ПОЛОВИНЧАТЫЙ ЧУГУН Российский патент 2000 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к половинчатым чугунам, обладающим повышенными антифрикционными свойствами, износостойкостью и прочностью.

Известен половинчатый антифрикционный чугун АЧС-5 [1], содержащий, мас. %:
Углерод - 3,5 - 4,3
Кремний - 2,5 - 3,5
Марганец - 7,5 - 12,5
Алюминий - 0,4 - 0,8
Железо - Остальное
Чугун имеет аустенитно-карбидно-графитную структуру, наклепывается в процессе работы и используется в особо нагруженных узлах трения. К недостаткам этого чугуна относятся невысокие прочностные свойства и ударная вязкость при недостаточно низком коэффициенте трения в условиях работы без смазки.

Наиболее близким к предлагаемому является половинчатый чугун [2], содержащий, мас.%:
Углерод - 3,0 - 4,2
Кремний - 2,4 - 3,3
Марганец - 0,3 - 1,5
Хром - 1,2 - 2,6
Ванадий - 0,1 - 0,8
Медь - 0,4 - 2,3
Титан - 0,05 - 0,2
Алюминий - 0,4 - 0,8
Магний - 0,002 - 0,05
Кальций - 0,005 - 0,05
РЗМ - 0,005 - 0,06
Железо - Остальное
Чугун отличается высокими и стабильными значениями прочности при повышенной износостойкости и невысоком коэффициенте трения. Однако в особо тяжелых условиях при больших удельных нагрузках износостойкость чугуна резко снижается; чрезмерно большим остается в этом случае коэффициент трения.

Задача изобретения - создание композитной структуры чугуна с основой, упрочняющейся в процессе трения при повышенных нагрузках.

Технический результат - повышение прочности, износостойкости и снижение коэффициента трения в особо тяжелых условиях работы трущихся деталей (при больших удельных нагрузках).

Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, медь, алюминий, магний, кальций и РЗМ, содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 3,54 - 4,39
Кремний - 2,97 - 4,03
Марганец - 6,3 - 9,8
Хром - 0,73 - 1,59
Ванадий - 1,32 - 3,25
Медь - 1,64 - 3,16
Алюминий - 0,04 - 0,28
Магний - 0,03 - 0,06
Кальций - 0,006 - 0,03
РЗМ - 0,01 - 0,04
Железо - Остальное
В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,02%) и фосфор (до 0,1%).

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений.

Резко увеличено содержание марганца в чугуне с целью получения аустенитной основы в его структуре. Аустенитная структура легко наклепывается в процессе работы узла трения, особенно при повышенных нагрузках, что приводит к сохранению композитной структуры на поверхности трения, повышению износостойкости чугуна и снижению коэффициента трения. При содержании марганца менее 6,3% количество аустенита в структуре чугуна уменьшается, появляется мартенситно-трооститная структура, что приводит к повышению твердости и ухудшению антифрикционных свойств чугуна. При содержании марганца 9,8% чугун имеет полностью аустенитную структуру матрицы даже в толстостенных отливках и более высокое содержание марганца приводит только к повышению устойчивости аустенита, уменьшая его способность наклепываться при нагружении.

Содержание ванадия в чугуне увеличено с целью получения в его структуре эвтектики на основе карбидов ванадия. Такая эвтектика обеспечивает формирование композитной аустенитно-карбидно-графитной структуры как по всему объему изделия, так и на поверхности трения. При содержании ванадия менее 1,32% образуется значительное количество сложной эвтектики на основе карбидов М₇C₃ (типа Cr₇C₃) и легированного цементита, что нарушает композитный характер структуры и ухудшает свойства чугуна. Содержание ванадия более 3,25% не влияет на композитный характер структуры, но приводит к уменьшению количества графита, ухудшая антифрикционные свойства чугуна.

В связи с увеличением количества марганца и ванадия, являющихся карбидообразующими и отбеливающими элементами (способствующими образованию структуры белого чугуна), в составе чугуна увеличено и содержание кремния как по нижнему (2,97%), так и по верхнему (4,03%) пределу. При содержании кремния меньше 2,97% усиливается склонность чугуна к отбелу, что проявляется в повышении твердости, снижении прочности и ухудшении антифрикционных свойств чугуна. При содержании более 4,03% кремний снижает механические свойства чугуна и его износостойкость.

Остальные компоненты содержатся в чугуне в пределах, аналогичных прототипу, и их влияние не отличается от изложенного в описании прототипа.

Чугун выплавляли в индукционной тигельной печи ИСТ-0.06 с основной хромомагнезитовой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, передельного чугуна, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома, феррованадия), электродного боя, отходов электротехнической меди и алюминия. Алюминий и медь использовались частично и в составе комплексного модификатора совместно с лигатурой Fe-Si-Mg-Ca-РЗМ и добавками РЗМ в виде ферроцерия.

Модифицирование чугуна проводили в разливочном ковше емкостью 50 кг методом сандвич-процесса, пригружая модифицирующую смесь отходами меди. Температура модифицируемого металла составляла 1450-1480^oC.

Жидкий чугун разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали стандартные разрывные образцы диаметром 10 мм (типа образцов для ковкого чугуна) и пластины сечением 15х15 мм. Из последних изготавливали образцы для проведения испытаний на износ и металлографического анализа. Литые образцы и пластины подвергали термической обработке, состоящей из отжига для частичной графитизации карбидов (950^oC, 2 часа), закалки на воздухе и отпуска для снятия напряжений (180^oC, 1 час).

Испытания на износ проводили на модернизированной машине МИ-1М в условиях сухого трения (без смазки) по схеме "вращающийся диск - неподвижная колодка". Диск контртела диаметром 50 мм изготавливали из стали 45, термообработанной на HRC_э46. Испытания проводили при частоте вращения диска 250 об/мин с удельными нагрузками 1,5 и 20 МПа. Износ определяли по потери массы образца в процессе изнашивания (на 1 см² поверхности трения при пути трения 1 км). Параллельно определяли коэффициент трения.

Химические составы чугунов и результаты их испытаний приведены в табл. 1 и 2 в сопоставлении с известным чугуном (прототипом).

Видно, что чугун предлагаемого состава отличается от известного более высокими прочностными свойствами и износостойкостью при пониженном коэффициенте трения. Особенно преимущества предлагаемого чугуна видны при сухом трении в условиях больших нагрузок (например, при P=20 МПа).

При выходе за предлагаемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 6 и 7) существенно ухудшаются его свойства: у чугуна состава 6 - прочность и коэффициент трения, у чугуна состава 7 - износостойкость и коэффициент трения.

Источники информации
1. Антифрикционный чугун. ГОСТ 1585-85.

2. Патент СССР N 1746888, кл. C 22 C 37/06, 1992.

Использование: в машиностроении для деталей высоконагруженных узлов трения. Техническим результатом изобретения является получение композитной структуры чугуна с основой, упрочняющейся в процессе трения при повышенных нагрузках. Сущность изобретения: чугун содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: углерод 3,54 - 4,39; кремний 2,97 - 4,03, марганец 6,3 - 9,8; хром 0,73 - 1,59; ванадий 1,32 - 3,25; медь 1,64 - 3,16; алюминий 0,04 - 0,28; магний 0,03 -0,06; кальций 0,006 - 0,03; P3M 0,01 - 0,04; железо - остальное. При эксплуатации изделий из предложенного чугуна обеспечивается повышение прочности, износостойкости и антифрикционных свойств, особенно в условиях трения при больших нагрузках. 2 табл.

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, ванадий, медь, алюминий, магний, кальций и РЗМ, отличающийся тем, что содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Углерод - 3,54 - 4,39
Кремний - 2,97 - 4,03
Марганец - 6,3 - 9,8
Хром - 0,73 - 1,59
Ванадий - 1,32 - 3,25
Медь - 1,64 - 3,16
Алюминий - 0,04 - 0,28
Магний - 0,03 - 0,06
Кальций - 0,006 - 0,03
РЗМ - 0,01 - 0,04
Железо - Остальное