АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН Российский патент 2007 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к металлургии, а именно к износостойким чугунам для изготовления деталей маслот уплотнительных колец, работающих при больших удельных давлениях.

Известен антифрикционный чугун (а.с. СССР №836185, С22С 37/00, 1981), содержащий, мас.%:

Углерод3,0-3,4Кремний1,6-2,2Марганец0,005-0,04Сера0,1-0,2Сурьма0,15-0,25ЖелезоОстальное

Твердость чугуна - 224-230 НВ.

Известный чугун обладает высокой износостойкостью, но недостаточными пластическими и антифрикционными свойствами.

Известен антифрикционный чугун (Патент Японии №58-171553, кл. С22С 37/10, 1983) следующего химического состава, мас.%:

Углерод2,5-3,8Кремний3,5-4,8Марганецдо 1,0Фосфордо 0,1Серадо 0,1Молибден0,5-2,0Церий0,02-0,5ЖелезоОстальное

Известный чугун имеет ферритную структуру и низкую износостойкость.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является антифрикционный чугун (а.с. СССР №956595, кл. С22С 37/10, 1982) следующего химического состава, мас.%:

Углерод2,0-2,6Кремний3,2-4,4Марганец0,5-1,0Сурьма0,01-0,08Алюминий0,01-0,1ЖелезоОстальное

Микроструктура чугуна в литом состоянии состоит из перлита, точечного и мелкодисперсного графита с междендритным расположением. После термической обработки по режиму: нагрев до температуры 950°С, выдержка, закалка в масле, отпуск при температуре 360°С, микроструктура чугуна состоит из нижнего бейнита, мелкоигольчатого мартенсита, точечного и мелкодисперсного графита с междендритным расположением. Этот антифрикционный чугун обладает следующими свойствами:

Временное сопротивление, МПа270-330Износ приведенный, мг/м²*ч: При +20°С0,087-0,135При -20°С0,192-0,274Нагрузка, вызывающая задир, МПа, не менее: При +20°С3,4-3,8При -20°С1,7-2,6Условный модуль упругости, ГПа105-120Остаточная деформация маслот уплотнительных колец, %7-9

Недостатком известного чугуна является нестабильность технологических и эксплуатационных свойств.

Задачей данного технического решения является повышение модуля упругости и стабильности эксплуатационных свойств, в результате чего увеличивается износостойкость маслот уплотнительных колец.

Поставленная задача решается: в чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, сурьму и железо, дополнительно вводят хром, никель, кальций, фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод2,8-3,6Кремний2,1-3,8Марганец0,7-1,2Алюминий0,01-0,03Хром0,10-0,50Никель0,08-0,60Кальций0,02-0,06Фосфор0,12-0,45Сурьма0,002-0,07ЖелезоОстальное

Чугун выплавляют в индукционной электропечи ИСТ - 0,16 с перегревом расплава до температуры 1440-1460°С и доводкой химического состава по основным (углерод и кремний) и легирующим (хром, никель, марганец) компонентам. В качестве шихтовых материалов использую передельные и литейные чугуны, чугунный и стальной лом, ферромарганец, силикокальций, феррохром, феррофосфор, никель НПЗ, металлическую сурьму, ферроалюминий и ферросилиций.

Микролегирование сурьмой, феррохромом, никелем и ферромарганцем проводят в электропечи, а модифицирование силикокальцием и алюминием - в разливочных ковшах с использованием экзотермических таблеток. Заливку расплава в литейные формы проводят при температуре 1380-1330°С.

В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.

Таблица 1ЭлементХимический состав чугунов, мас.%1 (изв)23456Углерод2,52,83,43,62,63,8Кремний3,32,12,63,81,64,0Марганец0,90,71,01,20,51,3Сурьма0,080,0020,0050,070,010,1Алюминий0,070,010,020,030,0020,05Кальций-0,020,040,060,020,08Никель-0,080,400,600,010,71Хром-0,10,180,500,040,57Фосфор-0,120,250,450,060,53ЖелезоОст.Ост.Ост.Ост.Ост.Ост.

В табл.2 приведены механические, технологические и антифрикционные свойства чугунов опытных плавок.

Таблица 2ЧугунТвердость HRBИзнос приведенный, мг/м²*мМодуль упругости, ГПаНагрузка, вызывающая задир, МПаУдарная вязкость Дж/см²Остаточная деформация, %Эксплуатационная стойкость, ч1 (изв.)980,0921183,5308,613802990,0401269,6359,2173031060,03413210,2389,7188041040,0421309,8349,517925980,0781204,6318,714206950,0851245,3278,51580

Кальций в количестве 0,02-0,06 мас.% микролегирует матрицу, улучшает форму графита, очищает границы зерен от неметаллических включений, повышает стабильность структуры, коэффициента трения и механических свойств. При содержании кальция до 0,02 мас.% микролегирующий эффект проявляется слабо, существенного повышения стабильности коэффициента трения и механических свойств не достигается. Верхний предел содержания кальция ограничен концентрацией 0,06 мас.%, выше которой возрастает количество неметаллических включений, т.к. кальций полностью не растворяется в металлической основе, что приводит к снижению ударной вязкости и пластичности.

Хром в количестве 0,10-0,50 мас.% измельчает структуру матрицы в литом состоянии и после термической обработки повышает износостойкость и стабильность механических и эксплуатационных свойств и коэффициента трения. При концентрации хрома до 0,10 мас.% измельчение структуры и повышение износостойкости, стабильности механических, технологических и эксплуатационных свойств недостаточны, а при концентрации более 0,50 мас.% усиливаются ликвационные процессы, увеличивается неоднородность структуры, снижается стабильность технологических и антифрикционных свойств чугуна.

Никель в количестве 0,08-0,60 мас.% улучшает и стабилизирует структуру и повышает технологические и антифрикционные свойства чугуна в широком интервале температур. Концентрация никеля определена экспериментально. При увеличении содержания никеля более 0,60 мас.% увеличивается угар металла, усиливаются процессы каогуляции и увеличивается содержание неметаллических включений по границам зерен, что снижает стабильность пластических свойств. При содержании никеля до 0,08 мас.% снижается стабильность антифрикционных свойств.

Фосфор измельчает структуру сорбитообразного перлита, образует фосфидную эвтектику, повышает технологические и эксплуатационные свойства. При концентрации фосфора до 0,12 мас.% твердость, износостойкость, технологические и эксплуатационные свойства недостаточны, а при увеличении концентрации фосфора более 0,45 мас.% снижается однородность фосфидной эвтектики и структуры чугуна, уменьшается стабильность технологических и эксплуатационных свойств.

Содержание углерода принято в соответствии с практикой производства чугунов с однородной структурой и стабильным коэффициентом трения, а концентрация кремния ограничена пределами 2,1-3,8 мас.%. При повышении содержания кремния более 3,8 мас.% снижается дисперсность графита, уменьшаются хладостойкость, коэффициент трения, механические свойства и их стабильность. Содержание марганца в чугуне повышено до 0,7-1,2 мас.% для увеличения пластических свойств и снижения коэффициента трения, а алюминий принят в количестве 0,01-0,03 мас.%, т.е. в количестве, не снижающем пластические свойства и оказывающем необходимый модифицирующий эффект, способствующий измельчению структуры и стабилизации коэффициента трения.

Микролегирование сурьмой в количестве 0,002-0,07 мас.% нейтрализует примеси, измельчает структуру и повышает стабильность коэффициента трения и пластических свойств в широком интервале температур. Верхний предел сурьмы 0,07 мас.% ограничен ее низкой растворимостью в чугуне, а при снижении его менее 0,002 мас.% увеличивается износ чугуна.

Угар микролегирующих добавок составил: сурьмы - 26%, никеля - 14%, кальция - 32% и хрома - 10%.

Механические свойства чугунов определяли по стандартным образцам после отпуска при температуре 360°С в течение двух часов.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун имеет более высокий уровень механических, технологических и антифрикционных свойств и более стабильные характеристики коэффициента трения, износостойкости и противозадирных свойств, чем у базового антифрикционного чугуна.

Использование предлагаемого чугуна в качестве конструкционного материала для маслот уплотнительных колец и для производства деталей, испытывающих в процессе эксплуатации высокие удельные нагрузки, значительно повышает их надежность эксплуатации и дает возможность заменить стальные литые заготовки чугунными и снизить трудоемкость изготовления антифрикционных деталей.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам. Может применяться для изготовления деталей маслот уплотнительных колец, работающих при больших удельных давлениях. Антифрикционный чугун содержит, мас.%: углерод 2,8-3,6; кремний 2,1-3,8; марганец 0,7-1,2; алюминий 0,01-0,03; хром 0,10-0,50; никель 0,08-0,60; кальций 0,02-0,06; фосфор 0,12-0,45; сурьма 0,002-0,07; железо - остальное. Техническим результатом является повышение модуля упругости и стабильности эксплуатационных свойств. 2 табл.

Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, сурьму и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром, никель, кальций и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод2,8-3,6Кремний2,1-3,8Марганец0,7-1,2Алюминий0,01-0,03Хром0,10-0,50Никель0,08-0,60Кальций0,02-0,06Фосфор0,12-0,45Сурьма0,002-0,07ЖелезоОстальное