CC BY
32
лггттгп гг гг,сгшлгп:г, //17
- 3 (35). 2005/ Ч#
Л
ИТЕИНОЁ! ПРОИЗВОДСТВО
77*ere «re given the structure and characteristics of high-phosphorous cast irons and cast irons with ball-shape graphite in the article.
М А. САЙКОВ, К В. СЕРИКОВ, РУП «Гомельский литейный завод «Центролит», е'и. ЫАРУКОВИЧ, ИТМ HAH Беларуси,
В. М. КАРПЕНКО, ГГТУим. П. О. Сухого удК 621.741669.131 7-13
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА ВЫСОКОФОСФОРИСТЫХ ЧУГУНОВ И ЧУГУНОВ С ШАРОВИДНЫМ ГРАФИТОМ
Серые высокофосфористые чугуны относятся к достаточно распространенным конструкционным материалам, применяемым для изготовления деталей цилиндропоршневой группы двигателей, тормозных устройств механизмов сцепления, фрикционных механизмов трения, металлорежущих станков, кузнечно-прессового и литейного оборудования [1—3]. Для изготовления деталей, работающих в паре с закаленными или нормализованными стальными валами, используются перлитные серые чугуны АЧС-1 и АЧС-2, содержащие, согласно ГОСТ 1585-85, от 0,15 до 0,4% Р. При изготовлении гильз цилиндров и поршневых колец из перлитного серого чугуна с пластинчатым графитом содержание фосфора повышают до 0,3—0,7%, а для деталей тормозных устройств и фрикционных механизмов трения используют износостойкие чугуны с содержанием 0,5-2,0% Р.
В настоящее время хорошо отработаны технологические процессы изготовления тонкостенных износостойких отливок из серых чугунов с содержанием от 0,05 до 0,75% Р. Муфты, втулки и гильзы, работающие в паре с термически необработанными валами, изготавливают из перлитно-ферритного чугуна АЧС-3 с содержанием до 0,4% Р, 0,2-0,5% Си, 0,03-0,1% Т1 и до 0,12% Б. Отливки не подвергаются термической обработке. Твердость отливок составляет 160—190 НВ. Для ребристых цилиндров двигателей воздушного охлаждения используются чугуны, легированные до 0,63% № и 0,65-0,75% Р [3]. Тонкостенные гильзы карбюраторных двигателей изготавливают из СЧ20 и СЧ25 как с обычным (до 0,15% Р), так и повышенным (0,17—0,3% Р) содержанием фосфора. Соотношение 31/С при содержании 0,7— 1,0% Мп обычно составляет 0,85—0,95, что обеспечивает повышенные прочностные свойства (ов = 205-300 МПа) и твердость НВ 182-250.
В табл. 1 даны физико-механические свойства и характеристики микроструктуры отливок из
модифицированных серых чугунов с широким диапазоном по массе (от 0,5 до 3000 кг) и приведенной толщине Я (от 3 до 220 мм), полученных в производственных условиях с использованием способов литья: в литейные формы из ПСС, отверждаемых феррохромовым шлаком; в оболочковые формы, изготовленные из горя-чеплакированных смесей со связующим СФ 0,15 и водоохлаждаемые кристаллизаторы по НГЛИТ-процессу.
Ударную вязкость (КСи) определяли на образцах размером 10x10x55 мм с надрезом 0,2 мм, а износостойкость — при ударно-абразивном изнашивании (по ГОСТ 23.207-79) с использованием в качестве абразивного материала карбида кремния черного с размером зерна 0,88 мм. Прочность ав определяли на цилиндрических образцах диаметром 6 мм с десятикратной длиной, а микроструктуру — на модернизированном металлографическом микроскопе МИМ-7 с телекамерой и выводом изображения на монитор компьютера и соответствующей обработки в соответствии с требованием ГОСТ 3443-87. Для лабораторных исследований тонкостенных отливок /?=15—25 мм ответственного назначения использовали чугун состава, мас.%: С — 3,0-3,3; — 2,3-8,7; Мп - 0,5-0,7; Р - до 0,3; железо и технфлогические примеси — остальное при = = 0,85-0,96 и 81/С от 0,7 до 0,9. В производственных условиях использовали чугун с более высоким содержанием С и и с более низкими концентрациями Р и Мп. В чугунах содержались также другие микролегирующие добавки (Си, А1, Т{, Се, Са и др.) и примеси (табл. 2).
Структура половинчатого чугуна (ледебурит, перлит, фосфидные и графитные включения) возникает в чугунах с 0,15—0,25% Р при оболочковом литье при увеличении концентрации марганца от 0,3-0,5 до 0,7-1,1% и снижении содержания кремния до 1,3—2,3%.
//¡ГПТгб ГГ ГЛ<Т17Л/17Г ПТЯ
40 / 3 (35), 2005 -
Таблица 1. Физико-механические свойства отливок из серых чугунов
Способ литья Класс точности отливок по ГОСТ 26645-85 (KT) Диапазон отливок по массе (в кг) и приведенной толщине (R), мм Степень эвтек-тично-сти чугуна S3 Легирующие и модифицирующие компоненты, мас.% Микроструктура чугуна в отливках Плотность чугуна Р> г/см3 Механические свойства Средний износ иср, мг/гс
Si Мп Сг Другие элементы <Ув, МПа НВ KCU, Д ж/см2
Литье в формы ПСС КТ9-10 КТ10 1001500 R=30-220 0,6-0,9 1,62,5 0,41,5 0,051,30 Ni - 0,031,2; Р-0,1-1,1; Cu, Са, S, Al, Се, N -0,03-1,5 ПД1Д; ПД1,4; П45(Ф55); ПГ90; ПГд 150 ПГф1;ПГф2; ФЭ1; ФЭП6000; ФЭр2; ФЭд400 6,8-7,1 180310 140229 2,1-8,0 510850
Точное оболочковое литье КТ6, КТ7, КТ8 0,5-18 Д=3-30 0,750,95 1,82,9 0,30,7 0,030,5 Си-0,02- 0,35; Р - 0,020,13; Ni, Ti, Al, N, Са, Ce -0,05-0,7 ПД05; ПД1,0; П85(Ф15); ПГд45; ПГф2; ФЭ1; ФЭд2000; ФЭр2; ФЭд250 6,9-7,1 240360 163231 9,0-15 280430
нглит -процесс КТ7, КТ8 30-3000 Д=6-170 0,75-1,0 2,33,8 0,41,5 0,011,2 P-0,03-0,5; Cu-0,02- 0,5; Ni, Ti, Al, N, Са, P3M -0,1-0,7 ПД0,3; ПД0,5; П92 (Ф8); ПГф1; ПГд25; ФЭ2; ФЭр1; ФЭпбООО 7,27,35 255370 182269 11-16 212330
Таблица 2. Структура и свойства отливок из серых износостойких чугунов
Толщина отливки Rnp мм Содержание, мас.% Структура чугуна в отливках Механические свойства Средний износ, мг/гс Марка чугуна
С Si Р ов, МПа НВ
30-50 3,1-3,3 2,5-2,7 0,07-0,09 П96 (04); ПГ4; ПГф2; ПГД 45; ФЭ2; ФЭП 13000 207-215 217-221 630-690 СЧ20
50-90 2,8-3,1 2,1-2,3 0,13-0,15 П92 (08); ПГ4; ПГ6; ПГф2;ФЭ2; ФЭР2; ФЭП2000 188-205 182-212 671-712 СЧ15 СЧ20
120-170 2,7-3,1 1,9-2,1 0,22-0,35 П85 (015); ПГ4; ШГф2; ФЭ2; ФЭР1 170-189 169-195 542-570 СЧ15
В массивных отливках с R > 50 мм соотно-
пр.
шение Si/C снижают до 0,70—0,85. Однако без дополнительного легирования такие отливки обладают низкими характеристиками прочности, твердости и износостойкости даже при высоком содержании перлита (85—96%) и низком содержании феррита (4-15%).
При изготовлении массивных отливок из высокофосфористых чугунов необходимой и эффективной технологической операцией является присадка модификаторов в количестве 0,02—0,15% от массы выплавляемого чугуна. Эффективными мо-
дифицирующими элементами являются Т1, А1, В и БЬ. Фосфидная эвтектика в немодифицирован-ных чугунах располагается неравномерно и преимущественно по границам в виде замкнутой сетки, а при модифицировании Ре—81—Р—С-сплава 0,08—0,12% Се или других РЗМ цериевок группы даже в массивных отливках с Яар = 50170 мм отмечается повышение дисперсности металлической основы (с Пд1,4-Пд2,0 до Пд0,5-Пд1,0) фосфидной эвтектики и других структурных составляющих. На рис. 1 показано влияние фосфора на твердость НВ и ударную вязкост!
/;гГТТгГ:ГГ гсотштгта
- 3 (35), 2005
КСи модифицированных 0,08—0,12% Се чугунов с = 0,75-0,80 в отливках с
**
=120—170 мм. Установлено влияние
ряда микролегирующих элементов на твердость фосфидной эвтектики. При микролегировании чугуна, содержащего 0,3-0,5 % Мп, 0,07-0,1% Сг, 0,28-0,3 %Р, 3,1-3,3% С и 2,4-2,7% & и до 0,1% 5 ванадием в количестве 0,40,75% отмечено не только повышение твердости металлической основы отливок, но и непосредственно фосфидной эвтектики от 510-550 до 680-920 НУ (рис. 2). На рис. 3 показан средний износ образцов в условиях ударно-абразивного изнашивания из немодифицированного фосфористого чугуна с 0,28-0,3% Р (кривая 7), модифицированного 0,08— 0,12% Се чугуна с таким же содержанием фосфора (кривая 2) и микролегированного фосфористого чугуна, содержащего 0,15% У, 0,03-0,05% В, 0,12-0,17% Сг и 0,08-0,1% Се (кривая 3) при разной
С переходом от ваграночной плавки чугуна на индукционную температура расплавленного металла повысилась до 1470—1500°С, что позволило более эффективно использовать для микролегирования карбидо- и нитри-дообразующие компоненты (Мп, Сг, У, В, Се и др.), но это привело к увеличению угара и безвозвратных потерь графитизирующих компонентов (81, Т1, А1 и др.). С учетом требований действующих ГОСТ и ТУ с целью увеличения чистоты металла по неметаллическим включениям без усадочных дефектов со стабильными механическими свойствами и снижения угара и безвозвратных потерь принято четкое разграничение количества основного и микролегирующих компонентов в чугунах. Микроструктуру отливок оценивали по ГОСТ 3443-87 с помощью микроскопа МИМ-7М, износостойкость сплавов определяли при Ударно-абразивном изнашивании в соответствии с ГОСТ 23.2077-79. В качестве абразивного материала использовали карбид кремния черный с размером зерна 0,63 мм. Продолжительность испытаний — 90 гс. Для оценки механических свойств исследованных чугунов определяли ав на образцах диаметром 6 мм с 10-кратной рабочей длиной (по ГОСТ 1497-84) и КСи на образцах размером 10x10x55 мм без надреза.
НВ 260 240 220 200 180 160
НВ
кси
/49
ксу,,
Дж/см" 18
15 12 9 6
0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,8 Р,%
Рис. 1. Влияние фосфора на твердость (НВ) и ударную вязкость (КСи) чугунов с = 0,75, модифицированных 0,08 — 0,12% Се
НУ
0 0,15 0,3 0,45 0,6 0,75 0,9 V, %
Рис. 2. Влияние ванадия на твердость фосфидной эвтектики фосфористого чугуна (0,28% Р; 0,3-0,5% Мп и 0,07-0,1% Сг)
иср,
мг/гс
450
300
1
3
0,65 0,7 0,75 0,8
Степень эвтектичности чугуна 5Э
0,85
Рис. 3. Средний износ в условиях ударно-абразивного изнашивания фосфористых (0,28-0,3% Р) чугунов, содержащих 0,3-0,7% Мп и до 0,006% 8: 1 — немодифицированный; 2 — модифицированный 0,08— 0,12% Се; 3 — модифицированный 0,08—0,12% Се и микролегированный 0,12-0,17% Сг, 0,15% V и 0,03-0,04% В
г? штшртуя
I 3 (35). 2005 -
Для повышения твердости и износостойкости средних и крупных по развесу деталей дтя металлорежущих станков и электроаппаратуры из серого ч\т\на марки СЧЗО применяли ковшовое микролегирование V (0,12—0.5%), В (0,02—0,03%) и N (0,1—0,3%) лигату рами на основе V и Сг и комплексные лигатуры с добавками нитридов и боридов РЗМ на основе №. V и Си. Последние лигатуры позволили получить низколегированные чугуны для изготовления трубных заготовок и цилиндрических мелющих тел, работающих в коррозионно-абразивных средах при ударном на-гружении. Микротвердость чугу на с содержанием боридов РЗМ от 0,05 до 0.2 "и от 0,3 до 0,1% составляет 5180-5920 МПа, а износ цилиндровых вту лок при скорости гидроабразивных цульп до 3.5 м/с составляет 7,6—51 мг/(смА-ч).
В массивных отливках из высоко(|юсс|юристых чугунов с содержанием 0,3-0,9% Р высокие характеристики предела выносливости при изгибе.
твердости HB и кавитационно-временной стойкости позволяют получить такие микролегирующие элементы, как Ni, Mo, В, Си и Sn. Использование комплексной лигатуры [4], содержащей 22— 27% В, 12-15% Си, 6-11% Sn, 10-15% CrN, 712% VN, 6-8% AI, 5-10% P и железо -остальное в количестве 0,6-0,8% от массы расплавленного металла, позволит повысить предел прочности он£ 120-165 МПа и коррозионную усталость - на 90-110 МПа. Твердость в отливках диаметром 30—50 мм составит 282-320 HB.
Литература
1. Карпенко М.И., Марукович Е.И. Износостойкие отливки. Ми.: Наука и техника, 1984.
2. Бобров Ю.Г. Легированные чугуны. М.: Металлургия, 1976.
3. Конструкционные материалы: Справ. / I».II.Арзамасом, В.А.Брострен, Н.А.Буше и др. М.: Машиностроение, 1990.
4. Лигатура: A.c. 1488342. СССР: Кл. 022С 35/00.
