionally contains magnesium and has the following chemical composition, wt.%:
Carbon - 2.5-3.2
Silicon - 4.4-5.1
Manganese - up to 0.4
Chrome - up to 0.1
Sulfur - up to 0.025
Phosphorus - up to 0.1
Magnesium - 0.03-0.06
Iron - Else
Analogues containing the distinguishing features of the proposed technical solution were not found.

На ОАО "ГАЗ" в условиях исследовательского отдела литейных процессов в литейной мастерской были проведены опытные сравнительные плавки с известным и предложенным чугунами. Чугуны выплавляли в индукционной печи ИСТ-016 с кислой футеровкой. В качестве шихты использовали чушковые передельные чугуны, возврат чугуна СЧ25, отходы стали и ферросплавы. Литниковая система была сделана с реакционной камерой для модифицирования предлагаемого чугуна в форме ферросиликомагнием. Известный чугун модифицировали в ковше. Металл перегревали в печи до 1500^oС и заливали клинья (по ГОСТ 7293-79), из которых вырезали образцы на механические свойства и жаростойкость. В литейном цехе отливались детали "выпускной коллектор" для дизельного двигателя с турбокомпрессором.GAZ OJSC, in the conditions of the research department of foundry processes in the foundry, experimental comparative melts were conducted with the known and proposed cast irons. Cast iron was smelted in an IST-016 induction furnace with an acid lining. As a charge, pig-iron pig irons, return of cast iron SCh25, steel waste and ferroalloys were used. The gate system was made with a reaction chamber for modifying the proposed cast iron in the form of ferrosilicomagnesium. Known cast iron was modified in a ladle. The metal was overheated in an oven to 1500 ^o C and wedges were poured (according to GOST 7293-79), from which samples were cut for mechanical properties and heat resistance. In the foundry, the "exhaust manifold" parts were cast for a diesel engine with a turbocharger.

В таблице 1 приведен химический состав предлагаемого и известного чугунов. В таблице 2 приведены значения механических свойств (столбцы 2-5), жаростойкости (столбец 6), виды литейного брака после механической обработки (столбцы 9, 10), а также результаты стендовых испытаний деталей "выпускной коллектор" в составе дизельного двигателя (столбец 11). Table 1 shows the chemical composition of the proposed and known cast irons. Table 2 shows the values of mechanical properties (columns 2-5), heat resistance (column 6), types of castings after machining (columns 9, 10), as well as the results of bench tests of the exhaust manifold parts in a diesel engine (column 11 )

Предлагаемый кремнистый чугун с ШГ (чугуны 1, 2, 3, 4, 5, таблица 1), полученный инмолдпроцессом (модифицирование в форме модификатором ФСМг5), имеет более высокие механические свойства, чем чугун [2] (σ_в на 50%, δ на 30%, а_н в 4-5 раз).The proposed silicon cast iron with SHG (cast iron 1, 2, 3, 4, 5, table 1), obtained by the inmold process (modification in the form of the FSMg5 modifier), has higher mechanical properties than cast iron [2] (σ _in 50%, δ 30%, and _n 4-5 times).

При высоком кремнии 5,5% (чугун 1, таблица 1) ударная вязкость сплава, пластические свойства и прочность резко падают, хотя жаростойкость высокая (чугун 1, таблица 2). При низком кремнии - 4,1% (чугун 5, таблица 1) жаростойкость резко падает, хотя ударная вязкость и удлинение растут (чугун 5, таблица 2). At high silicon 5.5% (cast iron 1, table 1), the toughness of the alloy, plastic properties and strength drop sharply, although the heat resistance is high (cast iron 1, table 2). At low silicon - 4.1% (cast iron 5, table 1), the heat resistance drops sharply, although the toughness and elongation increase (cast iron 5, table 2).

При высоком углероде - 3,3% и высоком кремнии - 5,5% (чугун 1, таблица 1) в литых деталях появляются "неметаллические включения" в виде "графитовой спели". При испытании на герметичность у этих отливок появляется "течь" (чугун 1, таблица 2). At high carbon - 3.3% and high silicon - 5.5% (cast iron 1, table 1), "non-metallic inclusions" appear in the form of "graphite spell" in cast parts. When tested for leaks in these castings appears "leak" (cast iron 1, table 2).

При низком углероде - 2,4% (чугун 5, таблица 1) резко увеличивается количество забракованных деталей по усадочным раковинам (чугун 5, таблица 2). At low carbon - 2.4% (cast iron 5, table 1), the number of rejected parts by shrinkage shells increases sharply (cast iron 5, table 2).

При содержании марганца более 0,4% в структуре чугуна появляется перлит и цементит, что приводит к уменьшению пластичности чугуна. With a manganese content of more than 0.4%, perlite and cementite appear in the structure of cast iron, which leads to a decrease in ductility of cast iron.

При содержании хрома более 0,1% в структуре чугуна появляется цементит, что приводит к падению пластических свойств отливки. Меньшее содержание хрома не влияет на свойства сплава. When the chromium content is more than 0.1%, cementite appears in the structure of cast iron, which leads to a decrease in the plastic properties of the casting. A lower chromium content does not affect the properties of the alloy.

При содержании фосфора более 0,1% склонность чугуна к охрупчиванию увеличивается. Меньшее содержание фосфора не влияет на свойства сплава. When the phosphorus content is more than 0.1%, the tendency of cast iron to embrittlement increases. A lower phosphorus content does not affect the properties of the alloy.

Содержание магния менее 0,03% в деталях из кремнистого чугуна с шаровидным графитом приводит к появлению вермикулярного графита и падению механических свойств (чугун 6, таблица 2). При увеличении магния до 0,07% и выше появляется звездообразный и разорванный графит с выделением скоплений мелкого и строчечного графита (чугун 7, таблица 2). The magnesium content of less than 0.03% in the details of silicon iron with spherical graphite leads to the appearance of vermicular graphite and a decrease in mechanical properties (cast iron 6, table 2). When magnesium is increased to 0.07% and higher, star-shaped and torn graphite appears with the formation of accumulations of fine and line graphite (cast iron 7, table 2).

При содержании серы более 0,025% в структуре чугуна появляется вермикулярный графит и пластические свойства уменьшаются (чугун 8, таблица 2). When the sulfur content is more than 0.025%, vermicular graphite appears in the structure of cast iron and the plastic properties decrease (cast iron 8, table 2).

Самым оптимальным химсоставом предлагаемого чугуна, как по механическим, технологическим и эксплуатационным свойствам, так и по отсутствию брака на литых деталях, являются составы чугунов 2, 3, 4. Эти чугуны имеют наибольшие величины механических свойств, высокую жаростойкость, в них отсутствуют усадочные раковины и "неметаллические включения". The best chemical composition of the proposed cast iron, both in terms of mechanical, technological and operational properties, as well as in the absence of rejects on cast parts, are the compositions of cast iron 2, 3, 4. These cast iron have the highest mechanical properties, high heat resistance, they do not have shrink shells and "non-metallic inclusions."

Такое сочетание технологического процесса - модифицирование в форме ферросиликомагнием чугуна данного химсостава обеспечивает получение высоких механических свойств, увеличение жаростойкости и устранение литейных дефектов, что позволило внедрить этот сплав при отливке ответственных деталей "выпускной коллектор" и "корпус турбины" для дизельного двигателя взамен дорогого и нежаростойкого сплава. При модифицировании в форме получается более мелкий графит правильной формы, что сильно увеличивает механические свойства сплава и его жаростойкость. Such a combination of the technological process — modification of the given chemical composition in the form of ferrosilicomagnesium cast iron provides high mechanical properties, increased heat resistance and elimination of casting defects, which allowed this alloy to be introduced when casting critical parts “exhaust manifold” and “turbine body” for a diesel engine instead of an expensive and non-heat-resistant alloy. When modified in the form, finer graphite of the correct form is obtained, which greatly increases the mechanical properties of the alloy and its heat resistance.

Источники информации
1. Н. Н. Александров. Никелевый чугун. Гл. I, раздел 6, п.2, с.106. Справочник по чугунному литью под редакцией Н.Г. Гиршовича. - Л.: Машиностроение, 1978.Sources of information
1. N. N. Alexandrov. Nickel cast iron. Ch. I, section 6, paragraph 2, p. 106. Handbook of iron castings edited by N.G. Girshovich. - L .: Engineering, 1978.

2. Е.В. Ковалевич. Кремнистый чугун. - Гл. I, раздел 6, п.3 с.112. Справочник по чугунному литью под редакцией Н.Г. Гиршовича. - Л.: Машиностроение, 1978. 2. E.V. Kovalevich. Silicon cast iron. - Ch. I, section 6, paragraph 3, p. 112. Handbook of iron castings edited by N.G. Girshovich. - L .: Engineering, 1978.

Claims (1)

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, серу, фосфор и железо, отличающийся тем, что он модифицирован в форме ферросиликомагнием и дополнительно содержит магний при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод - 2,5-3,2
Кремний - 4,4-5,1
Марганец - До 0,4
Хром - До 0,1
Сера - До 0,025
Фосфор - До 0,1
Магний - 0,03-0,06
Железо - ОстальноеCast iron containing carbon, silicon, manganese, chromium, sulfur, phosphorus and iron, characterized in that it is modified in the form of ferrosilicomagnesium and additionally contains magnesium in the following ratio of components, wt. %:
Carbon - 2.5-3.2
Silicon - 4.4-5.1
Manganese - Up to 0.4
Chrome - Up to 0.1
Sulfur - Up to 0.025
Phosphorus - Up to 0.1
Magnesium - 0.03-0.06
Iron - Else

Images