АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН Российский патент 2006 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам с шаровидным графитом, используемым в узлах трения. Известен чугун [1], содержащий, мас.%:

Углерод2,89-3,80Барий0,06-0,17Кремний2,23-3,15Магний0,02-0,05Марганец0,26-0,73Кальций0,006-0,02Медь0,69-2,64РЗМ0,01-0,06Хром0,01-0,08ЖелезоостальноеОлово0,04-0,10  

Этот чугун обладает стабильной перлитной структурой при повышенной прочности и износостойкости.

Недостатками чугуна являются затрудненная прирабатываемость и повышенный износ сопряженной детали.

Наиболее близким к предлагаемому является чугун [2], содержащий, мас.%:

Углерод2,8-4,2Кальций0,005-0,02Кремний3,6-5,8Магний0,01-0,05Марганец0,3-0,8Алюминий0,05-0,7Молибден0,05-0,2РЗМ0,01-0,08Медь0,6-1,8ЖелезоостальноеХром0,05-0,3  

Чугун обладает высокой прочностью и износостойкостью. За счет молибдена уменьшена склонность чугуна к ферритной хрупкости.

К недостаткам чугуна относятся сравнительно высокие значения коэффициента трения и твердости чугуна, вызывающие повышенный износ сопряженной детали.

Задача изобретения - создание в чугуне особой структуры, состоящей из двухфазного (гетерогенизированного) феррита и шаровидного графита.

Технический результат - снижение значений коэффициента трения, твердости чугуна и износа сопряженной детали при сохранении высокой износостойкости и повышенной прочности чугуна.

Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, молибден, магний, кальций, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, дополнительно содержит олово и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод3,32-4,04Барий0,02-0,08Кремний3,72-5,29Магний0,015-0,05Марганец0,18-0,51Кальций0,005-0,02Молибден0,15-0,43РЗМ0,01-0,06Олово0,03-0,12Железоостальное

причем параметры содержания компонентов удовлетворяют следующим соотношениям, мас.%:

П₁=Si+Al+5Sn = 4,93-5,70,

П₂=Mg+Ba+Ca+РЗМ = 0,107-0,180.

В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,03 мас.%), фосфор (до 0,05 мас.%) и алюминий (до 0,01 мас.%).

Суть изобретения обеспечивается созданием в чугуне особой структуры, состоящей из двухфазного (гетерогенизированного) феррита и шаровидного графита. Гетерогенизация феррита происходит за счет наличия в составе чугуна необходимого содержания кремния и олова, а сфероидизация графита - достаточным количеством элементов комплексного модификатора (магния, бария, кальция и РЗМ).

Состав чугуна выбран исходя из следующих соображений.

Содержание кремния принято в интервале от 3,72 до 5,29 мас.%, что объясняется тем, что кремний должен обеспечить гетерогенизацию феррита (т.е. расслоение феррита на две фазы - углеродистый и кремнистый феррит). В свою очередь, гетерогенизированный феррит обеспечивает низкий коэффициент трения и повышенную износостойкость чугуна. При содержании кремния менее 3,72 мас.% этот эффект недостаточно стабилен. Если содержание кремния превышает 5,29 мас.%, то в структуре чугуна появляется слишком большое количество кремнистого феррита (силикоферрита), что приводит к охрупчиванию чугуна, повышению его твердости и снижению износостойкости.

Марганец относится к элементам-перлитизаторам. Способствуя образованию перлита в структуре, он повышает твердость чугуна и затрудняет решение поставленных задач, что особенно проявляется при его содержании более 0,51%. Минимальное количество марганца в чугуне, составляющее 0,18%, соответствует его содержанию в качестве технической примеси и практически не может быть уменьшено при использовании обычных шихтовых материалов.

Молибден в составе данного чугуна используется для устранения или уменьшения ферритной хрупкости, что особенно важно при структуре с гетерогенизированным ферритом. При содержании менее 0,15 мас.% молибдена эта его роль практически не проявляется, а при содержании более 0,43 мас.% происходит существенное удорожание чугуна, появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость.

Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна в литом состоянии. При содержании углерода менее 3,32 мас.% уменьшается степень ферритизации структуры, становится возможным образование перлита и повышение твердости. Если в чугуне содержится более 4,04 мас.% углерода, в его структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации), что может проявляться в снижении прочности и износостойкости чугуна.

Параметр П₂, характеризующий суммарное содержание в чугуне элементов комплексного модификатора, должен быть не менее 0,107%. В противном случае степень сфероидизации графита оказывается недостаточной.

При П₂>0,180% повышенный расход модификатора, удорожая чугун, не приводит к повышению его свойств, наоборот, при этом возможно даже перемодифицирование чугуна с ухудшением формы графитных включений.

Содержание магния рекомендуется в пределах 0,01-0,05 мас.%. Если остаточное содержание магния менее 0,01 мас.%, то результаты модифицирования нестабильны. Увеличение содержания магния более 0,05 мас.% нецелесообразно, так как это не повышает свойства чугуна.

Кальций играет роль десульфуратора и раскислителя, существенно уменьшая расход магния и РЗМ. В оптимальных количествах кальций способствует графитизации чугуна и уменьшает тем самым коэффициент трения. Содержание менее 0,005 мас.% кальция соответствует чугуну, не модифицированному кальцием. Слишком большой расход кальция, соответствующий остаточному содержанию более 0,02 мас.%, увеличивает количество неметаллических включений, ухудшает усвоение модификатора и снижает свойства чугуна.

РЗМ вводятся с целью нейтрализации элементов, оказывающих на графит десфероидизирующее действие (например, олово, алюминий). При содержании менее 0,01 мас.% РЗМ полная сфероидизация графита не обеспечивается. Повышение содержания РЗМ более 0,06 мас.% нецелесообразно, так как не оказывает положительного эффекта, но удорожает чугун.

Дополнительно в состав чугуна введены барий и олово. Барий вводится в виде силикобария в составе комплексного модификатора. Совместно с другими компонентами комплексного модификатора он обеспечивает глубокое рафинирование чугуна, полное устранение отбела и ферритизацию структуры чугуна даже в тонкостенных отливках. Для этого достаточно содержание бария в заявляемых пределах. При остаточном содержании бария более 0,08% его модифицирующий эффект не усиливается, но стоимость чугуна возрастает. При содержании бария менее 0,02% его влияние проявляется незначительно.

Олово введено в состав чугуна в пределах от 0,03 до 0,12%. В таком количестве олово усиливает гетерогенизацию феррита, заключающуюся в его спинодальном расслоении на углеродистый и кремнисто-оловянистый феррит. В этом отношении эффективность действия олова на порядок выше, чем у кремния. Однако при содержании в чугуне менее 0,03% олова его влияние незначительно, а увеличение его содержания сверх 0,12% заметно удорожает чугун, не влияя практически на его структуру и свойства.

Учитывая различие в эффективности влияния олова и кремния, а также влияние алюминия на ферритизацию структуры чугуна, введен параметр П₁ = Si+Al + 10Sn, мас.%. Значения П₁ в интервале от 4,93 до 5,70% обеспечивают эффекты ферритизации структуры чугуна и гетерогенизации феррита. При П₁<4,93% эти эффекты проявляются недостаточно, что выражается как в появлении участков перлита в структуре чугуна, так и в недостаточной степени расслоения феррита. При П₁>5,70% углеродистый феррит почти полностью исчезает из структуры, заменяясь кремнисто-оловянистым ферритом, что приводит к повышению хрупкости чугуна и ухудшению его триботехнических свойств.

Плавки чугуна проводили в открытых индукционных тигельных печах с кислой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, электродного боя и ферросилиция. Ферросилиций вводили в расплав при 1350-1380°С.

При переливе металла из печи в разливочный ковш проводили комплексное модифицирование чугуна "сандвич-процессом", пригружая модифицирующую смесь (состоящую из комплексной лигатуры ЖКМК, силикобария и плавикового шпата) специально отлитой чугунной решеткой. Температура модифицирования металла 1420-1450°С.

Жидкий чугун разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали стандартные пробы толщиной 30 мм, из которых вырезали образцы для проведения металлографического анализа, механических испытаний и испытаний на изнашивание. Испытания на изнашивание проводили на машине СМЦ-2 в условиях сухого трения по схеме вращающийся диск - неподвижная колодка. Диск контртела диаметром 50 мм изготовлен из стали 45 и термообработан на HRC_Э 45. Испытания проводили при скорости скольжения 3,27 см/с с удельной нагрузкой 3 МПа в центре контактной площади. Износ определяли по потере массы образца и контртела в процессе изнашивания. Параллельно определяли коэффициент трения.

Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены в табл.1 и 2.

Чугун предлагаемого состава (сплавы 1-4) отличается от прототипа более низкими значениями твердости и коэффициента трения, обеспечивая при этом меньший износ сопряженной детали (стального контртела). Чугун обладает достаточно высокими прочностными свойствами, а по износостойкости не уступает прототипу.

При выходе за рекомендуемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 5 и 6) существенно ухудшаются его свойства (снижаются износостойкость и прочность, повышается коэффициент трения, увеличивается износ контртела).

Источники информации

1. Патент РФ №2212467, кл. С 22 С 37/10.

2. Авт. св. СССР №1752819, кл. С 22 С 37/10.

Таблица 1СплавСодержание элементов, мас.%Параметры, мас.%СSiMnМоSnВаMgСаРЗМП₁П₂13,325,390,270,350,030,020,0150,0120,065,700,10723,494,670,180,400,070,080,0500,0200,035,380,18033,604,130,510,430,080,050,0420,0050,014,940,10744,043,720,340,150,120,060,0380,0080,044,930,14653,206,740,180,080,010,090,0060,0020,0056,850,10364,113,030,850,690,140,010,080,0250,094,440,205Известный*3,913,600,620,11--0,050,0160,044,300,106* Содержится также 0,20% Cr, 0,89% Cu и 0,70% Al.Таблица 2СплавСредние значения свойствТвердость НВПредел прочности σ_В, МПаИзнос образца, мгИзнос контртела, мгКоэффициент трения12355604,52,80,4022125704,52,40,3831876304,92,50,3741796304,42,30,4053212405,23,80,5262413604,83,00,48Известный2486504,63,40,50

Изобретение относится к металлургии, в частности к антифрикционным чугунам, используемым в узлах трения. Антифрикционный чугун содержит, мас.%: углерод 3,32-4,04; кремний 3,72-5,39; марганец 0,18-0,51; молибден 0,15-0,43; олово 0,03-0,12; барий 0,02-0,08; магний 0,015-0,05; кальций 0,005-0,02; алюминий до 0,01; РЗМ 0,01-0,06; железо - остальное. Содержания компонентов удовлетворяют следующим соотношениям, мас.%: П₁=Si+Al+10Sn=4,93-5,70; П₂=Mg+Ba+Ca+РЗМ=0,107-0,180. Техническим результатом является уменьшение коэффициента трения, твердости чугуна и износа сопряженной детали при сохранении высокой износостойкости и повышенной прочности чугуна. 2 табл.

Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, молибден, магний, кальций, алюминий, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 3,32-4,04Кремний 3,72-5,39Марганец 0,18-0,51Молибден 0,15-0,43Олово0,03-0,12Барий0,02-0,08Магний0,015-0,05Кальций0,005-0,02Алюминий До 0,01РЗМ0,01-0,06ЖелезоОстальное

причем параметры содержания компонентов удовлетворяют следующим соотношениям, мас.%:

П₁=Si+Al+10Sn = 4,93÷5,70,

П₂=Mg+Ba+Ca+РЗМ = 0,107÷0,180.