RU2147045C1

RU2147045C1 - Mottled iron

Info

Publication number: RU2147045C1
Application number: RU99105017A
Authority: RU
Inventors: Г.И. Сильман; Л.Г. Серпик; В.В. Камынин
Original assignee: Брянская государственная инженерно-технологическая академия
Priority date: 1999-03-10
Filing date: 1999-03-10
Publication date: 2000-03-27

Abstract

FIELD: machine building, more particularly components for highly loaded friction units. SUBSTANCE: iron comprises, wt %: carbon 3.54-4.39; silicon, 2.97- 4.03; manganese, 6.3-9.8; chromium, 0.73-1.59; vanadium, 1.32-3.25; copper, 1.64-3.16 aluminium, 0.04-0.28; magnesium, 0.03-0.006; calcium, 0.006-0.003; rare earth metals, 0.01-0.04; and the iron balance. EFFECT: increased strength, wear resistance and improved antifriction properties especially at high loads. 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к половинчатым чугунам, обладающим повышенными антифрикционными свойствами, износостойкостью и прочностью. The invention relates to the field of metallurgy, in particular to half cast irons having high antifriction properties, wear resistance and strength.

Известен половинчатый антифрикционный чугун АЧС-5 [1], содержащий, мас. %:
Углерод - 3,5 - 4,3
Кремний - 2,5 - 3,5
Марганец - 7,5 - 12,5
Алюминий - 0,4 - 0,8
Железо - Остальное
Чугун имеет аустенитно-карбидно-графитную структуру, наклепывается в процессе работы и используется в особо нагруженных узлах трения. К недостаткам этого чугуна относятся невысокие прочностные свойства и ударная вязкость при недостаточно низком коэффициенте трения в условиях работы без смазки.Known half antifriction cast iron ASF-5 [1], containing, by weight. %:
Carbon - 3.5 - 4.3
Silicon - 2.5 - 3.5
Manganese - 7.5 - 12.5
Aluminum - 0.4 - 0.8
Iron - Else
Cast iron has an austenitic-carbide-graphite structure, is riveted during operation and is used in especially loaded friction units. The disadvantages of this cast iron are its low strength properties and impact strength with a low coefficient of friction in conditions without lubrication.

Наиболее близким к предлагаемому является половинчатый чугун [2], содержащий, мас.%:
Углерод - 3,0 - 4,2
Кремний - 2,4 - 3,3
Марганец - 0,3 - 1,5
Хром - 1,2 - 2,6
Ванадий - 0,1 - 0,8
Медь - 0,4 - 2,3
Титан - 0,05 - 0,2
Алюминий - 0,4 - 0,8
Магний - 0,002 - 0,05
Кальций - 0,005 - 0,05
РЗМ - 0,005 - 0,06
Железо - Остальное
Чугун отличается высокими и стабильными значениями прочности при повышенной износостойкости и невысоком коэффициенте трения. Однако в особо тяжелых условиях при больших удельных нагрузках износостойкость чугуна резко снижается; чрезмерно большим остается в этом случае коэффициент трения.Closest to the proposed is half cast iron [2], containing, wt.%:
Carbon - 3.0 - 4.2
Silicon - 2.4 - 3.3
Manganese - 0.3 - 1.5
Chrome - 1.2 - 2.6
Vanadium - 0.1 - 0.8
Copper - 0.4 - 2.3
Titanium - 0.05 - 0.2
Aluminum - 0.4 - 0.8
Magnesium - 0.002 - 0.05
Calcium - 0.005 - 0.05
REM - 0.005 - 0.06
Iron - Else
Cast iron is characterized by high and stable strength values with increased wear resistance and a low coefficient of friction. However, under especially severe conditions at high specific loads, the wear resistance of cast iron decreases sharply; the friction coefficient remains excessively large in this case.

Задача изобретения - создание композитной структуры чугуна с основой, упрочняющейся в процессе трения при повышенных нагрузках. The objective of the invention is the creation of a composite structure of cast iron with a base, hardened in the process of friction at high loads.

Технический результат - повышение прочности, износостойкости и снижение коэффициента трения в особо тяжелых условиях работы трущихся деталей (при больших удельных нагрузках). The technical result is an increase in strength, wear resistance and a decrease in the coefficient of friction under especially severe conditions of work of rubbing parts (at high specific loads).

Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, медь, алюминий, магний, кальций и РЗМ, содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 3,54 - 4,39
Кремний - 2,97 - 4,03
Марганец - 6,3 - 9,8
Хром - 0,73 - 1,59
Ванадий - 1,32 - 3,25
Медь - 1,64 - 3,16
Алюминий - 0,04 - 0,28
Магний - 0,03 - 0,06
Кальций - 0,006 - 0,03
РЗМ - 0,01 - 0,04
Железо - Остальное
В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,02%) и фосфор (до 0,1%).This is achieved by the fact that cast iron containing carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, copper, aluminum, magnesium, calcium and rare-earth metals, contains components in the following ratio, wt.%:
Carbon - 3.54 - 4.39
Silicon - 2.97 - 4.03
Manganese - 6.3 - 9.8
Chrome - 0.73 - 1.59
Vanadium - 1.32 - 3.25
Copper - 1.64 - 3.16
Aluminum - 0.04 - 0.28
Magnesium - 0.03 - 0.06
Calcium - 0.006 - 0.03
REM - 0.01 - 0.04
Iron - Else
Sulfur (up to 0.02%) and phosphorus (up to 0.1%) may be present as impurities in cast iron.

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений. The composition of cast iron is selected based on the following considerations.

Резко увеличено содержание марганца в чугуне с целью получения аустенитной основы в его структуре. Аустенитная структура легко наклепывается в процессе работы узла трения, особенно при повышенных нагрузках, что приводит к сохранению композитной структуры на поверхности трения, повышению износостойкости чугуна и снижению коэффициента трения. При содержании марганца менее 6,3% количество аустенита в структуре чугуна уменьшается, появляется мартенситно-трооститная структура, что приводит к повышению твердости и ухудшению антифрикционных свойств чугуна. При содержании марганца 9,8% чугун имеет полностью аустенитную структуру матрицы даже в толстостенных отливках и более высокое содержание марганца приводит только к повышению устойчивости аустенита, уменьшая его способность наклепываться при нагружении. The manganese content in cast iron has been sharply increased in order to obtain an austenitic base in its structure. The austenitic structure is easily riveted during the operation of the friction unit, especially at high loads, which leads to the preservation of the composite structure on the friction surface, increase the wear resistance of cast iron and reduce the coefficient of friction. When the manganese content is less than 6.3%, the amount of austenite in the structure of cast iron decreases, a martensitic-troostite structure appears, which leads to an increase in hardness and deterioration of the antifriction properties of cast iron. With a manganese content of 9.8%, cast iron has a fully austenitic matrix structure even in thick-walled castings and a higher manganese content only leads to an increase in the stability of austenite, reducing its ability to rivet under loading.

Содержание ванадия в чугуне увеличено с целью получения в его структуре эвтектики на основе карбидов ванадия. Такая эвтектика обеспечивает формирование композитной аустенитно-карбидно-графитной структуры как по всему объему изделия, так и на поверхности трения. При содержании ванадия менее 1,32% образуется значительное количество сложной эвтектики на основе карбидов М₇C₃ (типа Cr₇C₃) и легированного цементита, что нарушает композитный характер структуры и ухудшает свойства чугуна. Содержание ванадия более 3,25% не влияет на композитный характер структуры, но приводит к уменьшению количества графита, ухудшая антифрикционные свойства чугуна.The vanadium content in cast iron is increased in order to obtain in its structure a eutectic based on vanadium carbides. Such a eutectic provides the formation of a composite austenitic-carbide-graphite structure both over the entire volume of the product and on the friction surface. When the vanadium content is less than 1.32%, a significant amount of complex eutectic is formed on the basis of M ₇ C ₃ carbides (Cr ₇ C _{3 type} ) and doped cementite, which violates the composite nature of the structure and affects the properties of cast iron. A vanadium content of more than 3.25% does not affect the composite nature of the structure, but leads to a decrease in the amount of graphite, worsening the antifriction properties of cast iron.

В связи с увеличением количества марганца и ванадия, являющихся карбидообразующими и отбеливающими элементами (способствующими образованию структуры белого чугуна), в составе чугуна увеличено и содержание кремния как по нижнему (2,97%), так и по верхнему (4,03%) пределу. При содержании кремния меньше 2,97% усиливается склонность чугуна к отбелу, что проявляется в повышении твердости, снижении прочности и ухудшении антифрикционных свойств чугуна. При содержании более 4,03% кремний снижает механические свойства чугуна и его износостойкость. Due to the increase in the amount of manganese and vanadium, which are carbide-forming and bleaching elements (contributing to the formation of white cast iron structure), the composition of cast iron also increases the silicon content both in the lower (2.97%) and upper (4.03%) limits . When the silicon content is less than 2.97%, the tendency of cast iron to bleach is enhanced, which manifests itself in an increase in hardness, a decrease in strength, and a deterioration in the antifriction properties of cast iron. With a content of more than 4.03%, silicon reduces the mechanical properties of cast iron and its wear resistance.

Остальные компоненты содержатся в чугуне в пределах, аналогичных прототипу, и их влияние не отличается от изложенного в описании прототипа. The remaining components are contained in cast iron to the extent similar to the prototype, and their effect does not differ from that described in the description of the prototype.

Чугун выплавляли в индукционной тигельной печи ИСТ-0.06 с основной хромомагнезитовой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, передельного чугуна, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома, феррованадия), электродного боя, отходов электротехнической меди и алюминия. Алюминий и медь использовались частично и в составе комплексного модификатора совместно с лигатурой Fe-Si-Mg-Ca-РЗМ и добавками РЗМ в виде ферроцерия. Cast iron was smelted in the IST-0.06 induction crucible furnace with the main chromomagnesite lining on the charge, consisting of carbon steel waste, pig iron, ferroalloys (ferrosilicon, ferromanganese, ferrochrome, ferrovanadium), electrode breakdown, waste electrical copper and aluminum. Aluminum and copper were used partially and as part of a complex modifier together with the Fe-Si-Mg-Ca-REM alloy and rare-earth metals in the form of ferrocerium.

Модифицирование чугуна проводили в разливочном ковше емкостью 50 кг методом сандвич-процесса, пригружая модифицирующую смесь отходами меди. Температура модифицируемого металла составляла 1450-1480^oC.Modification of cast iron was carried out in a casting ladle with a capacity of 50 kg by the sandwich process, loading the modifying mixture with copper waste. The temperature of the modified metal was 1450-1480 ^o C.

Жидкий чугун разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали стандартные разрывные образцы диаметром 10 мм (типа образцов для ковкого чугуна) и пластины сечением 15х15 мм. Из последних изготавливали образцы для проведения испытаний на износ и металлографического анализа. Литые образцы и пластины подвергали термической обработке, состоящей из отжига для частичной графитизации карбидов (950^oC, 2 часа), закалки на воздухе и отпуска для снятия напряжений (180^oC, 1 час).Liquid cast iron was poured into dry sand and clay forms. Standard discontinuous samples were cast with a diameter of 10 mm (such as samples for ductile iron) and plates with a cross section of 15x15 mm. Of the latter, samples were prepared for wear tests and metallographic analysis. Cast samples and plates were subjected to heat treatment, consisting of annealing for partial graphitization of carbides (950 ^o C, 2 hours), quenching in air and tempering to relieve stresses (180 ^o C, 1 hour).

Испытания на износ проводили на модернизированной машине МИ-1М в условиях сухого трения (без смазки) по схеме "вращающийся диск - неподвижная колодка". Диск контртела диаметром 50 мм изготавливали из стали 45, термообработанной на HRC_э46. Испытания проводили при частоте вращения диска 250 об/мин с удельными нагрузками 1,5 и 20 МПа. Износ определяли по потери массы образца в процессе изнашивания (на 1 см² поверхности трения при пути трения 1 км). Параллельно определяли коэффициент трения.Wear tests were carried out on a modernized MI-1M machine in dry friction conditions (without lubrication) according to the "rotating disk - stationary block" scheme. A counterbody disk with a diameter of 50 mm was made of steel 45 heat-treated with HRC _e 46. Tests were performed at a disk rotation frequency of 250 rpm with specific loads of 1.5 and 20 MPa. Depreciation was determined by the weight loss of the sample during the wear process (per 1 cm ^{2 of} the friction surface with a friction path of 1 km). In parallel, the coefficient of friction was determined.

Химические составы чугунов и результаты их испытаний приведены в табл. 1 и 2 в сопоставлении с известным чугуном (прототипом). The chemical compositions of cast irons and the results of their tests are given in table. 1 and 2 in comparison with the known cast iron (prototype).

Видно, что чугун предлагаемого состава отличается от известного более высокими прочностными свойствами и износостойкостью при пониженном коэффициенте трения. Особенно преимущества предлагаемого чугуна видны при сухом трении в условиях больших нагрузок (например, при P=20 МПа). It is seen that the cast iron of the proposed composition differs from the known higher strength properties and wear resistance with a reduced coefficient of friction. Especially the advantages of the proposed cast iron are visible under dry friction under heavy loads (for example, at P = 20 MPa).

При выходе за предлагаемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 6 и 7) существенно ухудшаются его свойства: у чугуна состава 6 - прочность и коэффициент трения, у чугуна состава 7 - износостойкость и коэффициент трения. When the content of components in cast iron (alloys 6 and 7) is exceeded, its properties significantly worsen: in cast iron of composition 6, strength and friction coefficient, in cast iron of composition 7, wear resistance and friction coefficient.

Источники информации
1. Антифрикционный чугун. ГОСТ 1585-85.Sources of information
1. Anti-friction cast iron. GOST 1585-85.

2. Патент СССР N 1746888, кл. C 22 C 37/06, 1992. 2. USSR patent N 1746888, cl. C 22 C 37/06, 1992.

Claims

Cast iron containing carbon, silicon, manganese, chromium, vanadium, copper, aluminum, magnesium, calcium and rare-earth metals, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
Carbon - 3.54 - 4.39
Silicon - 2.97 - 4.03
Manganese - 6.3 - 9.8
Chrome - 0.73 - 1.59
Vanadium - 1.32 - 3.25
Copper - 1.64 - 3.16
Aluminum - 0.04 - 0.28
Magnesium - 0.03 - 0.06
Calcium - 0.006 - 0.03
REM - 0.01 - 0.04
Iron - Else