Чугун

 

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности к разработке составов низколегированного чугуна, работающего в условиях интенсивного износа при повышенной температуре, применяемого для изготовления отливок седел клапанов автомобильных двигателей. Чугун модифицированный содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, медь, фосфор, серу и железо, при этом он модифицирован в ковше комплексным модификатором 0,1-0,2% графита и 0,4-0,8% ФС65Ба4 и дополнительно содержит барий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод 3,5-3,9, кремний 2,5-3,0, марганец 0,7-1,3, хром 1,2-1,5, молибден 1,2-1,5, медь 0,7-1,2, фосфор 0,3-0,6, сера до 0,1, барий 0,01-0,04, железо - остальное. Изобретение позволяет получать чугуны с оптимальным сочетанием высокой твердости и хорошей механической обрабатываемости, мелкой равномерно распределенной фосфидной эвтектики при высокой теплостойкости. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии литейного производства, в частности к разработке составов низколегированного чугуна, работающего в условиях интенсивного износа при повышенной температуре, применяемого для изготовления отливок седел клапанов автомобильных двигателей.

Известен чугун [1] следующего химсостава, маc.%: Углерод - 3-4 Кремний - 2-3 Марганец - 0,3-0,8 Хром - 0,5-2,0 Молибден - 0,5-2,0 Никель - 0,3-1,5 Фосфор - 0,2-0,5 Ванадий - 0,05-0,15 Висмут - 0,001-0,005
Сера - 0,02-0,1
Кальций - 0,01-0,03
Недостаток известного чугуна - большая склонность к отбелу из-за наличия большого количества карбидообразующих элементов: висмута, ванадия, хрома и молибдена. Модифицирование этого чугуна не устраняет первичный цементит и свободные карбиды в отливках, что приводит к получению нестабильной структуры, завышенной твердости и плохой механической обрабатываемости.

Наиболее близким к предлагаемому чугуну по технической сущности и достигаемому результату является чугун [2] следующего химсостава, мас.%:
Углерод - 3,5-3,8
Кремний - 2,5-3,0
Марганец - 0,7-1,0
Хром - 0,9-1,2
Молибден - 0,9-1,2
Медь - 0,7-1,2
Фосфор - 0,3-0,6
Сера - До 0,1
Недостатком данного чугуна является низкое содержание хрома и молибдена (таблица 1, чугуны 8, 9, 10), небольшое количество тройной фосфидной эвтектики, низкая твердость и недостаточная теплостойкость (таблица 2, чугуны 8, 9, 10).

Технической задачей данного изобретения является повышение твердости и теплостойкости.

Технический результат достигается тем, что модифицированный чугун содержит углерод, кремний, марганец, хром, молибден, медь, фосфор, серу и железо, при этом он модифицирован комплексным модификатором: 0,1-0,2% графита + 0,4-0,8% ферросиликобария (ФС65Ба4) и дополнительно содержит барий, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод - 3,5-3,9
Кремний - 2,5-3,0
Марганец - 0,7-1,3
Хром - 1,2-1,5
Молибден - 1,2-1,5
Медь - 0,7-1,2
Фосфор - 0,3-0,6
Сера - До 0,1
Барий - 0,01-0,04
Железо - Остальное
Аналогов, содержащих отличительные признаки предлагаемого технического решения, не обнаружено.

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. Металл в печи перегревали до 1520^oС и заливали отливки "седло клапана" при 1450-1410^oС. Модифицирование 0,08-0,3% графита от массы металла в ковше производили на струе металла при переливе его из печи в передаточный ковш, при температуре 1500^oС, а модифицирование 0,3-1,0% ФС65Ба4 на струе металла при переливе его из передаточного ковша в заливочный ковш при температуре 1480-1450^oС. Варианты модифицирования приведены в таблице 1.

В таблице 1 приведены химсоставы предлагаемого и известного чугунов, а также различные типы модификаторов. В таблице 2 приведено количество тройной фосфидной эвтектики, количество структурно-свободных карбидов в микроструктуре чугуна, твердость седел клапанов и критическое время выдержки седел при испытании на теплостойкость.

Микроструктуру чугуна оценивали по шлифам, вырезанным из седел клапанов, в соответствии с ГОСТ 3443-87. Теплостойкость определяли по способности сохранять свойства седел клапанов: структуру и твердость, при повышенных температурах (при 650^oС). В таблице 2 приведено критическое время выдержки, при котором начиналось изменение твердости и структуры (тройной фосфидной эвтектики).

Оптимальную твердость 40-50 HRC определяли по результатам механической обработки и испытаниям седел клапанов в составе двигателя. Твердость седел клапанов менее 40 HRC была недостаточна, т.к. приводила к повышенному износу, из-за малого количества тройной фосфидной эвтектики (чугуны 1, 6, 8, 9, 10, таблицы 2). Твердость седел клапанов более 50 HRC приводила к затрудненной механической обработке (чугуны 5 и 7, таблица 2). Как видно из таблицы 2, у известного чугуна (чугуны 8, 9, 10) из-за небольшого содержания карбидообразующих элементов Сr и Мо, отсутствия Ва (чугуны 8, 9, 10, таблицы 1), небольшого количества тройной фосфидной эвтектики седла клапанов имеют низкую твердость и малую теплостойкость.

У предлагаемого чугуна (чугуны 2, 3, 4, таблица 2) более высокая твердость из-за большого содержания Сг, Мо и тройной фосфидной эвтектики, а также более высокая теплостойкость, чем у известного.

Для подавления выделения свободных карбидов при высоком содержании карбидообразующих элементов и получения более мелко и равномерно распределенной структуры применяется более эффективный модификатор 0,1-0,2% графита + 0,4-0,8% ФС65Ба4. При этих условиях карбиды выделяются не в свободном виде, а в составе тройной фосфидной эвтектики.

При высоком углеродном эквиваленте (чугун 1, таблица 1) и низком содержании карбидообразующих элементов Сr, Мо, Мn (чугун 1, таблица 2) структура чугуна имеет небольшое количество тройной фосфидной эвтектики, низкую твердость и небольшую теплостойкость.

При низком углеродном эквиваленте (чугун 5, таблица 1) и высоком содержании карбидообразующих элементов (чугун 5, таблица 2) происходит выделение свободных крупных карбидов, которые ухудшают механическую обработку отливок.

При слишком большом количестве комплексного модификатора (чугун 6, таблица 2) происходит падение твердости из-за большой графитизации чугуна и уменьшение количества тройной фосфидной эвтектики (чугун 6, таблица 2).

При малом количестве модификатора (чугун 7, таблица 1) из-за небольшой графитизации происходит выделение свободных карбидов, твердость резко увеличивается (чугун 7, таблица 2).

Выбранные пределы содержания бария (0,01-0,04%) обеспечивают за счет эффективного графитизирующего модифицирования исключение в тонких стенках отливок из предлагаемого сплава структурно-свободного цементита и отсутствие феррита.

Самым оптимальным химсоставом предлагаемого чугуна, как по структуре и твердости, так и по теплостойкости является состав чугунов 2, 3, 4. Эти чугуны имеют оптимальное сочетание высокой твердости и хорошей механической обрабатываемости, мелкой равномерно распределенной фосфидной эвтектики при высокой теплостойкости. Приведенные в таблице 2 данные подтверждаются актом испытаний, приложенным к настоящей заявке.

Источники информации
1. Слынько Г.Н., Волчок И.П., Шерман А.Д. Авторское свидетельство СССР 1700085, МКИ С 22 С 37/08. Мелитопольский моторный завод. Заявка 4732567/02 от 03.07.89 г. Опубликовано 23.12.91 г. Бюллетень 47 от 23.12.91 г.

2. Слынько Г.И., Грабовый В.М., Волчок И.П. "Влияние фосфидной эвтектики на свойства легированного чугуна". Журнал "Металловедение и термообработка" (МИТОМ 3, 1993 г.).

Формула изобретения

Чугун модифицированный, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, медь, фосфор, серу и железо, отличающийся тем, что он модифицирован в ковше комплексным модификатором 0,1-0,2% графита и 0,4-0,8% ФС65Ба4 и дополнительно содержит барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 3,5-3,9

Кремний 2,5-3,0

Марганец 0,7-1,3

Хром 1,2-1,5

Молибден 1,2-1,5

Медь 0,7-1,2

Фосфор 0,3-0,6

Сера До 0,1

Барий 0,01-0,04

Железо Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2