Чавун для поршневих кілець

Чавун для поршневих кілець, що містить вуглець, кремній, марганець, фосфор, хром, мідь, титан, кальцій, молібден, азот, сірку, нікель і залізо, який відрізняється тим, що чавун має структуру дрібно- та середньопластинчастого перліту з рівнорозподіленим дрібнопластинчастим графітом, сумарний вміст хрому й міді в ньому 0,40-0,80 мас. %, загальний вміст хрому в складі чавуну менше або дорівнює 0,45 мас. %, причому сумарний вміст титану, кальцію, нікелю, молібдену, азоту, сірки не перевищує 0,30 мас. %. Винахід відноситься до металургії чорних металів, зокрема, до виробництва сірого чавуну із пластинчастим графітом і може бути використаним для виготовлення поршневих кілець двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ). Розвиток автомобільного машинобудування, що супроводжується збільшенням потужності ДВЗ, потребує створення економічних матеріалів, для виготовлення поршневих кілець, які мають необхідні технологічні і експлуатаційні властивості. Зараз, як основний матеріал для виготовлення поршневих кілець різного призначення (компресійних, маслознімних і ін.) використовують сірі чавуни різного хімічного вкладу із пластинчастим графітом, що забезпечують найбільш оптимальне поєднання фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних властивостей. Чавуни, що використовуються у виробництві поршневих кілець, містять, як правило, значну кількість дорогих і дефіцитних легуючих елементів. Це здорожчує виробництво, знижує його техніко-економічні показники й конкурентоздатність цього виду продукції. У цьому зв'язку, розробка економічного складу сірого спеціального чавуну із пластинчастим графітом для виробництва поршневих кілець ДВЗ, з використанням оптимальної кількості недорогих і недефіцитних легуючих елементів, якій забезпечить оптимальне поєднання фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних властивостей, є актуальним завданням у сучасних умовах. Відомі чавуни для поршневих кілець, які містять вуглець, маргаінець, кремній, фосфор і залізо, котрі для забезпечення фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець містять значну кількість таких компонентів як хром, мідь, титан, молібден, ванадій, вольфрам нікель і ін. [1. Авторське свідоцтво 1576590 СРСР MПК5 С22С37/10, С21С37/08. Заявлено 20.04.87. 2. Авторське свідоцтво 1678889 СРСР МПК5 С22С37/08 Заявлено 23.10.89. Опубліковано 23.09.91]. Недоліком відомих чавунів для виробництва поршневих кілець є те, що вони містять значну кількість дорогих і дефіцитних легуючих елементів. Зазначена обставина значно здорожчує виробництво поршневих кілець, знижує його (19) UA (11) 82579 (13) C2 (21) a200607139 (22) 26.06.2006 (24) 25.04.2008 (46) 25.04.2008, Бюл.№ 8, 2008 р. (72) ГОЛОВАНОВ ЮРІЙ МИКОЛАЙОВИЧ, UA, БАРИШЕВ ЄВГЕН ВОЛОДИМИРОВИЧ, UA, ЖУЧКОВ СЕРГІЙ МИХАЙЛОВИЧ, UA, ГОЛОВАНОВ КОСТЯНТИН ЮРІЙОВИЧ, UA (73) ВІДКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО "ОДЕСЬКИЙ ЗАВОД ПОРШНЕВИХ КІЛЕЦЬ", UA, ІНСТИТУТ ЧОРНОЇ МЕТАЛУРГІЇ ІМ. З.І. НЕКРАСОВА НАН УКРАЇНИ, UA (56) SU, 455 164, A1, 30.12.1974 SU, 1 576 590, A1, 07.07.1987 SU, 1 650 751, A1, 23.05.1991 SU, 1 678 889, A1, 23.09.1991 UA, 64 572, A, 16.02.2004 3 техніко-економічні показники й конкурентоздатність цього виду продукції. Відомий також чавун для поршневих кілець, використовуваних у ДВЗ, що містить вуглець, кремній, марганець, залізо, а також містить інші елементи домішок, такі як хром, мідь, фосфор, нікель, молібден, титан, ванадій, магній. [3. Авторське свідоцтво 1650751 СРСР МПК5 С22С37/10. Заявлено 12.01.89. Опубліковано 23.05.91]. у відомому технічному рішенні вміст Однак елементів домішок визначається величиною еквівалента хімічного складу для поршневих кілець. Невелика кількість легуючих елементів у чавуні цього складу знижує собівартість виробництва поршневих кілець і трохи поліпшує його техніко-економічні показники. Це підвищує конкурентоздатність поршневих кілець, виготовлених із цього чавуну в порівнянні із чавунами [1-2]. Разом з тим, відсутність регламенту вмісту в складі чавуну, таких елементів, як хром і мідь не забезпечує стабільності одержання необхідної структури металу й експлуатаційних властивостей поршневих кілець, виготовлених із чавуну такого складу. Зазначена обставина знижує технікоекономічні показники виробництва й конкурентоздатність поршневих кілець, не забезпечуючи оптимальногочавун для поршневих За прототип прийнято співвідношення "цінакілець, використовуваних у якість" при їхньому виробництві.ДВЗ, що містить вуглець, кремній, марганець, фосфор, хром мідь, інші легуючі елементи, наприклад, титан, кальцій, нікель, молібден, азот, сірку і залізо [4. Авторське свідоцтво 1650751 СРСР МКВ5 С22С37/10. Заявлено 12.01.89. Опубліковано 23.05.91]. Недоліком відомого чавуну для виробництва поршневих кілець, прийнятого за прототип, є те, що він містить значну кількість дорогих і дефіцитних легуючих елементів. Широкі діапазони вмісту в складі чавуну хрому, нікелю, молібдену, міді, титану й ін. істотно здорожчують виробництво поршневих кілець, знижують його технікоекономічні показники й конкурентоздатність цього виду продукції. Крім того, відсутність урахування взаємного впливу таких хімічних елементів як хром і мідь у чавуні на його механічні й технологічні характеристики не дозволяє, навіть при досить широких інтервалах їхнього вмісту, оптимізувати поєднання фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець. Зазначена обставина знижує техніко-економічні показники виробництва й конкурентоздатність поршневих кілець, не забезпечуючи оптимального співвідношення "цінаякість" при їхньому виробництві. Задача, розв'язувана винаходом, полягає в розробці складу сірого спеціального чавуну із пластинчастим графітом, для виробництва поршневих кілець, що забезпечує, з одного боку, формування необхідної структури металу, яка має металеву основу у вигляді тонко-, дрібно- і середньопластинчастого перліту, і графіту - у вигляді рівномірно розподіленого, тонкопластинчастого завихреного або пластівчастого. Така структура металу забезпечить оптимальне поєднання фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних 82579 4 властивостей чавунних поршневих кілець. З іншого боку, при цьому буде забезпечене оптимальне співвідношення "ціна-якість" при їхньому виробництві. Таким чином, склад цього чавуну задовольняє комплекс вимог, які пред'являються до поршневих кілець, а його виплавка - не має утруднень в умовах типового металургійного виробництва. Це дасть можливість істотно знизити витрати на одержання сірого спеціального чавуну із пластинчастим графітом для виробництва поршневих кілець, в умовах стандартного ливарного виробництва, наявного в складі машинобудівного підприємства, що робить поршневі кільця. Технічний результат, що досягається при використанні винаходу, полягає в забезпеченні стабільності одержання необхідної структури металу, комплексу фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець, що виготовляють із сірого чавуну із пластинчастим графітом, виробленого в умовах стандартного ливарного виробництва машинобудівного підприємства. Вирішення поставленого завдання забезпечується тим, що чавун для поршневих кілець, що містить вуглець, кремній, марганець, фосфор, хром, мідь, титан, кальцій, молібден, азот, сірку, нікель, залізо, має структуру дрібно- та середньопластинчастого перліту з рівнорозподіленим дрібнопластинчастим графітом, сумарний вміст хрому й міді в ньому 0,40-0,80мас.%, загальний вміст хрому в складі чавуну менше або дорівнює 0,45мас.%, причому, сумарний вміст титану, кальцію, нікелю, молібдену, азоту і сірки не перевищує 0,30мас.%. Порівняння із прототипом показує, що чавун для поршневих кілець, якій містить вуглець, кремній, марганець, фосфор, хром, мідь, титан, кальцій, молібден, азот, сірку, нікель і залізо, має структуру дрібно- та середньопластинчастого перліту з рівнорозподіленим дрібнопластинчастим графітом, сумарний вміст хрому й міді в ньому0,40-0,80мас.%, загальний вміст хрому в складі чавуну менше або дорівнює 0,45мас.%, причому сумарний вміст титану, кальцію, нікелю, молібдену, азоту і сірки не перевищує 0,30мас.%. Отже, склад чавуну, що заявляється, відповідає критерію "новизна". Порівняння з іншими технічними рішеннями в даній галузі не дозволило виявити технічні рішення, що відрізняють технічне рішення, що заявляється, від прототипу. Отже, технічне рішення, що заявляється, має винахідницький рівень. Чавун, що заявляється, містить вуглець, кремній, марганець, фосфор, хром, мідь, титан, кальцій, молібден, азот, сірку, нікель і залізо, має структуру дрібно- та середньопластинчастого перліту з рівнорозподіленим дрібнопластинчастим графітом, сумарний вміст хрому й міді в ньому 0,40-0,80мас.%, загальний вміст хрому в складі чавуну менше або дорівнює 0,45мас.%, причому сумарний вміст титану, кальцію, нікелю, молібдену, азоту, сірки не перевищує 0,30мас.%. У процесі плавки чавуну для визначення складу, що заявляється, використовувалися звичайні шихтові матеріали й технологічні заходи, які застосовуються при виробництві виливків із 5 сірих спеціальних аустенітних чавунів із пластинчастим графітом для виробництва поршневих кілець. Плавка здійснювалася в індукційних печах.Розливання чавуну здійснювали в індивідуальні форми виливків поршневих кілець. Після механічної обробки за стандартною технологією досліджували комплекс фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець, отриманих із чавуну складу, що заявляється. У процесі плавки відбирали проби металу, у яких визначали вміст основних елементів: заліза, вуглецю, кремнію, марганцю, фосфору. Після механічної обробки за стандартною технологією досліджували комплекс фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець, отриманих із чавуну складу, що заявляється. У процесі плавки відбирали проби металу, у яких визначали вміст основних елементів, заліза, вуглецю, кремнію, марганцю, фосфору й легуючих елементів. При відносно стабільній технологічній схемі виробництва чавунних поршневих кілець завдання оптимізації процесу їх виробництва може бути найбільш успішно вирішено шляхом оптимізації хімічного складу чавуну. Аналіз, виконаний у процесі проведення досліджень з відпрацьовування хімічного складу чавуну для виробництва поршневих кілець, показав, що відомі технічні рішення, у яких представлені різні чавуни, не дозволяють вирішити поставлене в технічному рішенні, що заявляється, завдання - забезпечити стабільність структури металу, з металевою основою у вигляді тонко-, дрібно- і середньопластинчастого перліту, і графіту - у вигляді рівномірно розподіленого, тонкопластинчастого завихреного або пластівчастого, Така структура чавуну, у свою чергу, забезпечує необхідне поєднання фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець, виготовлених із цих чавунів, а, з іншого боку, сприяє оптимізації співвідношення "ціна-якість" при їхньому виробництві. На міцність, твердість, пружність і інші механічні й технологічні властивості чавунних поршневих кілець, насамперед, впливають співвідношення вуглецю, марганцю, кремнію й заліза, а також елементи домішок, що завжди мають місце при виплавці чавуну. Разом з тим, відсутність регламенту вмісту в складі чавуну, прийнятому за прототип, таких елементів, як хром і мідь, а також інших легуючих елементів, не забезпечує стабільності одержання необхідної структури металу й експлуатаційних властивостей поршневих кілець, виготовлених із чавуну такого складу. Зазначена обставина знижує технікоекономічні показники виробництва й конкурентоздатність поршневих кілець, не забезпечуючи оптимального співвідношення "цінаякість" при їхньому виробництві. Крім того, відсутність урахування взаємного впливу таких хімічних елементів як хром і мідь у чавуні на його, механічні й технологічні характеристики не дозволяє, навіть при досить широких інтервалах їхнього вмісту, забезпечити оптимальне поєднання 82579 6 фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець. У цьому зв'язку при виборі оптимального складу чавуну для поршневих кілець регламентувався вміст саме цих елементів. Слід зазначити, що у відомих технічних рішеннях можливо таке поєднання компонентів у межах діапазонів їхніх співвідношень, що заявляються, при яких вимоги заданого рівня якої-небудь із властивостей не забезпечуються. Чавун для виробництва поршневих кілець із вмістом, елементів і їхніх співвідношень, що заявляється, забезпечує з одного боку, найбільш оптимальне поєднання фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей, а, з іншого боку - оптимальне співвідношення "цінаякість" при їхньому виробництві. Таким чином склад чавуну, що заявляється, задовольняє вимогам, які пред'являються до поршневих кілець, а його виплавка не має утруднень в умовах спеціалізованого металургійного виробництва в складі машинобудівного підприємства, що дозволяє істотно знизити витрати на його одержання в цих умовах. Вміст у сірому чавуні із пластинчастим графітом таких хімічних елементів, як хром і мідь, і їхнє співвідношення, а також інших легуючих елементів, як ми вже відзначали, установлено виходячи з необхідності одержання в якості металевої основи тонко-, дрібноі середньопластинчастого перліту з рівномірно розподіленим тонкопластинчастим завихреним або пластівчастим графітом з можливими включеннями точечного графіту у вигляді розеток або колоній не більше 30% площі, зайнятої графітом у будь-якому полі зору або на шліфі. Причому, передбачалося, що в структурі металу не повинно бути структурно вільного цементиту, а ферит повинен бути у вигляді окремих дрібних включень не більше 5% в чавуні хімічного складу, Якщо вміст хрому площі шліфа. що заявляється, буде більше 0,45%, а сумарний вміст хрому й міді більше 0,80%, то в структурі металу після кристалізації буде утворюватися мартенситна структура. Поршневі кільця з такою структурою металу будуть збільшувати зношування гільз циліндрів внаслідок підвищеної твердості металу. Якщо вміст хрому в чавуні буде більше 0,45%, але сумарний вміст хрому й міді менше 0,40%, то в структурі металу буде спостерігатися підвищена кількість точечного графіту і фериту, що знизить зносостійкість кілець. Вміст хрому в чавуні в межах кількості, що заявляється, - не більше 0,45%, при сумарному вмісті хрому й міді більше 0,80% приводить до утворення бейнітно-мартенситної структури. Поршневі кільця з такою структурою металу також будуть збільшувати зношування гільз циліндрів внаслідок підвищеної твердості металу. При вмісті хрому в чавуні менше 0,45% і сумарному вмісті хрому й міді менше 0,40% у структурі металу утвориться грубопластинчастий перліт. Поршневі кільця з такою структурою металу мають низьку зносостійкість, твердість і високу залишкову деформацію. 7 82579 Перевищення сумарного вмісту інших легуючих елементів більше 0,30%, при зазначених діапазонах вмісту хрому й міді, приведе до появи структурно-вільного цементиту, що значно погіршить оброблюваність кілець при їхньому виготовленні, а також до нестабільності одержання необхідної структури при виготовленні кілець різного діаметра. Аналіз результатів експериментів показав, що діапазони, вмісту хімічних елементів і співвідношення їхнього вмісту в чавуні, призначеному для виготовлення поршневих кілець, що заявляються, забезпечують комплекс їх фізико-механічних, технологічних і експлуатаційних властивостей. Виплавка чавуну запропонованого складу, що не містить дорогих легуючих елементів, з оптимальною регламентованою кількістю хрому й міді і їхні співвідношення, а також максимального вмісту інших легуючих елементів, не має 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 сірого чавуну із пластинчастим графітом для виробництва поршневих кілець із регламентованим співвідношенням хрому й міді, а також інших легуючих елементів оптимального Експерименти з визначення - забезпечує складу чавуну і якості поршневих кілець, вирішення поставленого завдання. отриманих з нього, виконувалися в умовах металургійного виробництва Одеського заводу поршневих кілець (ОЗПК), Інституту чорної металургії НАН України й Дочірнього підприємства "ОЗПК-ДНЕПР". При плавці чавуну використовувалися звичайні шихтові матеріали й технологічні заходи, які застосовуються при виробництві виливків з аустенітних чавунів в умовах ОЗПК. Плавка здійснювалася в індукційних печах з нагріванням розплаву до температури близько 1530°C. Розливання чавуну здійснювали в індивідуальні форми виливків поршневих кілець діаметрами 72-130мм. Механічна обробка виливків і виготовлення поршневих кілець здійснювалася за стандартною технологією, установленою на ОЗПК. Для. вибору оптимального складу чавуну виконували дослідження комплексу фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних властивостей поршневих кілець, отриманих із чавунів різних складів, загальна кількість яких була більше 20 і в матеріалах заявки вони не наведені. Відповідно до вимог нормативно-технічної документації на чавунні поршневі кільця [7. ДЕРЖСТАНДАРТ 621-87. Кільця поршневі двигунів внутрішнього згоряння. Загальні технічні умови. 1988р.], досліджували параметри, що визначають вимоги до матеріалів для виготовлення поршневих кілець: межа міцності, твердість, різниця значень твердості в межах Комп’ютерна верстка А. Рябко 8 одного кільця. Згідно із цими вимогами значення межі міцності (σΒ) повинне становити 9801080Н/мм2, твердість (Т) - 94-112 HRB при різниці показань твердості в межах одного кільця, Δ - не більше 4 одиниць. Зазначений комплекс фізикомеханічних властивостей, необхідних для чавуну, з якого виготовляють поршневі кільця, забезпечує, з одного боку, стабільність технології їхнього виробництва, а, з іншого боку, необхідні експлуатаційні властивості поршневих кілець. Аналіз результатів досліджень показав, що регламентація сумарного вмісту хрому й міді, а також інших легуючих елементів, забезпечує одержання в сірому чавуні із пластинчастим графітом в якості металевої основи тонко-, дрібноі середньопластинчастого перліту з рівномірно розподіленим тонкопластинчастим графітом, причому в структурі металу відсутній структурно вільний цементит. Така структура металу, забезпечує оптимальне поєднання фізикомеханічних, технологічних і експлуатаційних властивостей чавунних поршневих кілець і оптимальне співвідношення "ціна-якість" при їхньому виробництві. Сірий чавун складу, що заявляється, задовольняє вимогам, які пред'являють до чавунних поршневих кілець. Виплавка чавуну такого складу в умовах ливарного виробництва ВАТ "Одеський завод поршневих кілець" не викликала утруднень. Реалізація технічного рішення, що заявляється, в умовах цього заводу, як показали результати досліджень, дозволить істотно знизити витрати на одержання сірого чавуну із пластинчастим графітом, а також забезпечити стабільність структури металу й підвищити ефективність виробництва інформації, кілець в до уваги при Джерела поршневих прийняті умовах цього складанні заводу. заявки. 1. Авторське свідоцтво 1576590 СРСР МПК5 С22С37/10, 321С37/08. Заявлено 20.04.87. Для службового користування. 2. Авторське свідоцтво 847702 СРСР МПК3 С22С37/10. Заявлено 23.04.79. Для службового користування. 3. Авторське свідоцтво 1205566 СРСР МПК4 С22С37/10. Заявлено 26.06.84. Для службового користування. 4. Авторське свідоцтво 1678889 СРСР МПК5 С22С37/08 Заявлене 23.10.89. Опубліковано 23.09.91. 5. Патент 49109 Україна МПК6 С22С37/10, 33/08, F16J9/26. Заявлено 04.04.2001. Опубліковано 16.09.2002. 6. Авторське свідоцтво 1650751 СРСР МПК5 С22С37/10. Заявлено 12.01.89. Опубліковано 23.05.91 - прототип. 7. ДЕРЖСТАНДАРТ 621-87. Кільця поршневі двигунів внутрішнього згоряння. Загальні технічні умови. 1988р. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 9 82579 10