RU2720271C1 - High-strength alloyed antifriction cast iron - Google Patents

Abstract

FIELD: metallurgy.SUBSTANCE: invention relates to metallurgy, in particular, to high-strength antifriction cast irons, and can be used for production of cast parts of cylinder-piston group of engines operating under conditions of friction in gaseous media. Cast iron contains, wt%: carbon 3.1–3.6; silicon 2.0–2.5; manganese 0.3–0.7; nickel 2.0–3.6; molybdenum 1.2–2.5; copper 0.6–1.5; chromium 0.02–0.06; magnesium 0.02–0.03; cerium 0.03–0.05; vanadium 0.52–1.15; titanium 0.03–0.22; barium 0.03–0.06; boron 0.01–0.03; zirconium 0.05–0.12; tin 0.002–0.005, and iron – the rest.EFFECT: higher corrosion fatigue in gaseous media, limit operating conditions in friction, wear resistance and antifriction properties.1 cl, 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к высокопрочным легированным антифрикционным чугунам для литых деталей цилиндропоршневой группы двигателей, работающим в условиях трения в газовых средах.The invention relates to the field of metallurgy, in particular, to high-strength alloyed anti-friction cast irons for cast parts of a cylinder-piston engine group operating under friction in gaseous media.

Известен высокопрочный легированный антифрикционный чугун АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85). Этот чугун имеет в отливках перлитно-ферритную структуру, низкий предельный режим работы в условиях трения (3-12 МПа⋅м/с) и недостаточные характеристики предела выносливости (150-170 МПа), твердости (167-197 НВ), износостойкости и эксплуатационной стойкости в условиях трения в газовых средах.Known high-strength alloyed anti-friction cast iron AChV-2 (GOST 1585-85). This cast iron has a pearlite-ferrite structure in castings, a low limit mode of operation under friction conditions (3-12 MPa⋅m / s) and insufficient characteristics of endurance limit (150-170 MPa), hardness (167-197 HB), wear resistance and operational resistance to friction in gas environments.

Известен также высокопрочный легированный чугун для отливок со специальными свойствами ЧНДХМШ (ГОСТ 7769-82, табл. 2, с. 4). Он обладает высокой прочностью (не менее 600 МПа), однако характеризуется низкими антифрикционными и упруго-пластическими свойствами. Этот легированный чугун с шаровидным графитом имеет недостаточную ударную вязкость (21-30 Дж/см²). Литые детали из этого чугуна не обеспечивают длительной эксплуатационной стойкости при трении в газовых средах.Also known is high-strength alloyed cast iron for castings with special properties of ChNDHMSh (GOST 7769-82, table 2, p. 4). It has high strength (not less than 600 MPa), but is characterized by low antifriction and elastic-plastic properties. This nodular cast iron has insufficient toughness (21-30 J / cm ² ). Cast parts from this cast iron do not provide long-term operational stability during friction in gaseous media.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный легированный антифрикционный чугун (Патент RU №2611624, С 22 С 37/10, 2017, прототип) следующего химического состава, мас. %:The closest in technical essence and the achieved effect to the proposed one is high-strength alloyed anti-friction cast iron (Patent RU No. 2611624, C 22 C 37/10, 2017, prototype) of the following chemical composition, wt. %:

УглеродCarbon 3,1-3,63.1-3.6 КремнийSilicon 2,0-2,52.0-2.5 МарганецManganese 0,8-1,20.8-1.2 НикельNickel 0,7-1,50.7-1.5 МолибденMolybdenum 0,2-0,40.2-0.4 ХромChromium 0,02-0,060.02-0.06 МедьCopper 0,6-1,50.6-1.5 МагнийMagnesium 0,02-0,030.02-0.03 ЦерийCerium 0,03-0,050.03-0.05 ВанадийVanadium 0,07-0,550.07-0.55 ТитанTitanium 0,03-0,220.03-0.22 БарийBarium 0,03-0,060.03-0.06 БорBoron 0,01-0,030.01-0.03 ЖелезоIron ОстальноеRest

Механические и эксплуатационные свойства известного чугуна:Mechanical and operational properties of famous cast iron:

Временное сопротивление, МПаTemporary resistance, MPa 770-782770-782 Предел текучести, МПаYield Strength, MPa 288-312288-312 Коэффициент тренияCoefficient of friction 0,37-0,410.37-0.41

Предел выносливости, МПаFatigue limit, MPa 222-235222-235

Износостойкость при сухом трении, мкм/кмWear resistance during dry friction, microns / km 0,15-0,210.15-0.21 Ударная вязкость, Дж/см² Impact strength, J / cm ² 30-3530-35 Предельный режим работы при трении, МПа⋅м/сThe limiting mode of operation during friction, MPa⋅m / s 28-3228-32 Предел коррозионной усталости в газовых средах, МПаThe limit of corrosion fatigue in gaseous media, MPa 375-390375-390

Известный чугун содержит недостаточное количество легирующих элементов и обладает недостаточными упруго-пластическими, антифрикционными и эксплуатационными свойствами. Недостатком известного чугуна являются низкие характеристики предела коррозионной усталости в газовых средах, трещиностойкости и предельного режима работы при трении.Known cast iron contains an insufficient amount of alloying elements and has insufficient elastic-plastic, anti-friction and operational properties. A disadvantage of the known cast iron is the low characteristics of the corrosion fatigue limit in gaseous media, fracture toughness, and ultimate friction mode of operation.

Задача изобретения - повышение предела коррозионной усталости чугуна в газовых средах и предельного режима работы при трении и снижение коэффициента трения.The objective of the invention is to increase the limit of corrosion fatigue of cast iron in gaseous media and the limit mode of operation during friction and reduce the coefficient of friction.

Поставленная задача решается тем, что высокопрочный легированный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий, ванадий, титан, барий, бор и железо, дополнительно содержит цирконий и олово при следующем соотношении компонентов, мас. %:The problem is solved in that high-strength alloyed antifriction cast iron containing carbon, silicon, manganese, nickel, molybdenum, copper, chromium, magnesium, cerium, vanadium, titanium, barium, boron and iron, additionally contains zirconium and tin in the following ratio of components, wt. %:

УглеродCarbon 3,1-3,63.1-3.6 КремнийSilicon 2,0-2,52.0-2.5 МарганецManganese 0,3-0,70.3-0.7 НикельNickel 2,0-3,62.0-3.6 МолибденMolybdenum 1,2-2,51.2-2.5 МедьCopper 0,6-1,50.6-1.5 ХромChromium 0,02-0, 060.02-0, 06 МагнийMagnesium 0,02-0,030.02-0.03 ЦерийCerium 0,03-0,050.03-0.05 ВанадийVanadium 0,52-1,150.52-1.15 ТитанTitanium 0,03-0,220.03-0.22 БарийBarium 0,03-0,060.03-0.06 БорBoron 0,01-0,030.01-0.03 ЦирконийZirconium 0,05-0,120.05-0.12 ОловоTin 0,002-0,0050.002-0.005 ЖелезоIron ОстальноеRest

Существенными отличиями предложенного чугуна являются дополнительное введение в его состав эффективного легирующего компонента - циркония, перлитирующей добавки - олова и повышение содержания легирующих и аустенизирующих компонентов (молибдена 1,2-2,5, ванадия 0,52-1,15 и никеля 2,0-3,6), что существенно повышает дисперсность и стабильность структуры, износостойкость, предел выносливости, антифрикционные свойства и предел коррозионной усталости чугуна в газовых средах.Significant differences of the proposed cast iron are the additional introduction into its composition of an effective alloying component - zirconium, a perlating additive - tin and an increase in the content of alloying and austenitizing components (molybdenum 1.2-2.5, vanadium 0.52-1.15 and nickel 2.0 -3.6), which significantly increases the dispersion and stability of the structure, wear resistance, endurance limit, antifriction properties and the limit of corrosion fatigue of cast iron in gaseous media.

Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены эти отличия. Кроме того, они являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в задаче изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.The analysis of the proposed technical solution showed that at the moment there are no known technical solutions that would reflect these differences. In addition, they are necessary and sufficient to achieve the positive effect indicated in the objective of the invention. This allows us to conclude that these differences are significant.

Дополнительное введение циркония 0,05-0,12 обусловлено тем, что он является эффективной графитизирующей, упрочняющей и микролегирующей добавкой, повышающей стабильность, однородность и дисперсность структуры, предел коррозионной усталости в газовых средах, предел выносливости, антифрикционные и упруго-пластические свойства чугуна. При содержании циркония до 0,05% износостойкость, предел выносливости и антифрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 0,12% увеличивается неоднородность структуры, остаточные термические напряжения и снижаются характеристики эксплуатационной стойкости, удароустойчивости и упруго-пластических свойств.The additional introduction of zirconium 0.05-0.12 is due to the fact that it is an effective graphitizing, hardening and microalloying additive that increases the stability, uniformity and dispersion of the structure, the limit of corrosion fatigue in gaseous media, the endurance limit, the antifriction and elastic-plastic properties of cast iron. When the zirconium content is up to 0.05%, wear resistance, endurance and antifriction properties are insufficient. And with an increase in its concentration of more than 0.12%, the heterogeneity of the structure, residual thermal stresses increase, and the characteristics of operational resistance, impact resistance, and elastic-plastic properties decrease.

Олово введено в количестве 0,002-0,005% как перлитирующая добавка, повышающая дисперсность структуры и обеспечивающая увеличение предела выносливости. При содержании олова менее 0,002% снижаются его перлитирующая способность, однородность и дисперсность структуры, а при увеличении содержания олова более 0,005% снижаются пластические и антифрикционные свойства и износостойкостьTin is introduced in an amount of 0.002-0.005% as a perlite additive that increases the dispersion of the structure and provides an increase in the endurance limit. When the tin content is less than 0.002%, its perlite ability, uniformity and dispersion of the structure are reduced, and with an increase in tin content of more than 0.005%, the plastic and antifriction properties and wear resistance decrease

Уменьшение концентрации марганца до 0,3-0,7% обусловлено его высоким влиянием на трещиностойкость чугуна, снижение его технологических и антифрикционных свойств. При повышении концентрации марганца более 0,7% снижаются предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость, а при снижении концентрации марганца менее 0,3% повышается содержание в структуре свободного графита, что уменьшает механические и эксплуатационные характеристики чугуна.A decrease in the concentration of manganese to 0.3-0.7% is due to its high effect on the crack resistance of cast iron, a decrease in its technological and antifriction properties. With an increase in the concentration of manganese over 0.7%, the endurance limit, wear resistance, and crack resistance decrease, and with a decrease in the concentration of manganese less than 0.3%, the content of free graphite in the structure increases, which reduces the mechanical and operational characteristics of cast iron.

Титан введен как графитизирующая и микролегирующая добавка, повышающая дисперсность структуры и содержание в ней перлита и графита и обеспечивающая увеличение износостойкости, предела выносливости, стабильности коэффициента трения и эксплуатационных свойств чугуна в отливках. При содержании его менее 0,03% снижаются графитизирующий и микролегируюший эффекты, а стабильность структуры и антифрикционные свойства недостаточны, а при содержании более 0,22% снижаются, предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость.Titanium is introduced as a graphitizing and microalloying additive that increases the dispersion of the structure and the content of perlite and graphite in it and provides an increase in wear resistance, endurance limit, stability of the friction coefficient and operational properties of cast iron in castings. When its content is less than 0.03%, the graphitizing and microalloying effects are reduced, and the stability of the structure and antifriction properties are insufficient, and when the content is more than 0.22%, the endurance limit, wear resistance, and crack resistance are reduced.

Барий в количестве 0,03-0,06% модифицирует расплав и очищает границы зерен, обеспечивает сфероидизацию структурных составляющих и повышение износостойкости и стабильности антифрикционных свойств. При концентрации его более 0,06% снижаются предел выносливости, износостойкость и механические свойства, а при содержании бария до 0,03% износостойкость и антифрикционные свойства недостаточны.Barium in the amount of 0.03-0.06% modifies the melt and cleans the grain boundaries, provides spheroidization of structural components and increased wear resistance and stability of antifriction properties. At a concentration of more than 0.06%, the endurance limit, wear resistance and mechanical properties are reduced, and with a barium content of up to 0.03%, the wear resistance and antifriction properties are insufficient.

Введение бора до 0,01-0,03% обусловлено улучшением и сокращением режима термообработки чугуна, что существенно повышает стабильность, однородность и дисперсность структуры, упруго-пластические свойства. Он снижает коэффициент трения. При концентрации его менее 0,01% предел коррозионной усталости, износостойкость и предел выносливости низкие, а при увеличении содержания бора более 0,03% снижаются пластические свойства, повышается коэффициент трения.The introduction of boron to 0.01-0.03% is due to the improvement and reduction of the heat treatment of cast iron, which significantly increases the stability, uniformity and dispersion of the structure, elastic-plastic properties. It reduces the coefficient of friction. At a concentration of less than 0.01%, the limit of corrosion fatigue, wear resistance and endurance are low, and with an increase in boron content of more than 0.03%, the plastic properties decrease, the friction coefficient increases.

Содержание углерода (3,1-3,6%) и кремния (2,0-2,5%) принято исходя из опыта производства высокопрочных антифрикционных чугунов для отливок преимущественно с мелкозернистой перлитной структурой в литом состоянии, с высокими характеристиками механических свойств, износостойкости и антифрикционных свойств в условиях трения. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,6 и 2,5% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, предела выносливости, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,1 и 2,0% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и содержание аустенита и цементита в структуре, что снижает пределы выносливости и текучести, трещиностойкость и удароустойчивость.The content of carbon (3.1-3.6%) and silicon (2.0-2.5%) is based on the experience in the production of high-strength antifriction cast irons for castings mainly with a fine-grained pearlite structure in a cast state, with high characteristics of mechanical properties, wear resistance and antifriction properties under friction. With increasing concentrations of carbon and silicon, respectively, above 3.6 and 2.5%, the content of ferrite and free graphite in the structure increases, which reduces the characteristics of strength, hardness, endurance, wear resistance and antifriction properties. With a decrease in their concentration, respectively, below 3.1 and 2.0%, the residual thermal stresses in the castings and the content of austenite and cementite in the structure increase, which reduces the limits of endurance and fluidity, crack resistance and impact resistance.

Содержание магния, являющегося основной сфероидизирующей графит модифицирующей добавкой, принято в количестве 0,02-0,03% с целью повышения износостойкости, предела выносливости и снижения коэффициента трения. При снижении содержания магния до 0,02% в структуре шаровидного графита не образуется и механические и антифрикционные свойства низкие. При концентрации магния более 0,03% снижаются стабильность и однородность структуры, что повышает термические напряжения в отливках и уменьшает характеристики предела выносливости и антифрикционных свойств.The content of magnesium, which is the main spheroidizing graphite modifying additive, is taken in an amount of 0.02-0.03% in order to increase wear resistance, endurance limit and reduce friction coefficient. When the magnesium content is reduced to 0.02%, spherical graphite does not form in the structure and the mechanical and antifriction properties are low. At a magnesium concentration of more than 0.03%, the stability and uniformity of the structure decrease, which increases the thermal stresses in the castings and reduces the characteristics of the endurance limit and antifriction properties.

Содержание церия увеличено до 0,03-0,05%, это способствует повышению антифрикционных свойств и износостойкости и соответствует концентрациям по общепринятым нормам в двигателестроении при производстве литых деталей цилиндропоршневой группы из высокопрочных чугунов с вермикулярным (компактным) графитом. При концентрации церия более 0,05% повышаются его безвозвратные потери (угар), неоднородность структуры и снижаются механические свойства чугуна.The cerium content is increased to 0.03-0.05%, this contributes to an increase in antifriction properties and wear resistance and corresponds to concentrations according to generally accepted standards in engine manufacturing in the production of cast parts of the piston-cylinder group from high-strength cast iron with vermicular (compact) graphite. When the concentration of cerium is more than 0.05%, its irretrievable losses (fumes) increase, the heterogeneity of the structure and the mechanical properties of cast iron decrease.

Медь, никель, молибден, ванадий и хром являются основными легирующими компонентами высокопрочных чугунов, обеспечивающие высокие характеристики прочности, предела коррозионной усталости в газовых средах, износостойкости, пределов выносливости и усталости, но оказывающие неоднозначное влияние на упруго-пластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства.Copper, nickel, molybdenum, vanadium and chromium are the main alloying components of high-strength cast irons, providing high strength characteristics, corrosion fatigue limits in gaseous media, wear resistance, endurance and fatigue limits, but having an ambiguous effect on the elastic-plastic and antifriction properties. Therefore, their concentration in the proposed cast iron is accepted taking into account their influence on these properties.

Медь является перлитизирующим структуру компонентом, повышающем антифрикционные свойства и предел выносливости. При ее содержании в количестве от 0,6 до 1,5% обеспечивается существенное повышение износостойкости, предела выносливости и антифрикционных свойств. При снижении концентрации меди менее 0,6% антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении ее содержания более 1,5% снижаются характеристики износостойкости и трещиностойкости.Copper is a perlitizing structure component that increases antifriction properties and endurance. With its content in an amount of from 0.6 to 1.5%, a significant increase in wear resistance, endurance and antifriction properties is provided. With a decrease in copper concentration of less than 0.6%, the antifriction properties are insufficient, and with an increase in its content of more than 1.5%, the characteristics of wear resistance and crack resistance decrease.

Содержание никеля в чугуне повышено до концентрации 2,0-3,6%, так как при концентрации никеля менее 2,0% дисперсность структуры, предел выносливости и эксплуатационные свойства недостаточны. При содержании более 3,6% снижаются антифрикционные и эксплуатационные свойства, увеличиваются неоднородность структуры, склонность к трещинам и нестабильность коэффициента трения.The nickel content in cast iron is increased to a concentration of 2.0-3.6%, since when the nickel concentration is less than 2.0%, the dispersion of the structure, endurance limit, and operational properties are insufficient. With a content of more than 3.6%, the antifriction and operational properties decrease, the heterogeneity of the structure, the tendency to cracks, and the instability of the friction coefficient increase.

Хром в количестве от 0,02 до 0,06%, ванадий (0,52-1,15%) и молибден (1,2-2,5%) повышают твердость, предел коррозионной усталости в газовых средах, предел выносливости и износостойкость чугуна в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома, ванадия и молибдена соответственно более 0,06%, 1,15% и 2,5% повышается содержание в структуре цементита и карбидов и снижаются антифрикционные и упруго-пластические свойства в отливках и удлиняется режим термообработки. При их концентрации менее нижних пределов прочность, предел коррозионной усталости в газовых средах, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются.Chromium in an amount of 0.02 to 0.06%, vanadium (0.52-1.15%) and molybdenum (1.2-2.5%) increase hardness, corrosion fatigue limit in gaseous media, endurance limit and wear resistance cast iron in castings. However, with an increase in the concentration of chromium, vanadium and molybdenum, respectively, more than 0.06%, 1.15% and 2.5%, the content of cementite and carbides in the structure increases and the antifriction and elastic-plastic properties in the castings decrease and the heat treatment mode is lengthened. When their concentration is less than the lower limits, the strength, the limit of corrosion fatigue in gaseous media, wear resistance and endurance limit are significantly reduced.

Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального лома 1А, чугунного лома 17А, никеля Н3, меди М2, ферромарганца ФМн 78, феррованадия ФВд50У0,5, ферромолибдена, олова, ферроциркония, ферротитана и других ферросплавов. Микролегирование никелем, медью, ферроцирконием, ферромарганцем, ферробором и ферротитаном производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в ковше с использованием никель - магниевой лигатуры, олова, силикобария и ферроцерия. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний.Pilot cast iron smelting is carried out in induction crucible furnaces using refined pig iron, steel scrap 1A, cast iron scrap 17A, nickel H3, copper M2, ferromanganese FMN 78, ferrovanadium FVd50U0.5, ferromolybdenum, tin, other ferrozirconium and ferrocyrrovanovite, ferrocyrrovanovite, and ferrotrozirconium, ferrocyrrovanovite, and ferrotirzironovanium, and ferrocyrvanovonium, ferrocyrrovanonium, and other ferrocyrvanovonium. Microalloying with nickel, copper, ferrozirconium, ferromanganese, ferroboron and ferrotitanium is carried out after the melt is refined in a furnace, and the modification is performed in a ladle using nickel - magnesium ligature, tin, silicobarium and ferrocerium. To determine the properties of cast iron, lattice, star-shaped and step technological samples, castings and samples for mechanical tests are poured.

В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.In the table. 1 shows the chemical compositions of cast iron experimental swimming trunks.

Определение прочностных свойств чугунов проводят по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм с расчетной длиной 70 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм, а предел коррозионной усталости в газовых средах - на стандартных образцах при испытании на базе 10 циклов. Термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Металлографические исследования и анализ структурных составляющих проводят в соответствии с ГОСТ 3443-87. В табл. 2 приведены механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства высокопрочных легированных чугунов опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах.The strength properties of cast irons are determined according to GOST 1497-84 on specimens with a diameter of 14 mm with an estimated length of 70 mm, crack resistance - on star-shaped 250 mm technological samples 140 mm high, and the limit of corrosion fatigue in gas environments - on standard samples when tested on the basis of 10 cycles . Thermal stresses were determined on lattice technological samples. Metallographic studies and analysis of structural components are carried out in accordance with GOST 3443-87. In the table. 2 shows the mechanical, antifriction, and performance properties of high-strength alloyed cast irons of experimental melts in castings, samples, and technological samples.

Как видно из табл. 2, предложенный чугун имеет более высокие характеристики предела коррозионной усталости в газовых средах, предельного режима работы при трении, износостойкости и антифрикционных свойств, чем известный.As can be seen from the table. 2, the proposed cast iron has higher characteristics of the limit of corrosion fatigue in gaseous media, the limiting mode of operation during friction, wear resistance and antifriction properties than the known one.

Claims (2)

Высокопрочный легированный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий, ванадий, титан, барий, бор и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит цирконий и олово при следующем соотношении компонентов, мас. %:High-strength alloyed anti-friction cast iron containing carbon, silicon, manganese, nickel, molybdenum, copper, chromium, magnesium, cerium, vanadium, titanium, barium, boron and iron, characterized in that it additionally contains zirconium and tin in the following ratio of components, wt . %: углеродcarbon 3,1-3,63.1-3.6 кремнийsilicon 2,0-2,52.0-2.5 марганецmanganese 0,3-0,70.3-0.7 никельnickel 2,0-3,6            2.0-3.6 молибденmolybdenum 1,2-2,51.2-2.5 медьcopper 0,6-1,5            0.6-1.5 хромchromium 0,02-0,06            0.02-0.06 магнийmagnesium 0,02-0,030.02-0.03 церийcerium 0,03-0,05            0.03-0.05 ванадийvanadium 0,52-1,150.52-1.15 титанtitanium 0,03-0,22            0.03-0.22 барийbarium 0,03-0,06            0.03-0.06 борboron 0,01-0,03            0.01-0.03 цирконийzirconium 0,05-0,120.05-0.12 оловоtin 0,002-0,005            0.002-0.005 железо iron остальное.rest.