Чавун для поршневих кілець

Чавун для поршневих кілець, що містить вуглець, кремній, марганець і залізо, який відрізняється тим, що містить компоненти при наступному співвідношенні, у мас % вуглець 3,60-4,10, кремній 2,40-3,60, марганець 0,55 - 0,68, залізо решта, при цьому електронний еквівалент ХІМІЧНОГО складу для поршневих кілець складає 1,448 -1,483 Винахід відноситься до металургії чорних металів Він визначає склад чавуну, що застосовується для виробництва поршневих кілець двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), які експлуатуються у специфічних умовах У зв'язку з розвитком автомобільного машинобудування, що супроводжується збільшенням потужності ДВЗ, вникла потреба в економічних матеріалах, для виготовлення поршневих кілець, що володіють необхідними технологічними й експлуатаційними властивостями В даний час, у якості основного матеріалу для виготовлення поршневих кілець різноманітного призначення (компресійних, маслознімних і ш) використовують чавуни різноманітного складу, що забезпечують найбільш оптимальне сполучення фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей Чавуни, що використовуються у виробництві поршневих кілець, містять, як правило, значну КІЛЬКІСТЬ дорогих і дефіцитних легуючих елементів, що здорожує виробництво, знижує його техніко-економічні показники і конкурентоспроможність цього виду проду кції У цьому зв'язку, розробка економічного складу чавуну для виробництва поршневих кілець ДВЗ, із використанням оптимальної КІЛЬКОСТІ недорогих і недефіцитних легуючих елементів, що забезпечує найбільше оптимальне сполучення фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних властивостей є актуальною задачею в сучасних умовах ВІДОМІ чавуни для поршневих кілець, що містять вуглець, марганець, кремній і залізо, які для забезпечення оптимального сполучення фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних властивостей обов'язково містять значну КІЛЬКІСТЬ таких компонентів як хром, мідь, титан, молібден ванадій, вольфрам нікель і ш [1 Авторское свидетельство 1650751 СССР МКИ5 С22С 37/10 Заявлено 12 01 89 Опубликовано 23 05 91, 2 Авторское свидетельство 1576590 СССР МКИ5 С22С 37/10, С21С37/08 Заявлено 20 04 87 Опубликовано Для служебного пользования, 3 Авторское свидетельство 847702 СССР МКИ3 С22С 37/10 Заявлено 23 04 79 Для служебного пользования, О о 49109 4 Авторское свидетельство 1205566 СССР МКИ С22С 37/10 Заявлено 26 06 84 Для служебного пользования ] Недоліком відомих чавунів для виробництва поршневих кілець є те, що вони містять значну КІЛЬКІСТЬ дорогих і дефіцитних легуючих елементів Зазначена обставина значно здорожує виробництво поршневих кілець, знижує його технікоекономічні показники і конкурентоспроможність цього виду продукції У якості прототипу прийняти низьколегований чавун, призначений для виробництва відповідальних деталей, зокрема, поршневих кілець для ДВЗ, що містить вуглець, марганець, кремній, залізо й ІНШІ елементи, при такому їхньому співвідношенні, у % по масі [5 Авторское свидетельство 1678889 СССР МКИ5 С22С 37/08 Заявлено 23 10 89 Опубликовано 23 09 91] Вуглець 3,50 - 3,90 Кремній 2,40-2,90 Марганець 0,45-0,75 Хром 0,12-0,30 Нікель 0,06-0,50 Молібден 0,01 -0,50 Титан 0,01 -0,15 Ванадій 0,005-0,20 Магній 0,002-0,02 Залізо інше Невеличка КІЛЬКІСТЬ легуючих елементів у чавуні цього складу знижує собівартість виробництва поршневих кілець і декілька покращує його техніко-економічні показники Це підвищує конкурентоспроможність поршневих кілець, виготовлених із цього чавуну в порівнянні з чавунами [1-4] Водночас, використання дорогих летючих елементів, таких, як хром, молібден, ванадій у його складі не забезпечує оптимального співвідношення "цінаякість" при виробництві поршневих кілець Зазначена обставина знижує техніко-економічні показники виробництва і конкурентоспроможність поршневих кілець Крім того, при стабільній технології виробництва поршневих кілець оптимальне сполучення їх фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей може бути, забезпечено оптимальним співвідношенням ХІМІЧНИХ елементів багатокомпонентної системи, у якості якої може бути прийнятий чавун для поршневих кілець У якості одного з показників, що характеризують залізовуглецевий сплав, як єдину хімічну систему, був прийнятий електронний еквівалент ХІМІЧНОГО складу залізо-вуглецевого сплаву, що визначає комплекс його механічних і технологічних властивостей Це обумовлено тим, що орієнтація на утримання вуглецю, як показник, що характеризує ХІМІЧНИЙ склад чавуна, у цілому, і діаграму залізовуглець, як теоретичну основу при виборі оптимального складу сплаву, у виробничій практиці надається неефективним і утрудняє виробітку раціональних шляхів збільшення виходу придатного при виробництві поршневих кілець Нарешті, відсутність урахування взаємного впливу компонентів (ХІМІЧНИХ елементів) у чавуні на його механічні і технологічні характеристики не дозволяє, навіть при достатньо вузькому інтервалі змісту компонентів, забезпечити оптимальне спо лучення фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець Задача, що розв'язується винаходом, складається в розробці композиції низьколегованого чавуна для виробництва поршневих кілець, що забезпечує, з одного боку, найбільше оптимальне сполучення з фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей, а, з іншого боку оптимальне співвідношення "ціна-якість" при їхньому виробництві Склад цього чавуна повинний забезпечувати комплекс вимог, запропонованих до поршневих кілець, і щоб його виплавка не зустрічала утруднень в умовах типового металургійного виробництва Це дасть можливість істотно знизити витрати на його одержання, у тому числі, рафінування, в умовах стандартного ливарного виробництва, наявного в складі машинобудівного підприємства, що робить поршневі кільця Технічний результат, що досягається при використанні винаходу, складається в забезпеченні комплексу фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець, що виготовляються з нелегованого чавуна, виробленого в умовах стандартного ливарного виробництва машинобудівного підприємства Рішення поставленої задачі забезпечується тим, що чавун для поршневих кілець, що містить вуглець, марганець, кремній і залізо, містить компоненти при такому співвідношенні, у % по масі Вуглець 3,60-4,10% Кремній 2,40 - 3,60% Марганець 0,55 - 0,68% Залізо інше при цьому електронний еквівалент ХІМІЧНОГО складу чавуна для поршневих кілець складає 1,448-1,483 Порівняння з прототипом, показує, що чавун для поршневих кілець, що заявляється, який містить вуглець, кремній, марганець і залізо, відрізняється тим, що він містить компоненти при такому співвідношенні елементів, у% по масі Вуглець 3,60-4,10% Кремній 2,40 - 3,60% Марганець 0,55 - 0,68% Залізо інше при цьому електронний еквівалент ХІМІЧНОГО складу чавуна для поршневих кілець складає 1,448-1,483 Отже, склад чавуну, що заявляється, відповідає критерію "новизна" Порівняння з іншими технічними рішеннями в даній області не дозволило виявити технічні рішення, що відрізняють технічне рішення, що заявляється, від прототипу Отже, технічне рішення, що заявляється, має винахідницький рівень При плавці чавуну використовувалися звичайні шихтові матеріали і технологічні прийоми, що застосовуються при виробництві виливків з аустенітних чавунів Плавка здійснювалася в індукційних печах із нагріванням розплаву до температури порядку 1530°С Розлив чавуну провадилося в індивідуальні форми виливків поршневих кілець діаметром 110мм Після механічного опрацювання по стандартній технології здійснювали дослідження комплексу фізико-механічних, технологічних і експлуатацій 49109 6 шних елементів За даними ХІМІЧНОГО аналізу визначали електронний еквівалент складу чавуна Y (Z ) з використанням рівняння них властивостей отриманих поршневих кілець У процесі плавки відбирали проби металу, у яких визначали зміст основних елементів заліза, вуглецю, кремнію і марганцю, а також інших доміlgi_lgR0 A U 'UB 9 2 n2 m -h + Л Є д _ в 2 п т + ЛЄд_с2пк де n, m, k, , f, h - мольні частки компонентів (їхня сума дорівнює 1), R°UA, R°UB, , R°UE, tgovx, tgae, tgaE, - коефіцієнти рівнянь стана системи неполярнзованих іонних радіусів для атомів кожного вхідного до складу чавуну елемента, а - період об'емноцентрованої кристалічної решітки для 1 1 1 сплаву даного складу, Де д в, Ае д с, , Ае с Е, Ае р Е, - характеристики взаємодії між неоднорідними атомами, розташованими в металевій системі на відстані "а" друг від друга (Приходько Э В Эффективность комплексного легирования сталей и сплавов К Наукова думка -1993 -292с) Електронний еквівалент ХІМІЧНОГО складу чавуну є інтегральною характеристикою міжатомної взаємодії в багатокомпонентній системі і визначається як середньостатистнчне число електронів, що беруть участь в утворенні ХІМІЧНОГО зв'язку між двома атомами, розташованими у вузлах кристалічної решітки При відносно стабільної технологічної схемі виробництва чавунних поршневих кілець задача оптимізацм процесу їхнього виробництва може бути найбільше успішно вирішена шляхом оптимізацм ХІМІЧНОГО складу чавуну Рішення задач такого плану було надзвичайно утруднено, через відсутність методів оцінки рівня легування аустеніту Використання системи неполяризованих іонних радіусів дозволило усунути цей недолік, оскільки дало можливість охарактеризувати ХІМІЧНИЙ стан багатокомпонентної системи одним інтегральним параметром - електронним еквівалентом ХІМІЧНОГО складу, в аналізуємому випадку - чавуну У цьому зв'язку, регламентування значення електронного еквіваленту набуває особливої ролі при оптимізацм ХІМІЧНОГО складу чавуну для виробництва поршневих кілець Виконаний аналіз показав, що ВІДОМІ технічні рішення, у яких подані різноманітні чавуни, не дозволяють вирішити задачу, поставлену в технічному рішенні, що заявляється - забезпечити оптимальне сполучення фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець виготовлених із цих чавунів, а, з іншого боку, оптимізувати співвідношення "цінаякість" при їхньому виробництві На механічні і технологічні властивості чавуну (агрегатну МІЦНІСТЬ, твердість, пругкість і ш) насамперед, впливають співвідношення вуглецю, марганцю, кремнію і заліза, а також ДОМІШНІ елементи, що завжди мають місце при виплавці і рафінуванні чавуну У цьому зв'язку, при виборі оптимального складу чавуну для поршневих кілець регламентувався зміст саме цих елементів Слід зазначити, що можливо таке сполучення компонентів у межах діапазонів їхніх співвідношень, що заявляються, при яких вимога заданого рівня однієї з властивостей не забезпечується У цьому зв'язку, щоб уникнути цього, у технічному рішенні, що заявляється, по суті, здійснюється селекція ХІМІЧ ного складу чавуну по електронному еквіваленту Саме тому співвідношення основних компонентів вуглецю, марганцю, кремнію і заліза в діапазонах їхньої зміни, що заявляються, а також вміст домішок у запропонованому складі чавуну регламентується значенням електронного еквівалента ХІМІЧY НОГО складу чавуну (Z ) Оптимальні діапазони Y змісту елементів у чавуні і значення Z що заявляються, установлені на підставі аналітичної обробки значного масиву експериментальних даних, отриманих на Одеському заводі поршневих кілець, із використанням спеціальних програмних засобів, розроблених в Інституті чорної металургії НАН України При ВМІСТІ вуглецю в чавуні більше діапазону, що заявляється (більше 4,1%), високі значення змісту марганцю і кремнію в рамках діапазонів, що заявляється, приведуть до збільшення МІЦНІСНИХ і пружних і зниженню пластичних властивостей металу Значення Z Y у цьому випадку буде більше діапазону його зміни, що заявляється, (більше 1,483%) Чавун такого складу схильний до підвищеної крихкості Це погіршує якість поршневих кілець, виготовлених із нього, і знижує вихід придатного Використання поршневих кілець, виготовлених із чавуну такого складу, інтенсифікує, крім іншого, знос гільз циліндрів ДВЗ До такого ж наслідкам призводить вміст марганцю в чавуні більше діапазону, що заявляється (більше 0,68%), при високих значеннях вмісту вуглецю і кремнію в рамках що заявляється діапазонів Значення Z Y у цьому випадку буде також більше діапазону його зміни, що заявляється, (більше 1,483) При ЗМІСТІ кремнію в чавуні більше діапазону, що заявляється, (більше 3,60%) погіршується хромування поршневих кілець, що є невід'ємною операцією технологічного процесу їхнього виготовлення Зазначене також погіршує якість поршневих кілець, виготовлених із чавуна такого складу, і знижує вихід придатного Зміст вуглецю в чавуні менше діапазону, що заявляється, (менше 3,60%) при низьких значеннях змісту марганцю і кремнію в рамках діапазонів, що заявляється, призводить до збільшення пластичних і зниженню МІЦНІСНИХ і пружних властивостей металу Значення Z Y у цьому випадку менше діапазону його зміни, що заявляється, (менше 1,448) Застосування чавуну такого складу не дає можливості забезпечити МІЦНІСНІ і пружні властивості кілець Це, у кінцевому рахунку, призводить до втрати їхніх компресійних властивостей Зазначена обставина погіршує якість поршневих кілець, виготовлених із чавуну такого складу, і знижує вихід придатного До цього ж призводить зміст марганцю в чавуні менше діапазону, що заявляється (менше 0,53%), при низьких значеннях вмісту вуглецю і кремнію в рамках діапазонів, що заявляється Значення Z Y у цьому випадку також менше діа 49109 пазону його зміни, що заявляється (менше 1,448) Вміст кремнію в чавуні менше діапазону, що заявляється (менше 2,40%), погіршує ресорні (пружні) властивості поршневих кілець, що також веде до їхньої якості і знижує вихід придатного Діапазони змісту елементів і значення електронного еквіваленту ХІМІЧНОГО складу композиції в запропонованому складі чавуна для виробництва поршневих кілець, що заявляється, забезпечує, з одного боку, найбільше оптимальне сполучення з фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей, а, з іншого боку - оптимальне співвідношення "ціна-якість" при їхньому виробництві, склад чавуну, що заявляється, задовольняє вимогам, запропонованим до поршневих кілець, а його виплавка і рафінування не зустрічає утруднень в умовах спеціалізованого металургійного виробництва в складі машинобудівного підприємства, що дозволяє істотно знизити витрати на його одержання в цих умовах Таким чином, діапазони змісту елементів і значення електронного еквівалента ХІМІЧНОГО складу чавуна, запропонованого для поршневих кілець, що заявляється, забезпечують комплекс їх фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей Виплавка і рафінування чавуна запропонованого складу, що не містить дорогих легуючих елементів, не зустрічає утруднень в умовах металургійного виробництва машинобудівного підприємства, що не збільшує витрат на його одержання Зазначена обставина дозволяє зробити висновок про те, що використання запропонованого технічного рішення - складу чавуну для виробництва поршневих кілець із регламентованим складом основних компонентів і значенням електронного еквівалента ХІМІЧНОГО складу чавуну в якості інтегральної характеристики міжатомної взаємодії ХІМІЧНИХ елементів у багатокомпонентній системі, - забезпечує рішення поставленої задачі Експерименти по визначенню оптимального складу чавуну і якості поршневих кілець, отриманих із нього, виконувалися в умовах металургійного виробництва Одеського заводу поршневих кілець (ОЗПК), Інституту чорної металургії НАН 8 України і Дніпропетровської філії ОЗПК При плавці чавуну використовувалися звичайні шихтові матеріали і технологічні прийоми, що застосовуються при виробництві виливків з аустенітних чавунів в умовах ОЗПК Плавка здійснювалася в індукційних печах із нагріванням розплаву до температури порядку 1530°С Розлив чавуну провадився в індивідуальні форми виливків поршневих кілець діаметром 110мм Механічна обробка виливків і виготовлення поршневих кілець здійснювалася по стандартній технологи, встановленій на ОЗПК Дія вибору оптимальною складу чавуну виконували дослідження комплексу фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець, отриманих із чавунів різноманітних композицій ВІДПОВІДНО ДО ВИМОГ нормативно-технічної до кументації на чавунні поршневі кільця (ГОСТ 62187 Кольца поршневые двигателей внутреннего сгорания Общие технические условия 1988г), досліджували параметри, що визначають вимоги до матеріалів для виготовлення поршневих кілець межа МІЦНОСТІ, твердість, різниця значень твердості в межах одного кільця ВІДПОВІДНО ДО ЦИХ ВИМОГ значення межі МІЦНОСТІ (ав) повинно складати 980 1080Н/ММ2, твердість (Т) - 94-112 HRB при різниці показань твердості в межах одного кільця, Д - не більш 4 одиниць Зазначений комплекс фізикомеханічних властивостей, запропонованих до матеріалу (чавуну) для поршневих кілець, забезпечує, з одного боку, стабільність технології їхнього виробництва, а, з іншої сторони необхідні експлуатаційні властивості поршневих кілець Окремі результати досліджень на вибір оптимального ХІМІЧНОГО складу чавуну для виробництва поршневих кілець при стандартній і стабільній технології їхнього виробництва, що визначають оптимальні межі діапазонів змісту вуглецю (С, %), марганцю (Мп, %), кремнію (Si, %), і залоза (Fe, %), а також значення електронною еквівалента ХІМІЧНОГО складу чавуна(2у), що заявляються, приведені в таблиці 1 Таблиця 1 Склад чавуну 1 2 3 4 5 6 7 8 9 О, /о 3,50 3,60 3,60 3,90 4,10 3,86 4,20 4,07 4,0 Мп, % 0,54 0,52 0,68 0,61 0,55 0,68 0,69 0,68 0,61 Si, % 2,30 2,20 2,40 3,40 3,20 3,60 3,70 3,30 3,80 Fe, % ост ост ост ост ост ост ост ост ост Аналіз результатів досліджень показав таке Низький вміст вуглецю, марганцю і кремнію, а також обумовлене цим низьке значення Z Y у складі чавуну №1 не забезпечує МІЦНІСТІ і пружні властивості кілець Це призводить до втрати їхніх компресійних якостей До цього ж призводить низький зміст марганцю і кремнію при ЗМІСТІ вуглецю в ра г 13 0 ,4 12 1 ,8 14 8 ,4 14 3 ,8 14 8 ,2 14 3 ,3 15 1 ,0 14 2 ,9 14 4 ,8 Механічні властивості а в = 970Н/мм^, Т = 92 HRB, Д = 3 а в = Эбен/мм' Т = 90 HRB, Д = 4 а в = 995Н/мм^, Т = 99 HRB, Д = 3 а в = 10бои/мм", Т = 108 HRB, Д = 3 а в = 1040Н/мм2, Т = 104 HRB, Д = 3 ив= 1020Н/мм^, Т = 101 HRB, Д = 2 а в = 1200Н/ММ' Т = 121 HRB, Д = 4 ав= 1160Н/мм', Т = 118 HRB, Д = 3 а в = 4090Н/ММ', Т = 111 HRB, Д = 5 мках що заявляється діапазону, у складі чавуна №2 Значення Z Y у складі цих чавунів також нижче що заявляється діапазону Поршневі кільця, виготовлені з чавуну складу №7 мали надмірно високі МІЦНІСНІ і пружні і низькі пластичні властивості Використання поршневих кілець, виготовлених із чавуну такого складу, інте 49109 нсифікує знос гільз циліндрів ДВЗ Високе значення Z Y обумовлене впливом домішннх елементів у чавуні №8 при ЗМІСТІ вуглецю, марганцю, кремнію і заліза в межах що заявляється діапазонів, збільшує МІЦНІСНІ і пружні і знижує пластичні властивості поршневих кілець Це призводить до підвищеного зносу гільз циліндрів ДВЗ У чавуні складу №9 до цього ж призводить підвищений зміст марганцю, а підвищений зміст кремнію в цій композиції призводить до погіршення хромування поршневих кілець 10 Чавуни №3-6, у яких зміст вуглецю, марганцю, кремнію і заліза, а також значення Z знаходяться в межах діапазонів змісту елементів, що заявляється, забезпечують необхідні властивості поршневих кілець і не вносять трудностей у технологічний процес їхній виготовлення на всіх його стадах Результати аналізу впливу ХІМІЧНОГО складу чавуну для виробництва поршневих кілець на їх технологічні й експлуатаційні властивості узагальнені втабл 2 Таблиця 2 Склад чавуну 1 Явища, що спостерігаються при виробництві поршневих кілець Низькі МІЦНІСНІ І пружні характеристики поршневих кілець, що знижують їхні експлуатаційні властивості (компресійні якості) Низькі МІЦНІСНІ І пружні характеристики поршневих кілець, що знижують їхні експлуатаційні властивості (компресійні якості) Забезпечуються необхідні механічні, технологічні й експлуатаційні властивості поршневих кілець Забезпечуються необхідні механічні, технологічні й експлуатаційні властивості поршневих кілець Забезпечуються необхідні механічні, технологічні й експлуатаційні властивості поршневих кілець Забезпечуються необхідні механічні, технологічні й експлуатаційні властивості поршневих кілець Підвищені пружні характеристики поршневих кілець Інтенсифікація зносу гільз циліндрів ДВЗ Підвищені пружні характеристики поршневих кілець Інтенсифікація зносу гільз циліндрів ДВЗ Погіршення хромування поршневих кілець Збільшення витрат, пов'язаних із відбракуванням поршневих кілець Аналіз результатів досліджень показав, що ХІМІЧНИЙ склад чавуну, що заявляється, із співвідношеннями вмісту вуглецю, марганцю, кремнію і заліза, а також значенням електронним еквівалентом ХІМІЧНОГО складу Z Y , що характеризує ХІМІЧНИЙ стан багатокомпонентної системи (чавуна) одним інтегральним параметром, забезпечують оптимальне сполучення фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець Виготовлені з складу чавуну, що рекомендується, поршневі кільця дають можливість оптимізувати співвідношення "ціна-якість" при їхньому виробництві Це забезпечується тим, що чавуни зазначеного складу, що не містить дорогих легуючих елементів, можуть бути без утруднень отримані умовах металургійного виробництва машинобудівного підприємства, що не збільшує витрат на його одержання Джерела інформації, прийняті в увагу мри упорядкуванні заявки 1 Авторское свидетельство 1650751 СССР МКИ5 С22С 37/10 Заявлено 12 0189 Опубликовано 23 05 91 2 Авторское свидетельство 1576590 СССР МКИ5 С22С 37/10, С21С37/08 Заявлено 20 04 87 Для служебного пользования 3 Авторское свидетельство 847702 СССР МКИ3 С22С 37/10 Заявлено 23 04 79 Для служебного пользования 4 Авторское свидетельство 1205566 СССР МКИ4 С22С 37/10 Заявлено 26 06 84 Для служебного пользования 5 Авторское свидетельство 1678889 СССР МКИ5 С22С 37/08 Заявлено 23 10 89 Опубликовало 23 09 91 - прототип 6 Приходько Э В Эффективность комплексного легирования сталей и сплавов К Наукова думка -1995 -292с 7 ГОСТ 621-87 Кольца поршневые двигателей внутреннего сгорания Общие технические условия 1988г ДП «Український інститут промислової власності» (Укрпатент) вул Сім'ї Хохлових, 15, м Київ, 04119, Україна ( 0 4 4 ) 4 5 6 - 2 0 - 90 ТОВ "Міжнародний науковий комітет" вул Артема, 77, м Київ, 04050, Україна (044)216-32-71