высокоалюминиевый чугун

Формула изобретения

Высокоалюминиевый чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, алюминий, медь, никель, железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, цирконий, ниобий, бор, кальций, магний и редкоземельные металлы (РЗМ) при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод - 1,6 - 2,5

Кремний - 0,5 - 1,5

Марганец - 0,2 - 0,8

Фосфор - 0,04 - 0,1

Сера - 0,01 - 0,03

Титан - 0,005 - 0,12

Алюминий - 19 - 24

Медь - 0,1 - 3,0

Никель - 0,05 - 1,0

Цирконий - 0,01 - 0,2

Ниобий - 0,003 - 0,05

Бор - 0,003 - 0,01

Кальций - 0,05 - 0,5

Магний - 0,01 - 0,07

РЗМ - 0,012 - 0,2

Железо - Остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности, к износостойким, жаростойким, коррозионностойким и антифрикционным чугунам для использования в автомобильной, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности при получении облегченных, в том числе тонкостенных, фасонных отливок специального и общего назначения.

Известен высокоалюминиевый чугун ЧЮ30, содержащий мас. %: 29-31 Al, 1,0-1,2 C, 0-0,5 Si, 0,7 Mn, 0,04 P, 0,08 S, 0,05-012 Ti, ост. Fe [1], который при минимальном для чугунов удельном весе отличается высокой жаростойкостью и износостойкостью при высоких температурах. Однако из-за наличия в структуре этого чугуна карбидов алюминия Al₄C₃ детали из него склонны с саморазрушению при нормальной температуре во влажной среде.

Известен также чугун ЧЮ22Ш, содержащий (мас.%): 19-25 Al, 1,6-2,5 C, 1,0-2,0 Si, 0,8 Mn, 0,2 P, 0,03 S, <1,0 Ni, <1,5 Cu, ост. Fe [1].

Однако структура и свойства этого чугуна в значительной степени зависят от скорости охлаждения отливок. В частности, при высоких скоростях охлаждения (при получении тонкостенных отливок, литье в кокиль) в структуре чугуна появляются карбиды алюминия (Fe₃AlC_x и Al₄C₃), что приводит к увеличению твердости и ухудшению обрабатываемости чугуна, его охрупчиванию и саморазрушению, снижению парамагнитности. Кроме того, этот чугун имеет недостаточно высокие прочностные свойства.

Задачей изобретения является увеличение срока службы деталей их этого чугуна за счет предотвращения его охрупчивания или саморазрушения, повышение прочностных свойств, износостойкости и антифрикционных свойств чугуна. Это достигается тем, что известный чугун дополнительно содержит: титан, цирконий, ниобий, бор, кальций, магний, РЗМ при следующем соотношении компонентов (мас.%):

C - 1,6 - 2,5

Si - 0,5 - 1,5

Mn - 0,2 - 0,8

P - 0,04 - 0,1

S - 0,01 - 0,03

Cu - 0,1 - 3,0

Ti - 0,005 - 0,12

Al - 19 - 24

Zi - 0,01 - 0,2

Ni - 0,05 - 1,0

Nb - 0,003 - 0,05

B - 0,003 - 0,01

Ca - 0,05 - 0,5

Mg - 0,01 - 0,07

РЗМ - 0,012 - 0,2

Fe - Остальное

Титан и цирконий раскисляют расплав, уменьшают насыщенность чугуна водородом, образуют карбиды, снижая возможность образования карбида Al₄C₃, способствуют повышению прочности и твердости чугуна.

Бор, образуя мелкодисперсные карбиды, а ниобий - мелкодисперсные карбонитриды, повышают износостойкость и жаростойкость чугуна. Медь, содержание которой увеличено до 3%, выпотевая на поверхностях трения и образуя с продуктами разрушения графита своеобразную смазку, способствует повышению антифрикционных свойств чугуна.

РЗМ, магний и никель попадают в чугун в составе сфероидизирующих модификаторов; РЗМ и магний раскисляют расплав и сфероидизируют включения графита, никель повышает однородность структуры чугуна в отливках. Кальций раскисляет чугун, способствует улучшению шаровидной формы графита; при введении кальция более 0,5% ухудшается его усвоение жидким чугуном, что способствует образованию неметаллических включений в чугуне.

Указанные верхние значения содержаний титана - 0,12%, циркония - 0,2%, бора - 0,01% и ниобия - 0,05% являются предельными, выше которых указанные элементы приводят к резкому снижению графитизирующей способности чугуна, охрупчиванию, повышению твердости и снижению обрабатываемости. Указанные нижние значения содержания элементов титана - 0,005%, циркония - 0,01%, ниобия - 0,003%, бора - 0,003% являются предельными, так как при более низких значениях их положительное влияние не проявляется.

При содержании меди более 3% снижаются механические свойства чугуна, а эффект повышения антифрикционных свойств усиливается незначительно, кроме того увеличивается удельный вес чугуна; введение меди в чугун менее 0,1% практически не оказывает влияния на повышение антифрикционных свойств.

Наиболее существенным является содержание в чугуне титана, циркиния, ниобия, бора, которые обеспечивают увеличение прочностных свойств и износостойкости, что позволяет одновременно увеличить и содержание меди до 3% и улучшить антифрикционные свойства чугуна. Примеры конкретного выполнения изобретения приведены в таблице 1. Структура и свойства чугунов приведены в таблице 2.

Сравнительная оценка износостойкости проводилась в соответствии с ГОСТ 23.208-79 в абразивной среде (электрокорунд) в условиях трения образцов d=30 мм и h=10 - 15 мм по пластине-эталону из Ст 45. По потере массы рассчитывался коэффициент износостойкости.

Таким образом из таблицы 2 видно, что в результате реализации предмета изобретения получены:

1. Высокоалюминиевый чугун для тонкостенных облегченных фасонных отливок, в структуре которого за счет введения циркония, ниобия и меди отсутствуют карбиды Fe₃AlC_x и Al₄C₃ при различных толщинах стенки отливки, что обеспечивает увеличение прочности и улучшение обрабатываемости (чугун 1);

2. Высокоалюминиевый чугун, в котором за счет введения циркония, бора, титана и ниобия обеспечивается повышенная износостойкость при отсутствии в структуре карбида Al₄C₃, что исключает опасность саморазрушения отливок с различными толщинами стенок и увеличивается срок их службы (чугун 2);

3. Высокоалюминиевый чугун, в котором благодаря введению меди и повышению графитизирующей способности за счет повышения содержания углерода обеспечивается повышение антифрикционных свойств. При этом в структуре чугуна отсутствует карбид Al₄C₃, что исключает опасность саморазрушения отливок с различными толщинами стенок (чугун 3);

4. Высокоалюминиевый чугун, в котором за счет введения на верхнем уровне алюминия, редкоземельных металлов, титана и кальция обеспечиваются механические свойства и износостойкость на уровне, превышающем уровень прототипа (чугун 4).

Список литературы.

1. ГОСТ 7769-82. Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Госкомитет СССР по стандартам. М., 1987.