АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН Российский патент 2006 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам для работы в условиях граничного и сухого трения.

Известен антифрикционный чугун [А.с. СССР №1097702, С 22 С 37/00, 15.06.84. Бюл. №22], содержащий, мас.%:

Углерод2,2-3,8Кремний2,2-3,5Марганец0,5-1,2Медь0,3-1,5Магний0,03-0,08Церий0,005-0,1ЖелезоОстальное

Недостатком известного чугуна является низкая износостойкость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун [А.с. СССР №464650, С 22 С 37/00, 25.03.75. Бюл. №11], содержащий, мас.%:

Углерод3,5-4,5Кремний2,5-3,5Марганец7,5-12,5Сурьма0,3-0,5ЖелезоОстальное

Недостатком прототипа являются недостаточный уровень прирабатываемости и износостойкости, особенно при трении без смазки.

Изобретение решает задачу повышения износостойкости чугуна путем образования метастабильного аустенита, который в процессе трения претерпевает аустенитно-мартенситное превращение.

Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец и железо, согласно изобретению дополнительно содержит молибден, ниобий, кальций, иттрий, церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод4,2-4,6Кремний2,2-3,8Марганец4,5-12,0Молибден0,5-1,5Ниобий2,5-4,5Кальций0,005-0,01Иттрий0,005-0,05Церий0,02-0,05ЖелезоОстальное

Предлагаемый чугун в литом и термообработанном состоянии имеет преимущественно аустенитную металлическую основу и карбиды типов (FeMn)₃С и NbC. Повышение износостойкости достигается получением очень твердых карбидов ниобия преимущественно сферической формы, располагающихся в метастабильной аустенитной матрице. В процессе изнашивания аустенит претерпевает в поверхностном слое деталей превращение в мартенсит, сопровождающееся выделением избыточных дисперсных карбидов, что вызывает дополнительное повышение износостойкости.

Содержание компонентов в чугуне в указанных пределах обеспечивает высокий уровень механических свойств чугуна и износостойкость.

Увеличение количества графита при частичном разрушении граничного масляного слоя и возникновении металлического контакта обеспечивает смазку трущихся поверхностей. Кроме того, занимая большую поверхность трения, графит частично предотвращает металлический контакт, выделяя ранее поглощенное масло, и сам является смазкой. При содержании углерода менее 4,2% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы; при содержании углерода, превышающем 4,6%, в структуре появляется большое количество свободного графита, что обусловливает снижение прочности чугуна.

Кремний в указанных пределах способствует образованию карбидов. При содержании кремния менее 2,2% образуется избыточное количество карбидов, увеличение его содержания более 3,8% сопровождается образованием большого количества графита, что уменьшает прочностные свойства чугуна.

Марганец значительно понижает эвтектоидное превращение железоуглеродистых сплавов и способствует аустенизации чугунов. При содержании марганца менее 4,5% в структуре металлической основы появляется значительная доля мартенсита и продуктов перлитного распада, что снижает износостойкость. Повышение концентрации марганца более 12,0% приводит к чрезмерной стабилизации аустенита, что уменьшает эффект поверхностного самоупрочнения при изнашивании и снижает износостойкость.

Введение в состав чугуна молибдена обеспечивает повышение прочности металлической матрицы, увеличение износостойкости, способствует измельчению структуры металлической основы. Благоприятное влияние молибдена на микроструктуру и свойства чугуна начинает проявляться при его содержании в чугуне больше 0,5%. При увеличении содержания молибдена больше 1,5% его влияние на свойства чугуна не наблюдается.

Введение в состав чугуна ниобия приводит к образованию очень твердых карбидов NbC, преимущественно сферической формы, располагающихся в метастабильной аустенитной матрице. При содержании ниобия ниже 2,5% доля карбидов повышенной твердости NbC значительно уменьшается, что вызывает падение износостойкости. Увеличение концентрации ниобия более 4,5% нецелесообразно, т.к. это не приводит к заметному росту износостойкости, однако существенно удорожает чугун.

Кальций вводится для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен, улучшения механических и литейных свойств. Введение кальция в количествах, меньших 0,005%, заметного эффекта не дает, а добавки его более 0,01% вызывает удорожание чугуна без заметного роста свойств.

Иттрий вводится в состав чугуна с целью измельчения карбидной фазы и повышения ее микротвердости. Влияние иттрия на структуру и свойства чугуна начинает проявляться при его содержании больше 0,005%. Оптимальное содержание иттрия находится в пределах 0,005-0,05%. При его содержании больше 0,05% начинают образовываться крупные включения карбидной фазы, что приводит к повышению хрупкости и увеличению износа сопряженной пары.

Церий способствует измельчению первичных фаз структуры и получению компактной или шаровидной формы графита. Его положительное действие на структуру и свойства чугуна проявляется при содержании больше 0,02%. При содержании церия более 0,05% значительно увеличивается количество карбидной фазы, хрупкость чугуна повышается.

В качестве примесей предлагаемый чугун может содержать серу и фосфор (не более 0,03%).

Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.

Таким образом, заявляемая совокупность и концентрации легирующих элементов позволяют повысить износостойкость чугуна и снизить спад твердости по глубине рабочего слоя.

Плавку исследуемых чугунов проводят в индукционных печах с основной футеровкой тигля. В качестве шихтовых материалов используют литейный и передельный чугуны, ферросплавы молибдена, марганца, ниобия, силикокальций. Обработку расплава иттрием проводят в разливочном ковше, иттрий в виде мелкой стружки вместе с ферросилицием вводят под струю расплава на дно ковша. Температура жидкого металла в этом случае равна 1485°С. Для более равномерного растворения иттрия расплав перемешивают стальным ломиком. После введения иттрия расплав выдерживают в ковше в течение 120 секунд. Появляющийся на зеркале расплава шлак счищают. Разливку чугуна проводят в керамические формы.

Испытания на износостойкость проводили на машине трения СМЦ-2 при трении скольжения по вращающемуся ролику из закаленной стали твердостью HRC_Э55. Результаты испытаний приведены в таблице.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в экономии металла и снижении эксплуатационных затрат за счет увеличения долговечности деталей, изготовленных из предложенного чугуна.

Таблица№ плавкиСодержание элементов*, мас.%Твердость НВКоэффициент тренияОтносительная износостойкостьСSiMnYСеSbMoNbCa14,22,24,50,0050,02-0,52,50,0053550,25-0,271,822 (оптим.)4,43,08,50,020,03-1,054,20,0083830,16-0,182,234,63,812,00,050,05-1,54,50,013670,20-0,252,0По составу прототипа3,52,89,5--0,35---3100,30-0,331,0* Примечание. Остальное железо и примеси.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам для работы в условиях сухого и граничного трения. Антифрикционный чугун содержит, мас.%: углерод 4,2-4,6; кремний 2,2-3,8; марганец 4,5-12,0; молибден 0,5-1,5; ниобий 2,5-4,5; кальций 0,005-0,01; иттрий 0,005-0,05; церий 0,02-0,05; железо - остальное. Техническим результатом является повышение износостойкости и механических свойств. 1 табл.

Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит молибден, ниобий, кальций, иттрий, церий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод4,2-4,6Кремний2,2-3,8Марганец4,5-12,0Молибден0,5-1,5Ниобий2,5-4,5Кальций0,005-0,01Иттрий0,005-0,05Церий0,02-0,05ЖелезоОстальное