RU2352675C1 - High-duty bearing cast iron - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: high-duty bearing cast iron contains, wt % carbon 3.2-3.5; silicon 1.8-2.2; manganese 0.4-0.8; copper 0.15-0.7; nickel 0.02-0.25; chromium 0.02-0.06; magnesium 0.03-0.05; cerium 0.01-0.02; tin 0.03-0.10; phosphorus 0.02-0.10; calcium 0.002-0.01; iron - the rest.

EFFECT: reduction of crack inclination and increasing of antifriction and elastoplastic properties of cast iron in cast.

2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным чугунам для антифрикционных отливок, получаемых при модифицировании их магнием и церием и используемых в литом состоянии для ответственных деталей двигателей Евро-3, Евро-4, работающих в условиях трения, износа, повышенных механических и термоциклических нагрузок.The invention relates to the field of metallurgy, in particular to high-strength cast iron for antifriction castings obtained by modifying them with magnesium and cerium and used in the cast state for critical parts of Euro-3, Euro-4 engines operating in conditions of friction, wear, increased mechanical and thermocyclic loads.

Известный высокопрочный антифрикционный чугун АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85) имеет в отливках типа блоки и головки блоков цилиндров двигателей перлитно-ферритную структуру и недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ), предела выносливости (150-170 МПа), трещиностойкости и износостойкости, что снижает стойкость и надежность работы цилиндров в условиях термоциклических нагрузок и трения. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения имеет низкие значения (3…12 МПа·м/с).The well-known high-strength anti-friction cast iron AChV-2 (GOST 1585-85) has a pearlite-ferrite structure and insufficient hardness (167-197 HB), endurance limit (150-170 MPa), crack resistance and wear resistance in castings of the type blocks and cylinder heads of engines , which reduces the stability and reliability of the cylinders under thermocyclic loads and friction. The limiting mode of operation of parts from this cast iron under friction is low (3 ... 12 MPa · m / s).

Известен также антифрикционный магний-цериевый чугун с вермикулярным графитом типа ЧВГ-45, рекомендованный в ГОСТ 28394-89 для аналогичных отливок. Твердость чугуна в отливках составляет 190…250 НВ, а относительное удлинение не превышает 0,8…1,5%. Предельный режим эксплуатации его в условиях трения низкое и не превышает 12…15 МПа·м/с.Also known is antifriction magnesium-cerium cast iron with vermicular graphite of the type CVG-45, recommended in GOST 28394-89 for similar castings. The hardness of cast iron in castings is 190 ... 250 HB, and the elongation does not exceed 0.8 ... 1.5%. The limiting mode of its operation under friction is low and does not exceed 12 ... 15 MPa · m / s.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный антифрикционный чугун для износостойких литых деталей (А.с. СССР 1097702, С22С 37/00, 1984) следующего химического состава, мас.%:The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed one is high-strength antifriction cast iron for wear-resistant cast parts (AS USSR 1097702, C22C 37/00, 1984) of the following chemical composition, wt.%:

УглеродCarbon 2,7-3,82.7-3.8 КремнийSilicon 2,2-3,52.2-3.5 МарганецManganese 0,5-1,20.5-1.2 МедьCopper 0,3-1,50.3-1.5 МагнийMagnesium 0,03-0,080.03-0.08 ЦерийCerium 0,005-0,10.005-0.1 ЖелезоIron ОстальноеRest

Предел текучести известного чугуна 235 245 МПа, ударная вязкость 16-20 Дж/см² и предельный режим работы при трении не превышает 15-18 МПа·м/с. Отличаются также высокая скорость износа при сухом трении и повышенная склонность известного антифрикционного чугуна к трещинообразованию (количество трещин в стандартной технологической пробе составляет от 5 до 8).The yield strength of the known cast iron is 235,245 MPa, the impact strength is 16-20 J / cm ² and the ultimate mode of operation during friction does not exceed 15-18 MPa · m / s. The high wear rate during dry friction and the increased tendency of the known antifriction cast iron to crack formation also differ (the number of cracks in a standard technological sample is from 5 to 8).

Существенным недостатком его являются низкие упругопластические свойства и стойкость в условиях ударных нагрузок при изготовлении деталей новых модернизированных двигателей.A significant drawback is its low elastoplastic properties and resistance to shock loads in the manufacture of parts of new modernized engines.

Задачей данного технического решения является снижение склонности к трещинам и повышение антифрикционных и упругопластических свойств чугуна в отливках.The objective of this technical solution is to reduce the tendency to cracks and increase the antifriction and elastoplastic properties of cast iron in castings.

Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, магний, церий и железо, дополнительно содержит олово, никель, хром, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:The problem is solved in that high-strength anti-friction cast iron containing carbon, silicon, manganese, copper, magnesium, cerium and iron, additionally contains tin, nickel, chromium, phosphorus and calcium in the following ratio, wt.%:

УглеродCarbon 3,2-3,53.2-3.5 КремнийSilicon 1,8-2,21.8-2.2 МарганецManganese 0,4-0,80.4-0.8 МедьCopper 0,15-0,70.15-0.7 ОловоTin 0,03-0,100.03-0.10 НикельNickel 0,02-0,250.02-0.25 ХромChromium 0,02-0,060.02-0.06 МагнийMagnesium 0,03-0,050.03-0.05 ЦерийCerium 0,01-0,020.01-0.02 ФосфорPhosphorus 0,02-0,100.02-0.10 КальцийCalcium 0,002-0,010.002-0.01 ЖелезоIron ОстальноеRest

Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - олова, никеля, хрома, фосфора и и дополнительное модифицирование его кальцием, что существенно повышает предел текучести, трещиностойкость, износостойкость и упругопластические свойства. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны 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.Significant differences of the proposed cast iron are the introduction of microalloying components - tin, nickel, chromium, phosphorus and its additional modification with calcium, which significantly increases the yield strength, crack resistance, wear resistance and elastoplastic properties. The analysis of the proposed technical solution showed that at the moment there are no known technical solutions that would reflect the indicated differences. In addition, these differences are necessary and sufficient to achieve the positive effect indicated in the purpose of the invention. This allows us to conclude that these differences are significant.

Дополнительное введение олова обусловлено тем, что оно является эффективной микролегирующей и перлитизирующей добавкой, повышающей плотность и трещиностойкость чугуна в отливках с однородной перлитной металлической основой, что обеспечивает увеличение предела текучести, антифрикционные и упругопластические свойства чугуна. При содержании олова до 0,03% износостойкость, трещиностойкость, предел текучести и антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении его концентрации более 0,10% увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики упругопластических свойств и предела текучести.The additional introduction of tin is due to the fact that it is an effective microalloying and perlitizing additive that increases the density and crack resistance of cast iron in castings with a uniform pearlitic metal base, which provides an increase in the yield strength, antifriction and elastoplastic properties of cast iron. When the tin content is up to 0.03%, wear resistance, crack resistance, yield strength and antifriction properties are insufficient, and with an increase in its concentration of more than 0.10%, the heterogeneity of the structure increases and the characteristics of elastoplastic properties and yield strength decrease.

Никель, медь, хром и марганец являются основными легирующими компонентами высокопрочных антифрикционных чугунов, обеспечивающими высокие характеристики предела прочности и износостойкости, но оказывающими неоднозначное влияние на склонность чугуна к отбелу и другим дефектам, а также на предел текучести, упругопластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства.Nickel, copper, chromium and manganese are the main alloying components of high-strength antifriction cast irons, providing high characteristics of tensile strength and wear resistance, but have an ambiguous effect on the tendency of cast iron to bleach and other defects, as well as yield strength, elastoplastic and antifriction properties. Therefore, their concentration in the proposed cast iron is accepted taking into account their influence on these properties.

Содержание никеля и хрома в чугуне составляет соответственно 0,02-0,25% и 0,02-0,06%, т.к. при концентрации их выше верхних пределов увеличиваются содержание карбидов и цементита в структуре, снижаются однородность структуры, упругопластические, антифрикционные и эксплуатационные свойства. При уменьшении их содержания ниже 0,02% каждого снижается изностойкость и имеются недостаточные характеристики предела текучести, трещиностойкости, твердости и эксплуатационных свойств.The content of nickel and chromium in cast iron is 0.02-0.25% and 0.02-0.06%, respectively. when their concentration is above the upper limits, the content of carbides and cementite in the structure increases, the uniformity of the structure, and elastoplastic, antifriction, and operational properties decrease. When their content decreases below 0.02% of each, wear resistance decreases and there are insufficient characteristics of yield strength, crack resistance, hardness, and operational properties.

Содержание меди в чугуне ограничено концентрацией 0,7%, т.к. при более высоком ее содержании снижаются характеристики предела текучести, ударной вязкости и износостойкости.The copper content in cast iron is limited to a concentration of 0.7%, because at its higher content, the yield strength, impact strength and wear resistance characteristics are reduced.

Фосфор является перлитизирующим элементом и при содержании в чугуне от 0,02 до 0,1% повышает технологические свойства, дисперсность структуры в отливках, износостойкость, трещиностойкость, предел текучести и стабильность антифрикционных свойств. При содержании его менее 0,02% микролегирующий эффект недостаточен и технологические свойства, дисперсность структуры, трещиностойкость и износостойкость низкие. При содержании более 0,10% снижаются характеристики однородности структуры, упругопластических свойств, предела текучести и повышаются коэффициент трения, склонность чугуна к трещинам и другим дефектам.Phosphorus is a perlitizing element and when the content in cast iron is from 0.02 to 0.1% it increases the technological properties, the dispersion of the structure in castings, wear resistance, crack resistance, yield strength and stability of antifriction properties. When its content is less than 0.02%, the microalloying effect is insufficient and the technological properties, dispersion of the structure, crack resistance and wear resistance are low. At a content of more than 0.10%, the characteristics of structure homogeneity, elastoplastic properties, yield strength decrease, and the friction coefficient and the tendency of cast iron to cracks and other defects increase.

Дополнительное введение 0,002-0,01% кальция обусловлено его химической модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры, который очищает границы зерен, существенно повышает трещиностойкость, антифрикционные и упругопластические свойства. При концентрации кальция менее 0,002% модифицирующий эффект, упругопластические и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,01% увеличивается его угар, снижаются однородность структуры, износостойкость и предел текучести чугуна.The additional introduction of 0.002-0.01% calcium is due to its chemical modifying and graphitizing activity and a significant effect on the shape of graphite and the dispersion of the structure, which cleans grain boundaries, significantly increases crack resistance, antifriction and elastoplastic properties. At a calcium concentration of less than 0.002%, the modifying effect, elastoplastic and antifriction properties are low, and with an increase in the calcium content of more than 0.01%, its fumes increase, the uniformity of the structure, wear resistance and yield strength of cast iron decrease.

Снижение концентрации марганца до 0,4-0,8% обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышение технологических, механических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,8% увеличиваются остаточные напряжения и снижается предел коррозионной усталости, а при снижении концентрации марганца менее 0,4% повышается содержание в структуре феррита и снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна.A decrease in the concentration of manganese to 0.4-0.8% is due to its high microalloying effect on the structure and increase of technological, mechanical and antifriction properties. With an increase in the concentration of manganese over 0.8%, the residual stresses increase and the limit of corrosion fatigue decreases, and with a decrease in the concentration of manganese less than 0.4%, the content in the structure of ferrite increases and the mechanical and operational characteristics of cast iron decrease.

Снижение концентрации кремния до 1,8-2,2% и ограничение концентрации углерода в пределах от 3,2 до 3,5% принято с целью снижения склонности отливок к трещинам, отбелу и повышения износостойкости, механических, антифрикционных свойств в условиях трения и знакопеременных нагрузок. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 3,5 и 2.2% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, предела текучести, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,2 и 1,8% повышаются остаточные термические напряжения в отливках, склонность чугуна к трещинам и газоусадочным дефектам, что снижает предел текучести, ударную вязкость, удароустойчивость и упругопластические свойства.A decrease in the silicon concentration to 1.8-2.2% and a limitation of the carbon concentration in the range from 3.2 to 3.5% was adopted with the aim of reducing the tendency of castings to cracks, bleaching and increasing wear resistance, mechanical, antifriction properties under friction and alternating loads. With an increase in the concentration of carbon and silicon above 3.5 and 2.2%, respectively, the content of ferrite and free graphite in the structure increases, which reduces the characteristics of strength, yield strength, wear resistance, and antifriction properties. With a decrease in their concentration, respectively, below 3.2 and 1.8%, the residual thermal stresses in the castings, the tendency of cast iron to cracks and gas-shrink defects increase, which reduces the yield strength, impact strength, impact resistance and elastoplastic properties.

Содержание магния (0,03-0,05%) и церия (0,01-0,02%), являющихся основными сфероидизирующими графитомодифицирующими добавками, соответствует общепринятым нормам их концентрации при производстве высокопрочных антифрикционных чугунов и принято без изменения.The content of magnesium (0.03-0.05%) and cerium (0.01-0.02%), which are the main spheroidizing graphite-modifying additives, corresponds to generally accepted standards for their concentration in the production of high-strength antifriction cast irons and is accepted without change.

Опытные плавки чугунов производят в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-75), передельного чугуна марки ПЛ11Б2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А (ГОСТ 2787-75), чугунного лома марки 17А (ГОСТ 2787-75), катодной меди, олова, ферромарганца, феррофосфора, силикокальция и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна - 1480-1500°С. Микролегирование ферромарганцем марки ФМн78-2 (ГОСТ 4755-91), оловом марки 01пч (ГОСТ 860-75) и катодной медью марки М 1к (ТУ 859-2001) производят после рафинирования расплава в печи. Модифицирование чугуна при изготовлении образцов, технологических проб и мелких отливок производят в ковше с использованием металлотермических пакетов с комплексными модификаторами, содержащими магний, кальций и церий. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы.Pilot cast iron melts are produced in induction crucible furnaces using cast iron of the L2ShB2 grade (GOST 4832-75), pig iron of the PL11B2 grade (GOST 805-90), steel scrap of grades 1A and 2A (GOST 2787-75), cast iron scrap of grade 17A ( GOST 2787-75), cathode copper, tin, ferromanganese, ferrophosphorus, silicocalcium and other ferroalloys. The temperature of cast iron is 1480-1500 ° С. Microalloying with ferromanganese grade FMn78-2 (GOST 4755-91), tin grade 01pch (GOST 860-75) and cathode copper grade M 1k (TU 859-2001) is performed after refining the melt in the furnace. Modification of cast iron in the manufacture of samples, technological samples and small castings is carried out in a ladle using metallothermal bags with complex modifiers containing magnesium, calcium and cerium. To determine the properties of cast iron, lattice, star-shaped and step technological samples are poured.

При изготовлении массивных отливок в производственных условиях процесс модифицирования чугуна производят в две стадии: сначала - в ковше при температуре 1450-1480°С с использованием сфероидизирующих комплексных лигатур, а затем в литейных формах с использованием модификатора МКМг19 (ТУ 0826-003-47647304-2001) и графитизирующих добавок. Определение механических свойств проводят по ГОСТ 1497-84 с диаметром 14 мм и расчетной длиной 70 мм. Ударную вязкость определяют на образцах 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм. В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, в табл.2 - их механические и эксплуатационные свойства.In the manufacture of massive castings under industrial conditions, the process of modifying cast iron is carried out in two stages: first, in a ladle at a temperature of 1450-1480 ° C using spheroidizing complex alloys, and then in casting molds using the MKMg19 modifier (TU 0826-003-47647304-2001 ) and graphitizing additives. The determination of mechanical properties is carried out in accordance with GOST 1497-84 with a diameter of 14 mm and an estimated length of 70 mm. Impact strength is determined on samples of 10 × 10 × 55 mm with a notch of 0.2 mm, crack resistance - on star-shaped 250 mm technological samples with a height of 140 mm. Table 1 shows the chemical compositions of the cast irons of experimental melts, and in Table 2 their mechanical and operational properties.

Таблица 1Table 1 КомпонентыComponents Содержание компонентов, мас.%, (железо - остальное), в чугуне составаThe content of components, wt.%, (Iron - the rest), in the composition iron 1 (Извест.)1 (Known) 22 33 4four 55 66 УглеродCarbon 3,83.8 2,52.5 3,23.2 3,33.3 3,53,5 3,83.8 КремнийSilicon 3,03.0 1,71.7 1,81.8 2,12.1 2,22.2 2,52.5 МарганецManganese 1,21,2 0,30.3 0,40.4 0,50.5 0,80.8 1,01,0 НикельNickel -- 0,010.01 0,020.02 0,110.11 0,250.25 0,380.38 ХромChromium -- 0,010.01 0,020.02 0,050.05 0,060.06 0,140.14 МедьCopper 1,41.4 1,31.3 0,150.15 0,450.45 0,70.7 2,72.7 МагнийMagnesium 0,050.05 0,050.05 0,010.01 0,030,03 0,050.05 0,070,07 ЦерийCerium 0,020.02 0,0050.005 0,010.01 0,0160.016 0,020.02 0,040.04 ОловоTin -- 0,010.01 0,030,03 0,060.06 0,100.10 0,140.14 ФосфорPhosphorus -- 0,020.02 0,020.02 0,050.05 0,100.10 0,140.14 КальцийCalcium -- 0,0010.001 0,0020.002 0,0060.006 0,010.01 0,020.02

Таблица 2table 2 Свойства чугуновCast iron properties Показатели для составов чугунаIndicators for cast iron compounds 1 (Изв.)1 (Izv.) 22 33 4four 55 66 Предел текучести, МПаYield Strength, MPa 240240 257257 265265 290290 282282 275275 Ударная вязкость, Дж/см² Impact strength, J / cm ² 1919 3535 4141 5656 5353 3939 Скорость износа при сухом трении, мкм/кмDry friction wear rate, μm / km 0,400.40 0,380.38 0,300.30 0,240.24 0,220.22 0,350.35 Твердость, НВHardness, HB 290290 267267 229229 241241 235235 300300 Предельный режим работы при трении, МПа.м/сThe limiting mode of operation during friction, MPa.m / s 1717 2424 3131 3535 4040 9R9R Коэффициент тренияCoefficient of friction 0,480.48 0,440.44 0,350.35 0,320.32 0,40.4 0,450.45 Склонность к трещинообразованию (количество трещин в технологической пробе)Tendency to crack formation (number of cracks in the technological sample) 6,66.6 3,73,7 3,03.0 2,82,8 3,23.2 4,24.2

Claims (1)

Высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, магний, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово, фосфор, кальций, никель и хром при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 3,2-3,5 кремний 1,8-2,2 марганец 0,4-0,8 медь 0,15-0,7 никель 0,02-0,25 хром 0,02-0,06 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 олово 0,03-0,10 фосфор 0,02-0,10 кальций 0,002-0,01 железо остальное High-strength anti-friction cast iron containing carbon, silicon, manganese, copper, magnesium, cerium and iron, characterized in that it additionally contains tin, phosphorus, calcium, nickel and chromium in the following ratio, wt.%:
carbon 3.2-3.5 silicon 1.8-2.2 manganese 0.4-0.8 copper 0.15-0.7 nickel 0.02-0.25 chromium 0.02-0.06 magnesium 0.03-0.05 cerium 0.01-0.02 tin 0.03-0.10 phosphorus 0.02-0.10 calcium 0.002-0.01 iron rest