RU2540008C1

RU2540008C1 - Wear-resistant cast iron

Info

Publication number: RU2540008C1
Application number: RU2014107382/02A
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Анатольевич Попов; Игорь Евгеньевич Поляков; Александр Иванович Третьяков
Priority date: 2014-02-26
Filing date: 2014-02-26
Publication date: 2015-01-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to wear-resistant cast irons for operation under conditions of dry friction and high temperature of working gas medium and can be used for production of seats of a gas distributing mechanism of automobile engines operating on natural gas. Cast iron contains the following, wt %: carbon 2.5-3.2; silicone 2.3-2.7; manganese 8.5-10.0; chrome 3.5-4.5; aluminium 4.5-5.3; vanadium 1.5-2.0; iron is the rest.

EFFECT: increasing wear resistance of cast iron at dry friction and high temperature of working medium at absence of considerable impact and bending loads due to creation of a heterogeneous structure formed with metastable austenite and a carbide network.

2 tbl

Description

Изобретение относится к черной металлургии, в частности, к износостойким чугунам для работы в условиях сухого трения.The invention relates to ferrous metallurgy, in particular, to wear-resistant cast irons for working in dry friction.

Известен износостойкий чугун [А.с. СССР №986955, С22С 37/08, 07.01.83, бюл. №1], содержащий, мас.%:Known wear-resistant cast iron [A. S. USSR No. 986955, C22C 37/08, 01/07/83, bull. No. 1] containing, wt.%:

УглеродCarbon 2,5-3,52.5-3.5 КремнийSilicon 1,5-2,21,5-2,2 МарганецManganese 1,0-1,51.0-1.5 ХромChromium 0,05-0,40.05-0.4 НикельNickel 0,01-0,50.01-0.5 ТитанTitanium 0,01-0,50.01-0.5 ВанадийVanadium 0,1-0,70.1-0.7 БорBoron 0,01-0,150.01-0.15 МедьCopper 0,1-0,30.1-0.3 ЖелезоIron остальноеrest

Недостатком известного чугуна является значительная стоимость при относительно невысоких механических показателях в условиях сухого трения.A disadvantage of the known cast iron is its considerable cost with relatively low mechanical indicators in the conditions of dry friction.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун [А.с. СССР №456035, С22С 37/00, 05.01.75, бюл. №1], содержащий, мас.%:The closest in technical essence and the achieved result to the proposed one is cast iron [A.S. USSR No. 456035, C22C 37/00, 05.01.75, bull. No. 1] containing, wt.%:

УглеродCarbon 3,0-4,03.0-4.0 КремнийSilicon 3,0-4,03.0-4.0 МарганецManganese 9,0-11,09.0-11.0 МедьCopper 0,3-0,4.0.3-0.4. АлюминийAluminum 0,15-0,250.15-0.25 МолибденMolybdenum 0,5-1,00.5-1.0 НикельNickel 0,3-0,40.3-0.4 ЖелезоIron остальноеrest

Недостатком прототипа являются - относительно невысокая износостойкость в условиях сухого трения при высокой температуре до 900°С и высокая себестоимость. При повышенной температуре более 500°С структура такого чугуна теряет прочность и под воздействием динамических нагрузок деформируется. Причиной этого является недостаточное количество упрочняющей жаропрочной фазы в структуре чугуна.The disadvantage of the prototype are relatively low wear resistance in dry friction at high temperatures up to 900 ° C and high cost. At elevated temperatures of more than 500 ° C, the structure of such cast iron loses its strength and is deformed under the influence of dynamic loads. The reason for this is the insufficient amount of hardening heat-resistant phase in the structure of cast iron.

Изобретение решает задачу увеличения ресурса деталей фрикционных пар сухого трения, работающих в высокотемпературных газовых средах с достижением технического результата - повышения износостойкости и жаропрочности чугуна. Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, алюминий марганец и железо, согласно изобретению дополнительно содержит хром и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:The invention solves the problem of increasing the resource of parts of friction dry friction pairs working in high-temperature gas environments with the achievement of a technical result - increasing the wear resistance and heat resistance of cast iron. The goal is achieved in that the cast iron containing carbon, silicon, aluminum, manganese and iron, according to the invention additionally contains chromium and vanadium in the following ratio, wt.%:

УглеродCarbon 2,5-3,22.5-3.2 КремнийSilicon 2,3-2,72.3-2.7 МарганецManganese 8,5-10,08.5-10.0 ХромChromium 3,5-4,53.5-4.5 АлюминийAluminum 4,5-5,34,5-5,3 ВанадийVanadium 1,5-2,01.5-2.0 ЖелезоIron остальноеrest

Повышение износостойкости в условиях сухого трения и высокой температуры достигается в результате создания гетерогенной структуры, образованной метастабильным аустенитом и карбидной сеткой. В процессе нагружения пар трения относительно пластичный исходный аустенит упрочняется, а карбидная сетка, армируя структуру, увеличивает ее прочность и препятствует заеданию пар трения. Аустенитная структура отличается высокой жаропрочностью, кроме того, введение хрома и увеличение количества алюминия способствуют образованию дополнительной жаропрочной фазы, обеспечивающей упрочнение структуры чугуна, эксплуатирующегося при механическом и термическом воздействии.An increase in wear resistance under conditions of dry friction and high temperature is achieved as a result of creating a heterogeneous structure formed by metastable austenite and a carbide network. During the loading of friction pairs, the relatively plastic initial austenite is hardened, and the carbide mesh, reinforcing the structure, increases its strength and prevents friction pairs from seizing. The austenitic structure is characterized by high heat resistance, in addition, the introduction of chromium and an increase in the amount of aluminum contribute to the formation of an additional heat-resistant phase, which strengthens the structure of cast iron, which is operated under mechanical and thermal stress.

При содержании углерода менее 2,5% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы и полного отсутствия свободного графита; при содержании углерода, превышающем 3,2%, в структуре образуется значительное количество свободного графита, что приводит к снижению жаропрочности и износостойкости чугуна.When the carbon content is less than 2.5%, the wear resistance of cast iron decreases due to a decrease in the amount of carbide phase and the complete absence of free graphite; when the carbon content exceeds 3.2%, a significant amount of free graphite is formed in the structure, which leads to a decrease in the heat resistance and wear resistance of cast iron.

Кремний в указанных пределах способствует выделению необходимого количества графита и улучшению механических и технологических свойств чугуна. Содержание кремния более 2,7% приводит к выделению избыточного графита, что снижает износостойкость чугуна.Silicon within the specified limits promotes the allocation of the required amount of graphite and the improvement of the mechanical and technological properties of cast iron. A silicon content of more than 2.7% leads to the release of excess graphite, which reduces the wear resistance of cast iron.

Марганец значительно понижает эвтектоидное превращение железоуглеродистых сплавов и способствует аустенизации чугунов. При содержании марганца менее 8,5% в структуре металлической основы преобладает мартенсит. При концентрации марганца 8,5-10% структура состоит преимущественно из аустенита и карбидов.Manganese significantly reduces the eutectoid conversion of iron-carbon alloys and contributes to the austenization of cast irons. With a manganese content of less than 8.5%, martensite prevails in the structure of the metal base. At a manganese concentration of 8.5-10%, the structure consists mainly of austenite and carbides.

Введение в состав чугуна хрома в количестве 3,5-4,5% обусловлено его высокой химической активностью и способностью образовывать металлические соединения, обладающие высокой жаропрочностью и износостойкостью.The introduction of chromium in the composition of chromium in an amount of 3.5-4.5% is due to its high chemical activity and the ability to form metal compounds with high heat resistance and wear resistance.

Введение в сплав хрома в указанных пределах обеспечивает формирование структуры металла, отличающейся износостойкостью и жаропрочностью при газовом воздействии.The introduction of chromium into the alloy within the specified limits ensures the formation of a metal structure that is characterized by wear resistance and heat resistance under gas exposure.

Добавление алюминия в количестве 4,5-5,3% обусловлено его высокой химической активностью и способностью образовывать металлические соединения (Al₂O₃, Al₆Mn, Al₇Cr и др.), обладающие высокой износостойкостью и жаропрочностью.The addition of aluminum in an amount of 4.5-5.3% is due to its high chemical activity and ability to form metal compounds (Al ₂ O ₃ , Al ₆ Mn, Al ₇ Cr, etc.), which have high wear resistance and heat resistance.

Добавление в состав чугуна ванадия, в указанных предела, приводит к образованию эвтектических колоний γ+VC, имеющих вид сферолитов. Они состоят из карбидного скелета, иголки которого равномерно распределены во все стороны из центра колонии. Такая структура способствует значительному повышению износостойкости чугуна при сухом трении. Повышение содержания ванадия свыше 2,0% не вызывает существенного изменения свойств.The addition of vanadium to the composition of cast iron, within the specified limits, leads to the formation of eutectic colonies γ + VC, having the form of spherulites. They consist of a carbide skeleton, the needles of which are evenly distributed in all directions from the center of the colony. This structure contributes to a significant increase in the wear resistance of cast iron during dry friction. An increase in the content of vanadium over 2.0% does not cause a significant change in properties.

Таким образом, заявляемая совокупность и концентрация легирующих элементов позволяют повысить износостойкость чугуна при сухом трении и высокой температуре газовой среды, снизить износ контртела и обеспечить спад твердости по глубине рабочего слоя.Thus, the claimed combination and concentration of alloying elements can increase the wear resistance of cast iron with dry friction and high temperature of the gas environment, reduce the wear of the counterbody and provide a decrease in hardness along the depth of the working layer.

Плавку исследуемых чугунов проводят в индукционных печах с основной футеровкой тигля. В качестве шихтовых материалов используют литейный и передельный чугуны, ферросплавы ванадия, марганца, титана, бой электродов. Металл нагревали до 1420-1450°С, а разливка производится при температуре 1380-1400°С в просушенные и прогретые песчано-глиняные формы.Smelting of the studied cast irons is carried out in induction furnaces with the main lining of the crucible. As charge materials, casting and pig iron are used, ferroalloys of vanadium, manganese, titanium, and electrodes. The metal was heated to 1420-1450 ° C, and casting is carried out at a temperature of 1380-1400 ° C in dried and heated sand-clay forms.

В таблице 1 представлены химические составы и механические свойства чугунов. При испытаниях на износостойкость в качестве эталона был принят серый чугун СЧ 20 ГОСТ 1412-85.Table 1 presents the chemical compositions and mechanical properties of cast irons. In tests for wear resistance, gray cast iron SCh 20 GOST 1412-85 was adopted as a reference.

В таблице 2 приведен химический состав и механические свойства экспериментального чугуна в сравнении с его прототипом.Table 2 shows the chemical composition and mechanical properties of experimental cast iron in comparison with its prototype.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в экономии металла, надежности и снижении эксплуатационных затрат за счет увеличения долговечности деталей, изготовленных их предложенного чугуна.The effectiveness of the proposed technical solution is to save metal, reliability and reduce operating costs by increasing the durability of parts made of their proposed cast iron.

Claims

Cast iron containing carbon, silicon, aluminum, manganese and iron, characterized in that it additionally contains chromium and vanadium in the following ratio, wt.%:
carbon 2.5-3.2 silicon 2.3-2.7 manganese 8.5-10.0 chromium 3.5-4.5 aluminum 4,5-5,3 vanadium 1.5-2.0 iron rest