close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY6323

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
BY (11) 6323
(13) C1
(19)
7
(51) C 22C 38/58,
(12)
C 21D 6/00
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
ЛИТЕЙНЫЙ СПЛАВ ДЛЯ СЕДЕЛ КЛАПАНОВ И СПОСОБ ЕГО
ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ
(21) Номер заявки: a 20000698
(22) 2000.07.21
(46) 2004.06.30
(71) Заявители: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии наук Беларуси"; Открытое акционерное
общество "МОТОВЕЛО" (BY)
(72) Авторы: Комаров Олег Сидорович; Дудецкая Лариса Романовна; Жданович
Олег Егорович; Сенокосов Николай Эдуардович; Ласковнев Александр Петрович; Гиль Николай Дмитриевич; Овчинников Владимир Васильевич; Комаров
Дмитрий Олегович; Волочко Александр
Тихонович (BY)
(73) Патентообладатели: Государственное научное учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии наук
Беларуси"; Открытое акционерное общество "МОТОВЕЛО" (BY)
BY 6323 C1
(57)
1. Литейный сплав для седел клапанов, содержащий углерод, кремний, марганец,
хром, никель, железо и примеси, отличающийся тем, что он содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %:
углерод
2,2-2,8
кремний
1,0-1,5
марганец
1,5-2,0
хром
9,0-11,0
никель
0,2-0,4
железо и примеси
остальное.
2. Способ термической обработки литейного сплава по п. 1, включающий нагрев до
температуры 850-950 °С, выдержку при этой температуре 2,5-4 ч, охлаждение до температуры 750 °С с печью, выдержку 2 ч, охлаждение до комнатной температуры, причем до
500 °С охлаждение ведут со скоростью 50-100 °С в час.
BY 6323 C1
(56)
BY 19980981 А, 2000.
US 3859083, 1975.
JP 59038362 A, 1984.
JP 04157138 A, 1992.
SU 1586257 A1, 1995.
Изобретение относится к области машиностроения, а именно к литейным сплавам для
седел клапанов двигателей внутреннего сгорания (ЛВС) и способам их термической обработки.
Изобретение может быть использовано при изготовлении деталей из износостойких
сплавов, обрабатываемых лезвийным инструментом.
Материалы, предназначенные для изготовления седел клапанов ДВС, должны сочетать
высокую износостойкость и удовлетворительную обрабатываемость резанием. При этом их
твердость должна находиться в определенных пределах (35-45 HRC), чтобы не происходил
преждевременный износ клапана и самого седла. Оптимальное соотношение твердости, износостойкости и обрабатываемости обеспечивается за счет оптимизации химического состава материала седла и его термической обработки, создающих структуру заготовки седла,
содержащую изолированные округлые частицы эвтектических и эвтектоидных карбидов,
распределенные равномерно в относительно мягкой и пластичной матрице.
Известны литейные сплавы для седел клапанов, содержащие от 1,5 до 35 % хрома,
0,5...28 % никеля, 0,1...12 % молибдена, 0,1...5 % меди, 0,1...20 % кобальта и другие компоненты [1-3]. Сложный состав и широкие пределы содержания легирующих элементов
затрудняют достижение требуемых пределов твердости. Кроме того, высокое содержание
дорогостоящих и дефицитных легирующих элементов повышает стоимость деталей.
В связи с вышесказанным в последнее время разработаны экономно-легированные
сплавы для седел клапанов с более узкими пределами содержания компонентов, обладающие в то же время высоким уровнем эксплуатационных и технологических свойств.
В литом состоянии хромистые сплавы обладают высокой хрупкостью, склонностью к образованию трещин при шлифовке и эксплуатации, а также имеют высокую твердость
(≥ 50 HRC), не позволяющую проводить обработку деталей лезвийным инструментом. Острые кромки карбидных включений вызывают повышенный износ клапанов при эксплуатации
двигателя. Для получения оптимальной структуры и улучшения обрабатываемости резанием
литые заготовки седел клапанов подвергают термической обработке. Известные способы
термической обработки седел клапанов с твердостью в пределах 30-40 HRC включают отжиг
при температуре 860-880 °С в течение 2-3 ч с медленным охлаждением [4]. При такой термообработке получается структура с эвтектоидом в игольчатой или пластинчатой форме, не
обеспечивающая хорошую обрабатываемость резанием и притираемость седла.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению
является литейный сплав следующего состава, мас. % [5]:
углерод
2,6...2,9
кремний
1,0...1,5
марганец
0,5...0,8
хром
14...16
никель
0,5...0,7
ванадий
0,15...0,25
молибден
0,15...0,35
вольфрам
0,15...0,25
титан
0,05...0,1
железо и примеси
- остальное
2
BY 6323 C1
и способ его термической обработки, включающий нагрев до температуры 1120-1160 °С,
выдержку при этой температуре в течение 2 ч, охлаждение с печью до температуры
800 °С, выдержку в течение 2 ч, охлаждение до 600 °С со скоростью 40-45 °С в ч, далее - с
печью [5].
Указанный сплав и способ его термической обработки были выбраны авторами в качестве прототипа при создании изобретения. Данный сплав имеет следующие недостатки:
присутствие в составе сплава дефицитных и дорогостоящих компонентов (ванадий,
вольфрам, титан, молибден) способствует удорожанию седел клапанов и затрудняет организацию их производства;
образующиеся в структуре сплава тугоплавкие карбиды усложняют процесс термической обработки заготовок седел на заданную твердость, ухудшают обрабатываемость и
притираемость седла к пояску клапана, повышают его износ при эксплуатации.
Недостатком способа термической обработки, взятого за прототип, является высокая
температура нагрева на ее первой стадии, не позволяющая реализовать процесс на промышленном оборудовании. Кроме того, в производственных условиях трудно обеспечить
равномерное понижение температуры печи с предлагаемой в известном способе скоростью.
Задачей настоящего изобретения является улучшение обрабатываемости резанием литых
заготовок седел клапанов за счет гарантированного обеспечения стабильной структуры и
твердости в пределах 35-45 HRC, а также упрощение режима термической обработки.
Поставленная задача решается за счет того, что в литейном сплаве для седел клапанов,
содержащем углерод, кремний, марганец, хром, никель, железо и примеси, соотношение
компонентов выбрано следующее, мас. %:
углерод
2,2...2,8
кремний
1,0...1,5
хром
9...11
марганец
1,5...2,0
никель
0,2...0,4
железо и примеси
- остальное.
а в способе термической обработки литейного сплава, включающем нагрев, выдержку,
охлаждение, выдержку, нагрев и последующее охлаждение, нагрев осуществляют до температуры 850-950 °С, выдерживают 2-4 ч, охлаждают до температуры 750 °С, выдерживают 2 ч, а затем охлаждают до комнатной температуры с печью, причем охлаждение до
температуры 500 °С ведут со скоростью 50-100 °С в ч.
Приведенные соотношения компонентов обеспечивают требуемое сочетание эксплуатационных и технологических свойств литых заготовок седел клапанов после термической обработки.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый сплав отличается
от известного содержанием углерода, хрома, никеля, марганца, а также не содержит ванадия, молибдена, вольфрама и титана.
Выбранные пределы концентрации хрома обеспечивают в сплавах, легированных никелем и марганцем, присутствие карбидов Ме3С и Ме7С3, которые при заливке сплава в
горячие керамические формы образуют преимущественно изолированные включения карбидов. При концентрации хрома выше 11 % повышается стоимость сплава и удлинняется
режим термической обработки, при его концентрации ниже 9 % карбидная фаза представлена только одним карбидом цементитного типа, что повышает хрупкость и ухудшает обрабатываемость. Пределы содержания углерода обеспечивают образование структуры
доэвтектического типа. При содержании углерода выше 2,8 % увеличивается содержание
карбидов, что приводит к снижению пластических свойств материала. При концентрации
углерода менее 2,2 % уменьшается содержание карбидной фазы и падает износостойкость.
Снижение содержания никеля по сравнению со сплавом - прототипом компенсируется по3
BY 6323 C1
вышенным содержанием марганца, оба эти элемента повышают устойчивость аустенита в
критической области и способствуют сфероидизации карбидов при эвтектоидном превращении. При содержании никеля менее 0,2 % его положительное влияние на свойства
сплава не проявляется, при содержании более 0,4 % и повышенном содержании марганца
происходит стабилизация аустенита и падает износостойкость. Марганец в выбранных
пределах способствует образованию некоторого количества метастабильного аустенита,
который в процессе эксплуатации седел клапанов превращается в мартенсит в результате
ударных воздействий на их поверхность, что резко уменьшает износ. При концентрации марганца менее 1,5 % этот эффект не столь значителен, при содержании марганца более 2 % затрудняется эвтектоидный распад аустенита, что ведет к увеличению выдержки при
термической обработке. Кроме того, марганец в выбранных пределах обеспечивает сфероидизацию эвтектоидных карбидов, что улучшает обрабатываемость резанием.
В качестве примера осуществлена выплавка сплавов, химический состав которых
представлен в табл. 1.
Таблица 1
Химический состав опытных сплавов
Coдержание элементов, мас. %
№ Вид спла- Уровень содержания
п/п
ва
компонентов
С
Si
Mn Cr
Ni
V
Mo W
Ti
1 Прототип
Средний
2,8 1,25 0,6
15
0,6 0,2 0,25 0,2 0,07
Предла2
Средний
2,5 1,25 1,75 10
0,3
гаемый
Нижний
2,2 1,0 1,5
9
0,2
Верхний
2,8 1,5 2,0
11
0,4
Ниже нижнего
2,0 0,8 1,4
8
0,1
Выше верхнего
3,0 1,6 2,2
12
0,5
Проведены испытания износостойкости и обрабатываемости сплава, а также определение его твердости как регламентируемого показателя.
Наряду с опытными сплавами проводили выплавку и испытания сплава, состав которого был выбран за прототип.
Результаты испытаний приведены в табл. 2.
Критерием обрабатываемости резанием служила ширина полосы износа "в", мм на
главной задней поверхности твердосплавных резцов ВК6 после прохождения им пути 200 м
при величине подачи S = 0,11 мм на оборот и глубине резания 1,5 мм. Критерием износостойкости служил коэффициент К, показывающий соотношение потери массы при абразивном изнашивании на шлифовальной шкурке заготовок из опытных сплавов и из
закаленной стали 45.
Таблица 2
Свойства известного и предлагаемого сплавов
№
п/п
Вид сплава и уровень содержания компонентов
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Прототип
Предлагаемый средний
Предлагаемый нижний
Предлагаемый верхний
Предлагаемый ниже нижнего
Предлагаемый выше верхнего
Свойства после термической обработки
Твердость, Коэффициент из- Обрабатываемость
HRC
носостойкости, К (износ резца, b, мм)
40
3,1
1,1
40
3,2
1,0
36
3,3
0,9
44
3,4
1,5
34
3,0
0,8
47
3,5
1,8
4
BY 6323 C1
Термическую обработку производили по режиму: нагрев до 900 °С, выдержка 3 ч, охлаждение до 750 °С с печью, выдержка 2 ч, охлаждение до 500 °С со скоростью 70°С/ч, далее
с печью. Твердость литых заготовок измеряли на приборе типа "Роквелл" по шкале "С".
Как видно из приведенной таблицы, наилучшим сочетанием показателей обладают
сплавы 2, 3 и 4.
При оптимизации режимов термообработки литых заготовок седел клапанов на заданную твердость (HRC 35-45) была реализована матрица планирования экспериментов из 16
опытов для 7 переменных факторов, приведенная в табл. 3.
Таблица 3
Матрица планирования
№ п/п
X
X1
T1
1
1
1
1
1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1,188
X2
T2
1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
1
1
1
1
-1
-1
-1
-1
0,000
Х3
X4
X5
Х6
T3
1
1
1
1
1
-1
1
-1
-1
1
-1
-1
-1
-1
-1
1
1
1
-1
-1
1
-1
-1
1
-1
1
1
1
-1
-1
1
-1
1
1
-1
-1
1
-1
-1
1
-1
1
1
1
-1
-1
1
-1
1
1
1
1
1
-1
1
-1
-1
1
-1
-1
-1
-1
-1
1
-2,000 -6,313 -0,563 -3,500
X7
Vохл
HRC
1.
1
36
2.
1
1
48
3.
1
-1
38
4.
1
-1
64
5.
1
1
34
6.
1
-1
39
7.
1
1
36
8.
1
1
40
9.
1
-1
37
10.
1
-1
38
11.
1
1
36
12.
1
1
48
13.
1
1
42
14.
1
-1
54
15.
1
-1
34
16.
1
1
64
Коэф. регрессии 42,9
Примечания:
T1 - температура 1 стадии обработки (1000-850 °С)
Т2 - температура 2 стадии обработки (700-500 °С)
Т3 - температура 3 стадии обработки (850-750 °С)
τ1 - продолжительность 1 стадии обработки (4 ч-0 ч)
τ2 - продолжительность 2 стадии обработки (1 ч-0 ч)
τ3 - продолжительность 3 стадии обработки (4 ч-0 ч)
Vохл - скорость охлаждения после проведения термообработки (50...100 °С/ч).
Из приведенных на фигуре графиков видно, что температура нагрева до 850-900 °C и
выдержка 2-4 ч обеспечивают получение твердости заготовок седел клапанов в заданных
пределах 35-45 HRC при скоростях охлаждения 50-100 °С/ч. При нагреве до температур
ниже 850 °С требуется длительная выдержка для обеспечения нужной твердости, что приводит к обезуглероживанию поверхности заготовок. Повышение температуры выше
900 °С приводит к быстрой потере твердости и не обеспечивает стабильности свойств, а
также снижает стойкость печного оборудования.
Для определения оптимальной температуры 2 стадии термической обработки и пределов
значений скорости охлаждения литые образцы сплава нагревали до 850 °С, выдерживали при
этой температуре 3 ч, охлаждали с печью до температуры 750 °С, выдерживали 2 ч, после чего охлаждали до 500 °С со скоростью 50-100 °С/ч, далее с печью.
Результаты определения свойств предлагаемого сплава приведены в табл. 4.
5
BY 6323 C1
Таблица 4
Температура выдерж- Скорость охлаждения
% Режим 1 стадии
ки на 2 стадии термо- после эвтектоидного НRСЭ
п/п термообработки
обработки
превращения, °С/ч
1
850 °С 4 ч
750
50
40,0
2
850 °С 4 ч
750
60
41,2
3
850 °С 4 ч
750
70-75
42,3
4
850 °С 4 ч
750
80
42,8
5
850 °С 4 ч
750
90-100
42,1
6
850 °С 4 ч
750
100
42,3
7
850 °С 4 ч
750
150-125
45,5
К
В, мм
2,7
3,2
3,2
3,3
3,3
3,3
3,4
1,0
1,1
1,1
1,2
1,2
1,2
1,7
Из приведенных в таблице 4 результатов видно, что скорость охлаждения в эвтектоидном интервале 50...100 °С/ч обеспечивает получение твердости литых заготовок седел
на требуемом уровне и оптимальное сочетание износостойкости и обрабатываемости резанием.
При скорости охлаждения, превышающей 100 °С/ч, происходит увеличение твердости
и ухудшение обрабатываемости резанием. При уменьшении ее до 40 °С/ч падает износостойкость, и появляются трудности с проведением термической обработки в промышленных печах.
Предлагаемое техническое решение отличается от известного более низкой температурой 1 и 2 стадии термообработки, а также скоростью охлаждения в интервале эвтектоидного превращения.
Снижение температуры нагрева связано с изменением компонентного состава сплава,
не содержащего элементов, образующих тугоплавкие карбиды и, следовательно, не требующего слишком высоких температур для коагуляции эвтектических карбидов и усреднения состава твердого раствора. Последнее также достигается за счет увеличения
выдержки на 1 стадии термообработки. Повышение температуры выше 950 °С приводит к
быстрому выходу из строя термического оборудования, при температуре нагрева ниже
850 °С значительно удлиняется выдержка. Снижение температуры на 2 стадии термической обработки обусловлено более низкой температурой эвтектоидного превращения
предлагаемого сплава.
При температуре выше 750 °С сплав находится в аустенитном состоянии, при температуре ниже 750 °С выделения карбидов имеют игольчатую форму, что ухудшает обрабатываемость деталей из предлагаемого сплава. Увеличение регулируемой скорости охлаждения
связано с изменением регламентируемого интервала твердости при скорости охлаждения
менее 60 °С в ч.
Для обеспечения твердости в пределах 35-45 HRC и упрощения режима термической
обработки предлагается вести термическую обработку по режиму: нагрев до температуры
850-950 °С, выдержка 2 часа, охлаждение до температуры 750 °С с печью, выдержка 2 ч,
охлаждение до комнатной температуры, причем до температуры 500 °С со скоростью 50100 °С в час, далее с печью.
Таким образом, предлагаемый литейный сплав для седел клапанов ДВС и способ их
обработки позволяют снизить содержание дефицитных легирующих компонентов, упростить термическую обработку и в то же время получить высокие эксплуатационные и технологические свойства изделий.
Изобретение предлагается внедрить на машиностроительных предприятиях, производящих литые заготовки седел клапанов и изготавливающих дизельные двигатели.
6
BY 6323 C1
Экономическая целесообразность изобретения заключается в удешевлении сплава и
режима его термической обработки и обеспечении заданной твердости литых заготовок
седел клапанов.
Источники информации:
1. Заявка Японии 51-8618, МПК С 22С 38/44, 1976.
2. Заявка Японии 53-46766, МПК С 22С 38/50, 1978.
3. Патент США 3925065, МПК С 22С 38/30, 1975.
4. Гарбер М.Е. Отливки из белых износостойких чугунов. - М.: Машиностроение,
1972. - С. 18-19.
5. Заявка Беларуси 19980981, МПК С 22С 38/58, С 21D 5/00, 2000.
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
7
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
158 Кб
Теги
by6323, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа