SU1057570A1

SU1057570A1 - Cast iron

Info

Publication number: SU1057570A1
Application number: SU823493483A
Authority: SU
Inventors: Михаил Петрович Шебатинов; Роман Семенович Кудрявцев; Борис Павлович Платонов; Петр Петрович Сбитнев; Леонид Васильевич Филиппов
Priority date: 1982-09-24
Filing date: 1982-09-24
Publication date: 1983-11-30

Description

ел ate

елate

Изобретение относитс к металлургии , в частности к изысканию высокопрочных чугунов с включени ми графита шаровидной формы, имеющих высокие физико-механические свойства, такие как прочиость, пластичность, ударна в зкость , усталостна прочность, модуль упругости, износостойкость; и предназначенный дл лить ответственных деталей машин, работающих в услови ) динамических, циклических и контактных нагрузок, в частности дл шестерен заднего моста и коробки передач легковых и грузовых автомобилей и т.пThe invention relates to metallurgy, in particular, to the search for high-strength cast irons with inclusions of spherical graphite having high physicomechanical properties, such as strength, ductility, toughness, fatigue strength, elastic modulus, wear resistance; and intended for pouring critical parts of machines operating under conditions of dynamic, cyclic and contact loads, in particular for gears of the rear axle and gearbox of passenger cars and trucks, etc.

Известен высокопрочный чугун Q следующего состава, вес.%:Known high-strength cast iron Q of the following composition, wt.%:

Углерод3,-3,8Carbon3, -3.8

Кремний1,8-2,Silicon1.8-2,

Марганец0,7-1,2Manganese 0.7-1.2

Никель0,7-1,8 Nickel 0.7-1.8

Хром0,15-0,Chrome 0.15-0,

Молибден0,3-1,1Molybdenum0,3-1,1

Магний0,,08Magnesium0, 08

Алюминий0,1-0,3Aluminum0,1-0,3

Медь 0,2-0,5Copper 0.2-0.5

Церий0,005-0,02 Cerium0,005-0,02

ЖелезоОстальноеIronErest

Однако указанный чугун имеет сравнительно низкие прочность, ударную в зкость и износостойкость, полученные после изотермической закалки.However, said cast iron has relatively low strength, impact strength and wear resistance, obtained after isothermal quenching.

Наиболее близким к предлагаемому по(Технической сущности и достигаемому результату вл етс чугун 2 следующего химического состава, вес.%: Углерод3,0-3,8The closest to the proposed by (Technical essence and the achieved result is cast iron 2 of the following chemical composition, wt.%: Carbon 3.0-3.8

Кремний2,4-3,2Silicon2.4-3.2

Марганец0,2-0,(5Manganese 0.2-0, (5

Хром ,0,02-0,065Chromium, 0.02-0.065

Никель0,5-1,5 Nickel 0.5-1.5

Медь 1,0-1,5Copper 1.0-1.5

Магний0,02-0,08Magnesium 0.02-0.08

Кальций0,005-0,15Calcium0.005-0.15

Барий0,001-0,10Barium0.001-0.10

Редкоземельные металлы0,001-0,10Rare Earth Metals0.001-0.10

Молибден0,2-0,-5Molybdenum 0,2-0, -5

Олово 0,035-0,25Tin 0,035-0,25

ЖелезоОстальноеIronErest

К недостаткам известного чугуна следует отнести сравнительно низкие механические свойства (прочность при раст жении, ударна в зкость, относительное удлинение и т.д.) и износостойкость .The disadvantages of the known cast iron are relatively low mechanical properties (tensile strength, impact strength, elongation, etc.) and wear resistance.

Цель изоберетни - повышение механических свойств и износостойкости в закаленном состо нии.The purpose of the isobrettny is to increase the mechanical properties and wear resistance in the hardened state.

Указанна цель достигаетс тем, что чугун, содержащий углерод, кремний , марганец, хром, никель, медь, мо либден, магний и железо, дополнительно содержит титан, ванадий, лантан и церий при следующем соотношении компонентов , мас.%:This goal is achieved by the fact that cast iron containing carbon, silicon, manganese, chromium, nickel, copper, molybdenum, magnesium and iron, additionally contains titanium, vanadium, lanthanum and cerium in the following ratio, wt.%:

Углерод3,0-3,7Carbon 3.0-3.7

Кремний1,9-2,8Silicon1.9-2.8

Марганец0,01-0,15Manganese0.01-0.15

Хром0,05-0,25Chrome 0.05-0.25

Никель0,,5Nickel0, 5

Медь0,7-3,5Copper 0.7-3.5

Молибден0,2-1,2Molybdenum0,2-1,2

Магний .0,02-0,06Magnesium .0.02-0.06

Титан0,05-0,15Titan0.05-0.15

Ванадий0,1-0,35Vanadium 0.1-0.35

Лантан0,01-0,06Lanthanum 0,01-0,06

Церий0,01-0,08Cerium 0,01-0,08

ЖелезоОстальноеIronErest

Чугун в качестве примесей может содержать , мае.Z:.Cast iron as impurities may contain, mA.Z :.

Сера0,001-0,008Sulfur0.001-0.008

Фосфор0,005-0,01Phosphorus 0.005-0.01

Чугун после изотермической закалки имеет следукмцие физико-механические свойства:After isothermal hardening, cast iron has the following physical and mechanical properties:

Предел прочности 6 приStrength 6 when

раст жении, кгс/мм 140-1бО Усталостна прочность (6-) 7 кгс/мм 36-39 Относительноеstretching, kgf / mm 140-1bO Fatigue strength (6-) 7 kgf / mm 36-39 Relative

удлинение S , 4,8-6,8 Ударна в зкостьS extension, 4.8-6.8 Shock viscosity

(ан Дж/см24,0-5,0(en j / cm24.0-5.0

Твердость по Бринеллю , НВ376-420Brinell hardness, HB376-420

Износостойкость, г/м ч10-25Wear resistance, g / m h10-25

Выплавку чугуна, предлагаемого состава производ т в индукционной тигельной печи ИСТ-016, имеющей основ г ную футеровку тигл .В расплав чугуна при 1500-1520 С ввод т легирующие элементы как в чистом виде, так и в виде лигатур, а именно: медь-никель, феррованадий, ферромолибден, феррохром и ферротитан. Перед разливкой в ковш ввод т никель-магниевую лигатуру церий и лантан. Заливку в формы производ т при 1420-1380°С,The smelting of cast iron, of the proposed composition, is carried out in an IST-016 induction crucible furnace, which has the main lining of the crucibles. nickel, ferrovanadium, ferromolybdenum, ferrochrome and ferrotitanium. Before pouring, nickel-magnesium ligature of cerium and lanthanum is introduced into the ladle. Mold casting is performed at 1420-1380 ° C,

Химический состав полученных и опробованных конкретных-составов чугунов приведены в табл.1, а их физико-механические свойства как в литом состо нии, так и после изотермической закалки в табл.2. 3Термическую обработку литых образцов гроизвол т следующим образом. Оптимальна температура аустенизации с выдержкой при этой температуре 1,5 м, изотермическа закалка в сол ной ванне при с выдержкой 2ч. Рекомендуемыми следует считать составы t и 5. Предлагаемый чугун отличаетс более низким содержанием марганца, что способствует увеличению в зкости, снижению порога хладноломкости и отрицательного вли ни на бейнитное превращение при изотермической закалке . Одновременно увеличиваютс ударные нагрузки до разрушени и удар на в зкость. Содержание марганца выше приведенного интервала приводит к снижению указанных свойств за счет выделени карбидов марганца по гра ницам зерен. Снижение его содержани ниже нижнего предела недопустимо, поскольку марганец не будет оказывать свое вли ние на свойства чугуна. Легирование чугуна никелем и медью способствует повышению прочности, ударной в зкости, жмдкотекучести и из носостойкости. Особенно сильно их вли ние про вл ет себ в сочетании с молибденом после изотермической закалки , что непосредственно св зано с формированием бейнитной структуры чугуна и, как следствие, с получение высоких эксплуатационных характеристик у деталей. Введение никел и меди меньше нижнего предела практически не оказы вает вли ни на свойства чугуна. В больших, чем верхний предел количест вах не рекомендуетс , поскольку соде жание никел больше 2,5 способствует сильной графитизации, а меди свыше 3,5 приводит к ее свободному выделению , что в итоге существенно снижает твердость и износостойкость. Комплексное легирование чугуна ва надием и молибденом существенно говы шает статическую и динамическую проч ность и твердость в широком интервал температур 20-800с, ударную в зкост и износостойкость Образующиес мелкодисперсные карби ды ванади и молибдена располагаютс по телу зерна, упрочн матрицу, и не оказывают охрупчивающего вли ни после изотермической закалки. 70 не оказывает существенного вли ни на структуру и в итоге на физико-механические свойства, а большем верхнего предела резко вли ет на увеличение количества карбидов, В результате изотермическа закалка не обеспечивает следствие, служебных характеристик деталей Присадка титана необходима дл раскислени жидкого чугуна и образовани мелкодисперсных нитридов. Он способствует также изменению условий кристаллизации - увеличивает число центров кристаллизации, а следовательно , уменьшает размер зерна. В результате титан способствует повышению указанных выше свойств как при комнатной, так и при повышенных температурах 00-800°С. Необходимо отметить, что хот титан и вл етс деглобуларизирующим элементом в высокопрочном чугуне, однако замечено, что введение его совместно с ванадием не вли ет на форму шаровидных включений графита. Введение титана меньше нижнего предела недостаточно дл получени требуемых свойств жидкого чугуна, а введение же выше верхнего предела приводит к загр знению расплава неметаллическими включени ми. Уменьшение содержани углерода и кремни приводит к отбелу чугуна и, как следствие, ухудшению обрабатываемости отливок, нарушению изотермической закалки. Все это ведет к снижению долговечности деталей. Увеличение содержани .упом нутых ингредиентов выше их верхнего предела повышает не только количество, но и размер включений графита, а также нарушает однородность литой структуры, что непосредственно приводит к снижению изчосостойкости . Введение хрома менее его нижнего предела практически не оказывает вли ни на кристаллизацию расплава и, следовательно, на структуру чугунс а выше верхнего нецелесообразно, поскольку растут количество и размеры карбидов хрома, что ведет к ухудшению обрабатываемости и изменению процесса изотермической закалки. Это св зано с выделением эспчзктических карбидов хрома по границам зерен, которые привод т не только к увеличению температуры аустенизации и сол ной 51 ванны, но и нарушению требуемой струк туры, а следовательно, ухудшению заданных свойств высокопрочного чугуна. Магний ввод т в чугун в качестве модификатора дл сфероидизации включений графита, а следовательно, получени высокопрочного чугуна с высокими физико-механическими свойствами, обеспечивающими оптимальную износостойкость деталей после термической обработки. Однако по мере уменьшени остаточного , содержани магни менее нижнего предала или же увеличени выше верхнего происходит изменение формы включений графита. Снижение его ниже 0,02 в чугуне приводит к образованию определенного количества вермикул рных включений графита или пластинчатой формы. Количество включе ний графита шаровидной формы при этом составл ет 50. Это свидетельствует о том, что такое содержание Mai- ни не обеспечивает услови формировани включений графита шаровидной формы в необходимом количестве, т.е. чугун получаетс недомодифицированным . Увеличение остаточного содержани магни в чугуне больше 0,05% приводит к нарушению сфероидальной формы включений графита и выделению карбидов магни , т.е. к м тастабильному затвердеванию расплава чугуна. 8 результате наступает эффект перемодифицировани , что отрицательно вли ет на свойства чугуна. Вли ние лантана и цери з§ключаетс в том, что при кристаллизации вследствие их низкой растворимости в аустените происходит сильна ликваци между дендр итами и на границах зерен первичных фаз. Име сродство к сере и кислороду, они рафинируют чугун от их вредного вли ни , образу при этом тугоплавкие окис ы лантана и сульфиды цери с температурой плавлени 2000С. Механизм их образова ; ни заключаетс в передаче внешних трехвалентных электронов металла, наход щихс на d- и S-оболочках; сере и кислороду. При этом они приобретают заполненную внешнюю Р электронную конфигурацию. Остаточное содержание кислорода при этом достигает своего минимального значени (0,), а сера - оптимального предела. Таким образом, наблюдаемое при этом повыше70 ние свойств высокопрочного чугуна за счет ввода в магниевый чугун лантана и цери объ сн етс не только наличием включений графита шаровидной формы 95, но уменьшением концентрации при г месных элементов (S, О, РЬ и др.) за счет образовани неметаллических включений правильной округлой формы и удалени их с границ зерен и из расплава вообще. Введение лантана менее 0,01 не приводит к концентрации кислорода, при которой создаютс услови формировани структуры чугуна, обеспечивающей нижНИИ предел свойств (табл.2). Содержание остаточного лантана в чугуне выше верхнего предела приводит также к снижению свойств чугуна. Кроме св зывани серы церий при обработке магниевого чугуна еще выполн ет роль нейтрализации вредного вли ни деглобул пизирующих примесей fPbj Sb, Vi и др.. В результате происходит наиболее полное усвоение магни и достигает 80, что приводит к формированию включений графита правильной шаровидной формы . При содержании остаточного цери ниже 0,OU не только увеличиваетс расход магни , но и уменьшаетс количестно включений графита шаровидной формы. Это приводит к ухудшению основных прочностных характеристик высокопрочного чугуна, а следЬвательно, снижению эксплуатационных свойств деталей . Повышение остаточного содержани цери выше 0,08 не оказывает эффективного воздействи на свойстве чугуна . В структуре по вл ютс структурно-свободные карбиды и возрастает тенденци к флотации графита, что также приводит к ухудлению прочностных свойств чугуна и обрабатываемости отливок. Предлагаемый высокопрочный чугун в результате комплексного модифицировани лантаном и церием обладает высокими эксплуатационными свойствами после изотермической закалки. Его ме . ,. ханические свойства и износостойкость превосход т те же свойства у сталей, примен емых дл . изготовлени шестерен Использование предлагаемого чугуна увеличит ходимость автомобилей до 500 тыс. км и позволит в значительной мере экономить стальной прокат.The chemical composition of the obtained and tested concrete compositions of cast irons is given in Table 1, and their physicomechanical properties both in the cast state and after isothermal hardening in Table 2. 3 Thermal treatment of cast specimens is performed as follows. The optimum austenization temperature with an exposure at this temperature of 1.5 m, isothermal quenching in a salt bath with an exposure of 2 h. Compounds t and 5 should be considered as recommended. The proposed cast iron is characterized by a lower manganese content, which contributes to an increase in viscosity, a reduction in the cold brittleness threshold and a negative effect on bainite transformation during isothermal hardening. At the same time, shock loads increase to failure and impact on viscosity. The manganese content above the given interval leads to a decrease in these properties due to the release of manganese carbides along the grain boundaries. A reduction in its content below the lower limit is unacceptable, since manganese will not exert its influence on the properties of cast iron. The alloying of cast iron with nickel and copper contributes to an increase in strength, toughness, hardness and wear resistance. Their influence is especially strong in combination with molybdenum after isothermal quenching, which is directly related to the formation of the bainite structure of cast iron and, as a result, to obtaining high performance characteristics of the parts. The introduction of nickel and copper below the lower limit has virtually no effect on the properties of cast iron. In larger quantities than the upper limit of quantities, it is not recommended, since nickel content above 2.5 contributes to strong graphitization, and copper over 3.5 leads to its free release, which ultimately significantly reduces hardness and wear resistance. Complex alloying of cast iron with Nadium and molybdenum significantly boosts static and dynamic strength and hardness in a wide temperature range of 20–800 s, impact strength and wear resistance. The resulting fine vanadium and molybdenum carbides are located on the body of the grain, have a reinforced matrix, and do not have a brittle effect nor after isothermal hardening. 70 does not have a significant effect on the structure and ultimately on the physicomechanical properties, and a larger upper limit drastically affects the increase in the amount of carbides. As a result, isothermal hardening does not provide a consequence, the performance characteristics of the parts. Titanium addition is necessary for the deoxidation of liquid iron and the formation of fine dispersed nitrides. It also contributes to the change of crystallization conditions - increases the number of crystallization centers, and therefore, reduces the size of the grain. As a result, titanium contributes to the improvement of the above properties both at room temperature and at elevated temperatures of 00-800 ° C. It should be noted that, although titanium is a deglobulurizing element in high-strength cast iron, it is noted, however, that its introduction together with vanadium does not affect the shape of the spherical inclusions of graphite. The introduction of titanium less than the lower limit is not enough to obtain the desired properties of liquid iron, and the introduction above the upper limit leads to contamination of the melt with non-metallic inclusions. Reduction of carbon and silicon leads to chilling of cast iron and, as a result, deterioration of the workability of castings, violation of isothermal hardening. All this leads to a decrease in the durability of parts. The increase in the content of the above ingredients above their upper limit increases not only the quantity, but also the size of the inclusions of graphite, and also violates the homogeneity of the cast structure, which directly leads to a decrease in resistance to wear. The introduction of chromium less than its lower limit has practically no effect on the melt crystallization and, therefore, the structure of cast iron and above the upper one is inexpedient, since the number and size of chromium carbides increase, which leads to deterioration of workability and changes in the isothermal hardening process. This is due to the release of ESR chromium carbides along the grain boundaries, which not only leads to an increase in the austenization temperature and salt bath 51, but also to a violation of the required structure, and consequently, to a deterioration of the specified properties of high-strength cast iron. Magnesium is introduced into cast iron as a modifier for the spheroidization of graphite inclusions, and therefore, to obtain high-strength cast iron with high physicomechanical properties, which ensure optimum wear resistance of parts after heat treatment. However, as the residual content decreases, the magnesium content is less than the lower limit or the increase above the upper one, the shape of the graphite inclusions changes. Reducing it below 0.02 in cast iron leads to the formation of a certain amount of vermicular inclusions of graphite or lamellar form. The number of inclusions of spherical graphite is 50. This indicates that such Mai content does not provide the conditions for the formation of inclusions of spherical graphite in the required amount, i.e. the cast iron gets unmodified. An increase in the residual magnesium content in the iron more than 0.05% leads to a violation of the spheroidal form of graphite inclusions and the release of magnesium carbides, i.e. to the solid hardening of the molten iron. As a result, a remodification effect occurs, which negatively affects the properties of the cast iron. The effect of lanthanum and cerium is that during crystallization, due to their low solubility in austenite, there is a strong segregation between dendrites and at the grain boundaries of the primary phases. Having affinity for sulfur and oxygen, they refined cast iron from their harmful effects, thus forming refractory oxides of lanthanum and cerium sulfides with a melting point of 2000 ° C. The mechanism of their education; neither is the transfer of external trivalent electrons of a metal on the d and S shells; sulfur and oxygen. At the same time, they acquire a filled external P electronic configuration. The residual oxygen content in this case reaches its minimum value (0,), and sulfur - the optimal limit. Thus, the observed increase in the properties of high-strength cast iron due to the introduction of lanthanum and cerium into magnesium cast iron is explained not only by the presence of spheroidal 95 graphite inclusions, but also by a decrease in the concentration at gray elements (S, O, Pb, etc.) due to by forming non-metallic inclusions of a regular round shape and removing them from the grain boundaries and from the melt in general. The introduction of lanthanum less than 0.01 does not lead to the oxygen concentration at which the conditions for the formation of the cast iron structure are created, which provides the lower UT of the properties (Table 2). The content of residual lanthanum in the iron above the upper limit also leads to a decrease in the properties of the iron. In addition to the binding of sulfur to cerium in the treatment of magnesium iron, it also plays the role of neutralizing the harmful effect of deglobulating impurities fPbj Sb, Vi, and others. As a result, the most complete absorption of magnesium occurs and reaches 80, which leads to the formation of graphite inclusions of the correct spherical shape. When the content of residual cerium is below 0, OU not only increases the consumption of magnesium, but also reduces the number of spheroidal graphite inclusions. This leads to a deterioration in the basic strength characteristics of high-strength cast iron, and, consequently, a decrease in the performance properties of parts. Increasing the residual content of cerium above 0.08 does not effectively affect the properties of the iron. Structurally free carbides appear in the structure and the tendency for graphite to float increases, which also leads to a deterioration in the strength properties of cast iron and the workability of castings. The proposed high-strength cast iron as a result of complex modification with lanthanum and cerium possesses high performance properties after isothermal hardening. Its me. , The chemical properties and wear resistance are superior to those of the steels used for. manufacturing gears. The use of the proposed cast iron will increase the mileage of cars up to 500 thousand km and will significantly save steel rolling.

Твб ица 2Tvb its 2