RS54426B1 - Visokolegirano liveno gvožđe sa sferičnim grafitom koje ima austenitnu strukturu, primena tog livenog gvožđa za proizvodnju konstrukcionih delova i konstrukcioni delovi izrađeni od tog livenog gvožđa - Google Patents

Abstract

Visokolegirano liveno gvožđe sa sferičnim grafitom koje ima austenitnu strukturu, naznačeno time, štoobuhvata sledeće sastojke u sledećim masenim procentima:Hrom (Cr) u opsegu od 1,6% do 2,0%Molibden (Mo) u opsegu od 0,9% do 1,1%Niobijum (Nb) u opsegu od 0,3% do 0,5%Nikl (Ni) u opsegu od 34% do 36%Silicijum (Si) u opsegu od 6,1% do 6,7% Ugljenik (C ) u opsegu od 1,6 % do 2,0%Volfram (W) u opsegu od 0,5% do 0,7%Mangan (Mn), u opsegu od 0,5% do 0,65%,koje opciono dalje obuhvataFosfor(P)≤ 0,1%Bakar(Cu)≤ 0,1%,pri čemu liveno gvožđe u ostatku čini železo.Prijava sadrži još 4 patentna zahteva.

Description

OBLAST TEHNIKE

Ovaj pronalazak se odnosi na proizvodnju konstrukcionih ferolegura, posebno na legure železo-ugljenik, kao što su livena gvožđa i čelici, a određenije na visokolegirano liveno gvožđe sa sferičnim grafitom koje ima austenitnu strukturu hemijskog sastava prema preambuli zahteva 1.

STANJE TEHNIKE

U aktuelnom stanju tehnike poznat je veliki broj legura železo-ugljenik, pri čemu je svaka okarakterisana (ukratko) svojim troškovima, obradivosti i mehaničkim osobinama.

Posebno, što se tiče mehaničkih osobina, poznato je da se, ako su drugi faktori jednaki, one značajno menjaju sa promenama temperature.

Zbog toga izbor ferolegure kojom bi se izradio mehanički deo ili konstrukciona komponenta obično čak i zavisi od radne temperature kojoj je izložena ta konstrukciona komponenta tokom njene radne primene.

Sa druge strane čak je i konstruisanje mehaničkog uređaja pod uticajem takvih ograničenja, budući da tako na primer nije moguće razmišljati o postizanju konkretnih temperatura jer će se na njima komponenta pući.

U svim ovim okolnostima izbor materijala predstavlja ozbiljne probleme konstruisanja jer je neophodno da se alternativno preferiraju pouzdanost ili jeftinoća, budući da obično nije moguće imati oba.

Konkretan primer, u ovom smislu, predstavlja polje izduvnih grana i turbina za motorna vozila, kao i turbo grana (ovo tehničko polje je na engleskom često identifikovano pod opštim terminom "automobilsko").

Nedavni tehnološki razvoji doveli su do toga da radna temperatura tih delova može da dostigne vrednosti u opsegu od oko 800°C do 1020°C. Poznate legure, kao što su CF8 C-Plus poznata iz „Creep behaviour of a new čast austenitic alloy", John P. Shingledecker et al., Oak Ridge National Laboratorv, TN, USA, 2006. godine, korišćene za izradu ovih proizvoda, u gorepomenutom opsegu radne temperature, obično su dve: liveno gvožđe sa visokim sadržajem nikla ili austenitni nerđajući čelici. Liveno gvožđe sa visokim sadržajem nikla dostupno je na tržištu pod nazivom Ni-Resist liveno gvožđe i ima austenitnu strukturu; poznato je nekoliko kompozicija ove vrste livenog gvožđa, a jedna je naročito korisna za oblast primene na koje se poziva opis u dokumentu pod nazivom "Ni-Resist type D5S an improved material forturbocharger housings" objavljen 1980.

Kako bi se shvatile promene u mehaničkim osobinama takvog livenog gvožđa i austenitnog čelika u funkciji temperature, potrebno je pozvati se na priloženi FIG. 1, gde apscisa predstavlja Temperaturu u [°CJ, ordinata predstavlja napon u [MegaPaskalima, MPa], i dva grafikona kretanja zatezna čvrstoće livenog gvožđa EN-GJSA-XNiSiCr35-5-2 "Ni-Resist D5S" (označeno kao NR) i AISI 309s čelika (označen kao IS).

Kao što se jasno vidi na grafikonu IS čelik generalno ima zateznu čvrstoću (pri čemu je temperatura jednaka) veću od NR livenog gvožđa; međutim on takođe ima znatno višu cenu, oko dva puta višu od NR livenog gvožđa.

U temperaturnom opsegu od 940°C do 980°C NR liveno gvožđe ima nagli pad zatezne čvrstoće: na 940°C zatezna čvrstoća livenog gvožđa je jednaka oko 35 Mpa (Tab.l) i kako prelazi ovu temperaturu zatezna čvrstoća pada na nulu, čineći na taj način liveno gvožđe neupotrebljivo u poželjnoj oblasti počev već od 940°C.

Sa druge strane, IS čelik, pri tim temperaturnim vrednostima ima prilično visoku zateznu čvrstoću, jednaku oko 110 Mpa.

Budući da je temperaturni opseg obično onaj koji pripada izduvnim granama, turbinama i turbo granama koje se koriste u „automobilskoj" oblasti, prethodno pomenuti problem je tu prisutan.

U temperaturnom opsegu od 900°C do 1020°C, izbor materijala od kojih treba da se izrade izduvne grane, turbine i turbo grane prilično je komplikovan: sa jedne strane, izborom NR livenog gvožđa, dobijaju se jeftiniji odliva", ali koji se lako skloni oštećenjima, sa druge strane, izborom IS nerđajućeg čelika, dobijaju se pouzdani komadi, ali sa znatnom visokim troškovima.

Pored toga mora se napomenuti da, za takve proizvode, zatezna čvrstoća austenitnog IS nerđajućeg čelika ima vrednost znatno veću nego što je potrebna po specifikacijama nekoliko proizvođača, što ima za posledicu da je upotreba austenitnog nerđajućeg čelika izgleda nerazumna u odnosu na stvarne mehaničke zahteve izduvnih grana, turbina i turbo grana, ali to je jedini izvodljiv način ako želi da se izbegne rano pucanje takvih komada.

Prema tome u sadašnjem stanju tehnike postoji potreba postojanja dostupnog materijala koji bi trebalo da je jeftin i da bude obradiv i da ima dobre mehaničke osobine (npr. dobru zateznu čvrstoću) na temperaturama u opsegu od 900°C do 1020°C.

PREDMETI I SUŠTINA PRONALASKA

Ovaj pronalazak ima za cilj prevazilaženje nedostataka stanja tehnike.

Naročito, ovaj pronalazak ima za cilj da obezbedi materijal koji ispunjava zahteve koji su prethodno postavljeni.

Prvi predmet ovog pronalaska je visokolegirano liveno gvožđe sa sferičnim grafitom koje ima austenitnu strukturu koje obuhvata sledeće sastojke u sledećim procentima (masenim, u odnosu na ukupnu masu):

Hrom (Cr) u opsegu od 1,6% do 2,0%

Molibden (Mo) u opsegu od 0,9% do 1,0%

Niobijum (Nb) u opsegu od 0,3% do 0,5%

Niki (Ni) u opsegu od 34% do 36%

Silicijum (Si) u opsegu od 6,1% do 6,7%

Ugljenik (C) u opsegu od 1,6% do 2,0%

Volfram (W) u opsegu od 0,5% do 0,7%

Mangan (Mn) u opsegu od 0,5% do 0,65%,

koje opciono dalje obuhvata

Fosfor (P) < 0,1%

Bakar (Cu) < 0,1%,

pri čemu liveno gvožđe obuhvata železo kao ostatak.

Dalji predmet ovog pronalaska je deo, određenije konstrukcioni deo, izrađen od pomenutog livenog gvožđa, određenije izrađen postupkom livenja posle koga sledi jedan ili više mašinskih postupaka utklanjana livačkih viškova.

Još jedan predmet ovog pronalaska je turbo grana za motore sa unutrašnjim sagorevanjem (Otto ili dizel motori) izrađena od pomenutog livenog gvožđa.

KRATAK OPIS CRTEŽA

Pronalazak će biti opisan u nastavku sa pozivanjem na neograničavajuće primere, iznete kao primer, a ne kao ograničenje u priloženim crtežima. Ovi crteži pokazuju različite karakteristike predmetnog pronalaska, a naročito: FIG. 1 predstavlja promene zatezne čvrstoće u funkciji temperature poznatog tipa livenog gvožđa i čelika, koji je takođe poznat; FIG. 2 predstavlja promene zatezne čvrstoće livenog gvožđa prema ovom pronalasku; FIG. 3 predstavlja poređenje između zateznih čvrstoća u funkciji temperature poznatih materijala i livenog gvožđa prema ovom pronalasku; FIG. 4 je dijagram UTS (zatezne čvstoće pri pucanju) livenog gvožđa prema ovom pronalasku.

DETALJAN OPIS PRONALASKA

Visokolegirano liveno gvožđe sa sferičnim grafitom koje ima austenitnu strukturu prema ovom pronalasku obuhvata sledeće sastojke u sledećim masenim procentima:

Hrom (Cr) u opsegu od 1,6% do 2,0%

Molibden (Mo) u opsegu od 0,9% do 1,1%

Niobijum (Nb) u opsegu od 0,3% do 0,5%

Niki (Ni) u opsegu od 34% do 36%

Silicijum (Si) u opsegu od 6,1% do 6,7%

Ugljenik (C) u opsegu od 1,6% do 2,0%

Volfram (W) u opsegu od 0,5% do 0,7%

Mangan (Mn), u opsegu od 0,5% do 0,65%

koje opciono dalje obuhvata

Fosfor (P) < 0,1%

Bakar (Cu)< 0,1%,

pri čemu liveno gvožđe u ostatku čini železo.

Prijavilac sa iznenađenjem utvrdio da visokolegirano liveno gvožđe sa sferičnim grafitom koje ima austenitnu strukturu koje obuhvata, između ostalog, prethodno pomenute sastojke u pomenutim procentima, ima optimalna mehanička svojstva, koja su ona između onih NR livenog gvožđa pomenutog gore i onih austenitnih IS nerđajućih čelika pomenutih gore.

Štaviše, legura prema predmetnom pronalasku povoljno ima prosečnu cenu između one poznatog NR livenog gvožđa i austenitnih nerđajućih čelika, te je zanimljivija za uštedu troškova u poređenju sa austenitnim nerđajućim čelikom.

Liveno gvožđe prema ovom pronalasku suštinski ima najbolja svojstva za prevazilaženje prethodno navedenih nedostataka i za izvođenje funkcije kao materijal za izradu turbo grana za motore sa unutrašnjim sagorevanjem.

Mora se napomenuti da liveno gvožđe prema predmetnom pronalasku i dalje ima, u temperaturnom opsegu od oko 780°C do 840°C, veću zateznu čvrstoću u odnosu na onu IS čelika, što ga čini još pogodnijim od ovog drugog za specifične primene u takvom temperaturnom opsegu.

Silicijum je grafitirajući element i pomera eutektičnu transformaciju u levo povećavajući eutektičnu temperaturu; ove dve kombinovane akcije (grafitirajuća akcija i pomeranje eutektične krive) smanjuje opseg očvršćavanja za date vrednosti ugljenika.

Osim toga, silicijum je alfagen element i u vrednostima koje variraju u opsegu pronalaska (od 6,1

do 6,7%) pomera očvršćavanje legure u stabilan sistem (grafit i ferit).

Osim toga smanjuje stabilnost eutektičkog i perlitnog karbida.

Sadržaj ugljenika u eutektoidu smanjuje se silicijumorm za od oko 0,1% za svaki 1% povećanja silicijuma (Tstabilna = 1154°C + 4<*>Si-2<*>Mn -30<*>P; Tmetastabilna = 1147<a>C-10<*>Si-30<*>P+30<*>Cr).

Dakle, jednostavnim rečima, moguće je reći da zbog toga dodavanje silicijuma u prikazanim procentima daje visoku dimenzionalnu stabilnost pri visokim temperaturama i bolju otpornost na koroziju izazvanu kiselinom; u prethodno prikazanim procentima takođe poboljšava i skidanje površinskih nečistoća toplotom (gubitak oksidacije).

Ovde se mora napomenuti i da bi, u principu, obezbeđivanje silicijuma u vrednostima višim od 6mas.% bilo nepreporučljivo za austenitno liveno gvožđe, na osnovu raspoložive naučne literature.

Ovo proističe iz činjenice da je silicijum notorno alfagen element, koji potpomaže formiranje stabilnog ferita, suprotstavljajući se formiranju austenita, zbog čega bi u livenom gvožđu sa austenitnim matricom kao ono prema predmetnom pronalasku bilo kontradelujuće.

Prijavilacje iznenađujuće primetio da dosadašnje prisustvo volframa ne utiče na formiranje austenitne matrice, jer se kombinuje sa grafitom izdvojenim silicijumom i koji rezultira u formiranju daljih vrlo stabilnih karbida volframa.

Što se tiče nikla, mora se napomenuti da on ima gamagen dejstvo i da smanjuje kritične tačke i kritične brzine hlađenja, kao i to da rafiniše zrno perlita. Niki, u prikazanim procentima, garantuje stabilnost matrice livenog gvožđa na temperaturi okoline do 1020T i ne generiše karbide.

Što se tiče hroma, on je alfagen element i vrlo visok karbidformirajući element koji formira veoma termički stabilne karbide.

Procenti hroma prikazani u formulaciji livenog gvožđa prema ovom pronalasku garantuju grafitizaciju eutektičkog cementita i perlita za usporavanje tokom normalno sporog hlađenja.

Sa prekoračenjem hroma od preko 1% , doći će do formiranja karbida.

Generalno poboljšanje mehaničkih svojstava može se dobiti dodavanjem od oko 1,6% do 2% hroma prema ovom pronalasku, zbog velikog stabilizirajućeg efekta perlita, koje obavlja hrom, i zbog uklanjanja slobodnog perlita formiranog nakon sporog hlađenja.

Ovaj efekat hroma dovodi do povećanja tvrdoće i otpornosti na habanje livenog gvožđa.

Liveno gvožđe prema predmetnom pronalasku prema tome pokazuje odličnu stabilnost pri visokoj temperaturi i bolju otpornost na koroziju sprečavajući formiranje površinskih nečistoća pomažući na taj način formiranje austenitne matrice.

Molibden, u procentima gore prikazanim, je najefikasniji element koji poboljšava otpornost livenog gvožđa prema ovom pronalasku i koji poboljšava njegovu izdržljivost.

U procentu od oko 1% (od 0.9% do 1,1%) povoljno utiče na stabilizaciju perlita i poboljšanje strukturne uniformnosti, koja, posledično, povećava otpornost i tvrdoću.

Molibden formira međukristalne karbide i lako se taloži zajedno sa hromom u eutektične fosfide.

Pored toga molibden dodat u procentima od 0,9% do 1,1% poboljšava otpornost na toplotu i obezbeđuje dobru otpornost na habanje.

Sa druge strane činjenica da se niobijum dodaje u procentima od 0,3% do 0,5% u formulisanju livenog gvožđa prema ovom pronalasku uglavnom je usmerena na poboljšanje njegovih mehaničkih svojstava smanjujući veličinu eutektičkih ćelija.

Pored toga, smanjuje tendenciju formiranja karbida smanjivanjem pothlađivanja i povećanjem broja eutektičkih ćelija i povoljno se suprotsavlja taloženju karbida hroma koji uzrokuje smanjivanje kovnosti.

Volfram, u gore prikazanim procentima, obezbeđuje livenom gvožđu prema ovom pronalasku optimalnu otpornost na koroziju i većinu mineralnih kiselina da slabo utiču na njega.

Volfram značajno povećava tvrdoću, a visoka temperatura topljenja čini ga veoma pogodnim izborom za konstrukcione primene izložene visokim temperaturama, poput onih na koje se ovaj pronalazak odnosi, kao što su, na primer, turbo grane, izduvne grane za turbine u "automobilskom "polju ili slično. Njegov visok modul elastičnosti se koristi na niskim temperaturama.

Volfram u procentima od oko 0.5% do 0.7% obezbeđuje dobru otpornosti na puzanje.

Iznenađujuće (iako je volfram opšte poznat i nepreporučljiv u ovom polju zbog njegove tendencije da generiše prekomernu tvrdoću i nisku obradivost materijala) prijavilac je primetio da, ubačen u liveno gvožđe prema ovom pronalasku, povećava prisustvo stabilnih karbida između zrna koji još više obezbeđuju dimenzionalnu stabilnost i krutost na visokim temperaturama.

Neželjeni efekat koji se odnosi na prisustvo volframa u livenom gvožđu prema ovom pronalasku, a koji je povezan sa preteranom površinskom tvrdoćom briljantno je prevaziđen od strane prijavioca ubacivanjem u formulaciju prema ovom pronalasku silicijuma u prikazanim procentima, koji, imajući grafitirajuću funkciju, pomaže u izdvajanju slobodnog grafita povećavajući karakteristike obradivosti. Konačno, što se tiče mangana, u procentima od 0,5% do 0,65% povoljno deluje kao snažan austenitni stabilizator; ovde se mora napomenuti da se mangan u većim količinama vezuje sa ugljenikom u obliku Mn3C, izomorfnim karbidom, sličan cementitu, i zbog toga ga treba izbegavati. Mangan u ovoj formulaciji, takođe je gamagen element koji stabilizaciju perlit i prečišćava perlitnu matricu.

Štaviše, opciono, visokolegirano liveno gvožđe sa sferičnim grafitom koje ima austenitnu strukturu prema ovom pronalasku dalje obuhvata sledeće sastojke u sledećim masenim procentima:

Fosfor (P) < 0,1%

Bakar (Cu)< 0,1%

Prednosti koje proističu iz livenog gvožđa prema ovom pronalasku mogu se odmah uočiti analizom iz priloženog FIG. 2, gde apscisa predstavlja Temperaturu u [°C], ordinata predstavlja mehaničko opterećenje u [MegaPaskalima, MPa ] i gde je prikazana zatezna čvrstoća livenog gvožđa prema ovom pronalasku.

Kao što se može odmah videti pravac kretanja zatezne čvrstoće 1 livenog gvožđa prema ovom pronalasku, u temperaturnom opsegu od 850°C do 980°C znatno je veći nego poznatog NR livenog gvožđa.

Takvo poređenje između zatezne čvrstoće 1 livenog gvožđa prema ovom pronalasku, prethodno opisanog NR livenog gvožđa i IS čelika, prikazano je u grafikonu na FIG. 3, koji se osvrće na grafikone sa

FIG. 1 i 2 i sumira ih ujedan pregled.

Test je izveden na uzorku livenog gvožđa prema ovom pronalasku koji ima sledeće sastojke u sledećim tačnim masenim procentima:

Mora se napomenuti da su ove vrednosti čak i najbolje u pogledu sastava livenog gvožđa ovog pronalaska, jer imaju najbolju ravnotežu između proizvodnih troškova i mehaničkih svojstava, posebno što izvedene refernce u pogledu temperaturnog opsega i primene u automobilskoj oblasti na koje se poziva nisu izvedene kao ograničenje.

Vrednosti koje su pronađene, pored toga što su vidljive na grafikonu na FIG. 3, unete su kao takve u Tab.l ispod.

Uzgred treba zapaziti da, u temperaturnom opsegu od 780°C do 102C<T>C i označenom kao INT (a) na FIG. 3, zatezna čvrstoća 1 livenog gvožđa prema ovom pronalasku je uvek veća od one poznatog NR livenog gvožđa.

Mora se napomenuti čak i da u temperaturnom opsegu od 780°C do 840°C, označenom sa INT (b) na FIG. 3, zatezna čvrstoća livenog gvožđa prema ovom pronalasku je čak i veća od one skupljeg IS čelika, čineći zapravo na taj način liveno gvožđe prema ovom pronalasku ne samo jeftinije od čelika, već i otpornije što se tiče konkretnih primena.

Konačno, u temperaturnom opsegu iznad 980°C, označenom sa INT (c) na FIG. 3, liveno gvožđe prema ovom pronalasku ima zateznu čvrstoću nižu od one IS čelika, ali koja je i dalje dovoljna za izradu turbo grana i izduvnih grana u automobilskoj oblasti.

U ovom INT (c) opsegu NR liveno gvožđe je potpuno beskorisno, jer je njegova zatezna čvrstoća približna nuli, dok kod čelika, i pored znatno većeg troška, čak i mehanička svojstva prelaze performanse potrebne za normalnu turbo granu.

Prema tome na ovaj način moguće je reći da je liveno gvožđe prema ovom pronalasku privilegovan izbor za izradu takvih mehaničkih komponenti.

Pored toga, i dalje analize o livenom gvožđu prema ovom pronalasku potvrđuju ovo stanje stvari, i pokazuju da se dobro ponaša u pogledu UTS (zatezna čvrstoća pri pucanju) u funkciji temperature, kakva je prikazana u priloženom FIG. 4, gde apscisa predstavlja temperaturu kojoj je uzorak izložen, merenu u [°C], a ordinata predstavlja aksijalnu silu kojoj se cilindrični uzorak podvrgava u MegaPaskalima [MPa],

Prema tome iz svega prethodnog lako je shvatiti kako je upotreba livenog gvožđa u skladu sa ovim pronalaskom za izradu konstrukcionih komponenti predviđenih da se koriste na visokoj temperaturi optimalna u pogledu nekoliko apekata: i troškova i mehaničkih osobina.

Dakle, na ovaj način je moguće predvideti da je poželjno izraditi izduvne grane turbine i turbo grane Otto ili dizel motora sa pikovima temperatura izduvnih gasova u opsegu od 950°C do 1020°C od livenog gvožđa prema ovom pronalasku: mehanička opterećenja kojima su one izložene su široko izdrživa od strane ovog materijala, a troškovi proizvodnje su niski u poređenju sa austenitnim nerđajućim čelikom.

Očigledno stručnjak iz ove oblasti može da obezbedi dodatne sastojke u odnosu na one prethodno prikazane, eventualno kako bi se bi se poboljšala ostala mehanička svojstva da bi se prilagodilo ponašanje konstrukcionih komponenti na određenim radnim uslovima, bez udaljavanja od obima zaštite ovog pronalaska.

Dalje, stručnjak iz ove oblasti može da obezbedi manju promenu procenata koji se kreću iznad prethodno i u zahtevima opisanih, obezbeđujući na taj način liveno gvožđe kao ono ovde opisano i prema tome bez udaljavanja od obima ovog pronalaska.

Claims (5)

1. Visokolegirano liveno gvožđe sa sferičnim grafitom koje ima austenitnu strukturu, naznačeno time, što obuhvata sledeće sastojke u sledećim masenim procentima: Hrom (Cr) u opsegu od 1,6% do 2,0% Molibden (Mo) u opsegu od 0,9% do 1,1% Niobijum (Nb) u opsegu od 0,3% do 0,5% Niki (Ni) u opsegu od 34% do 36% Silicijum (Si) u opsegu od 6,1% do 6,7% Ugljenik (C) u opsegu od 1,6% do 2,0% Volfram (W) u opsegu od 0,5% do 0,7% Mangan (Mn), u opsegu od 0,5% do 0,65%, koje opciono dalje obuhvata Fosfor (P)< 0,1% Bakar (Cu) < 0,1%, pri čemu liveno gvožđe u ostatku čini železo.

2. Liveno gvožđe prema prethodnom zahtevu, koje obuhvata sledeće sastojke u sledećim masenim procentima: Niobijum (Nb) jednako 0,4% Ugljenik (C) jednako 1,7% Hrom (Cr) jednako 2,0% Molibden (Mo) jednako 1,0% Niki (Ni) jednako 36% Silicijum (Si) jednako 6,4% Volfram (W) jednako 0,6% Mangan (Mn) jednako 0,55%.

3. Upotreba livenog gvožđa prema bilo kom od prethodnih zahteva za proizvodnju konstrukcionog dela izrađen barem delimično postupkom livenja.

4. Konstrukcioni deo, naznačen time, što obuhvata najmanje deo izrađen od livenog gvožđa prema jednom ili više od prethodnih zahteva.

5. Izduvna grana, turbina ili turbo grana za motore sa unutrašnjim sagorevanjem, naznačene time,što su najmanje delom izrađene od livenog gvožđa prema jednom ili više od prethodnih zahteva.