АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН Российский патент 1998 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым чугунам с пластинчатым графитом, используемым в узлах трения.

Известен чугун марки АЧС-1 (ГОСТ 1585-85), содержащий, мас.

Углерод 3,2-3,6
Кремний 1,3-2,0
Марганец 0,6-1,2
Медь 0,8-1,6
Железо и примеси Остальное
Недостатками данного чугуна являются значительное различие структуры и свойств в отливках разного сечения и во многих случаях недостаточная износостойкость (особенно в условиях трения по термообработанной стали при повышенных давлениях).

Наиболее близким к предлагаемому по составу и свойствам является чугун [1] содержащий, мас.

Углерод 3,4-3,8
Кремний 2,62-3,2
Марганец 0,4-1,4
Хром 0,26-1,6
Медь 1,82-2,5
Алюминий 0,05-0,2
Кальций 0,005-0,02
Титан 0,1-0,2
Железо Остальное
Повышенные содержания меди и хрома и микролегирование чугуна алюминием, кальцием и титаном повышают прочностные свойства и износостойкость чугуна, но в то же время увеличенное количество карбидов в структуре и нестабильные значения твердости ухудшают обрабатываемость чугуна резанием, что затрудняет изготовление деталей. Другим недостатком чугуна является значительное количество феррита в структуре (из-за повышенного содержания кремния), особенно при толщине стенки отливки более 30 мм. Неоднородность структуры в разных сечениях отливок с наличием в ней структурно свободных участков феррита и включений карбидов приводит к увеличению коэффициента трения в условиях повышенных давлений.

Изобретение направлено на стабилизацию значений твердости чугуна в отливках различного сечения и снижение коэффициента трения для условий работы с сопряженной деталью из термообработанной стали при повышенных удельных нагрузках путем повышения стабильности перлитной структуры.

Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний марганец, хром, медь, алюминий, кальций и титан, дополнительно содержит слово при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 2,98-3,72
Кремний 1,50-2,58
Марганец 0,37-1,39
Хром 0,08-0,46
Медь 1,65-3,80
Алюминий 0,06-0,30
Кальций 0,008-0,02
Титан 0,02-0,08
Олово 0,005-0,06
Железо Остальное
В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,06%) и фосфор (до 0,1%).

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений.

По сравнению с прототипом уменьшено содержание кремния. Поскольку кремний является основным элементом-ферритизатором, то уменьшение его количества приводит к стабилизации перлитной структуры. Если содержание кремния превышает 2,58% то в структуре чугуна появляются участки феррита, что отрицательно сказывается на износостойкости чугуна и коэффициенте трения. Если же содержание кремния меньше 1,5% то в структуре чугуна (особенно в тонкостенных отливках) появляется значительное количество цементита, что резко ухудшает обрабатываемость чугуна резанием.

В составе чугуна увеличен верхний предел содержания меди (до 3,8%), что обеспечивает не только перлитизацию структуры, но и образование значительного количества включений медистой фазы, обеспечивающих снижение коэффициента трения. Увеличение содержания меди сверх 3,8% нецелесообразно, т.к. при этом увеличивается стоимость чугуна без заметного повышения свойств. Содержание меди в чугуне менее 1,65% не обеспечивает полную перлитизацию структуры в образовании медистой фазы, особенно при содержании кремния на верхнем пределе, в результате чего значительно снижаются свойства чугуна.

По сравнению с прототипом уменьшено содержания титана, так как изменена его роль в составе. Титан в виде ферротитана вводится в жидкий чугун в качестве модификатора и должен обеспечить образование мелкозернистой структуры при отсутствии свободного цементита. Эта роль титана обеспечивается при его остаточном содержании в заявляемых пределах. При содержании титана менее 0,02% его модифицирующий эффект не усиливается, но увеличивается стоимость чугуна.

Дополнительный ввод олова в состав чугуна обусловлен его сильным перлитизирующим действием, особенно в сочетании с медью и кремнием. Минимальные количества олова (0,005%) достаточны при повышенном содержании меди (3,0-3,8% ) и средних содержаниях кремния (около 2%); верхний предел содержания олова (006% ) необходим при минимальных количествах меди (1,60-2,0%) и для отливок больших сечений (30 мм и более). Использование большого количества олова экономически нецелесообразно из-за его очень высокой стоимости.

Содержание остальных компонентов сплава соответствуют составу прототипа.

Чугун выплавляли в индукционной тигельной печи с кислой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, передельного чугуна, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома), отходов электротехнической меди и алюминия. Ферросплавы вводили в расплав при 1350-1380^oC, после их расплавления вводили медь и алюминий. Алюминий частично использовали в составе комплексного модификатора совместно с силикокальцием, ферротитаном и оловом. Модифицирование проводили при переливе металла из печи в разливочный ковш.

Жидкий чугун разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали цилиндрические пробы двух размеров: диаметром 30 мм и длиной 300 мм, диаметром 100 мм и высотой 180 мм. Пробы обрабатывали на токарном станке с использованием резцов из твердого сплава ВК 6. Из проб вырезали образцы для металлографического анализа, определения твердости и испытаний на износ. Испытания на износ проводили на машине МИ-IМ в условиях сухого трения по схеме вращающийся диск -неподвижная колодка. Диск контртела изготавливали из стали 45 и термообрабатывали на HRC_э45-46. Испытания проводили при скорости скольжения V 40 м/мин при удельных нагрузках 1,5 и 5,0 МПа. Износ определяли по потере массы образца в процессе изнашивания. Параллельно определяли коэффициент трения.

Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены соответственно в табл. 1 и 2 в сопоставлении с прототипом.

Видно, что чугун предлагаемого состава (сплавы 1-4) отличается от прототипа сочетанием более стабильной перлитной структуры, стабилизированных в узком интервале значений твердости и низких значений коэффициента трения и интенсивности изнашивания, причем это характерно для отливок разного сечения. Из сопоставления с бронзой БРОЦС 5-5-5 видно, что при повышенных давлениях предлагаемый чугун по коэффициенту трения не уступает бронзе, а по износостойкости значительно превосходит ее. Это позволяет рекомендовать данный чугун в качестве полноценного заменителя бронзы для деталей, работающих в узлах трения при повышенных удельных нагрузках.

Из приведенных в табл. 1 и 2 данных видно также, что при выходе за предлагаемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 5 и 6) наблюдается значительное отклонение от чисто перлитной структуры (появляются структурно свободные участки феррита и цементита), приводящие к существенным отклонениям от оптимального уровня (около НВ 200) значений твердости и повышению коэффициента трения.

Использование: антифрикционный чугун может быть использован для изготовления деталей узлов трения. Сущность изобретения:чугун содержит компоненты в следующем соотношении,мас.%: углерод 2,98 - 3,72; кремний 1,50 - 2,58; марганец 0,37 - 1,39; хром 0,08- 0,46; медь 1,65 - 3,80; алюминий 0,06 - 0,30; кальций 0,008-0,02; титан 0,02-0,08; олово 0,005 - 0,06; железо - остальное. При реализации изобретения обеспечивается стабилизация значений твердости в отливках различного сечения и снижение коэффициента трения в условиях работы с сопряженной деталью из термообработанной стали при повышенных удельных нагрузках за счет повышения стабильности перлитной структуры чугуна. 2 табл.

Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, алюминий, кальций и титан, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово при следующем соотношении компонентов, мас.

Углерод 2,98 3,72
Кремний 1,50 2,58
Марганец 0,37 1,39
Хром 0,08 0,46
Медь 1,65 3,80
Алюминий 0,06 0,30
Кальций 0,008 0,02
Титан 0,02 0,08
Олово 0,005 0,06
Железо Остальное$