ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН Российский патент 2007 года по МПК C22C37/10 

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

Известен износостойкий чугун [А.с. СССР №986955, С22С 37/08, 07.01.83, Бюл. №1], содержащий, мас.%:

Углерод2,5-3,5Кремний1,5-2,2Марганец1,0-1,5Хром0,05-0,4Никель0,01-0,5Титан0,01-0,5Ванадий0,1-0,7Бор0,01-0,15Медь0,1-0,3ЖелезоОстальное

Недостатком известного чугуна является относительно низкая износостойкость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун [А.с. СССР №456035, С22С 37/00, 05.01.75, Бюл. №1], содержащий, мас.%:

Углерод3,0-4,0Кремний3,0-4,0Марганец9,0-11,0Медь0,3-0,4Алюминий0,15-0,25Молибден0,5-1,0Никель0,3-0,4ЖелезоОстальное

Недостатком прототипа являются сравнительно невысокая износостойкость в условиях сухого трения. Наличие в составе этого чугуна алюминия и никеля способствует стабилизации аустенитной структуры, что препятствует аустенитно-мартенситному превращению.

Изобретение решает задачу повышения износостойкости чугуна при сухом трении и снижения износа сопряженной детали путем создания метастабильной аустенитной структуры, в которой в процессе трения протекают фазовые превращения аустенита в более износостойкую фазу - мартенсит.

Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден, и железо, согласно изобретению дополнительно содержит хром, бор, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод3,3-3,7Кремний2,1-2,8Марганец7,0-10,0Хром0,3-0,8Медь0,25-0,4Молибден0,5-0,75Бор0,03-0,07Фосфор0,45-0,65Кальций0,007-0,03ЖелезоОстальное

Предлагаемый чугун в литом и термообработанном состоянии имеет преимущественно аустенитную металлическую основу и карбиды. Повышение износостойкости в условиях чисто сухого трения достигается в результате перехода метастабильного аустенита в более износостойкий мартенсит под воздействием рабочих нагрузок. Кроме того, карбиды, обладающие высокой износостойкостью, равномерно располагаются в относительно пластичной аустенитной матрице, образуя своеобразные опорные поверхности, предотвращающие заедание пар трения.

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

При содержании углерода менее 3,3% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы, при содержании углерода, превышающем 3,7%, в структуре образуется значительное количество свободного графита, что обуславливает снижение прочности и износостойкости чугуна.

Кремний в указанных пределах способствует выделению необходимого количества графита и улучшению механических и технологических свойств чугуна. Содержание кремния более 3,2% сопровождается образованием значительного количества графита, что уменьшает прочностные свойства чугуна.

Марганец значительно понижает эвтектоидное превращение железоуглеродистых сплавов и способствует аустенизации чугунов. При содержании марганца менее 7,0% в структуре металлической основы преобладает мартенсит, что снижает износостойкость. При концентрации марганца 7-10% структура состоит преимущесгвенно из аустенита и карбидов.

Присутствие хрома обусловлено необходимостью получения в структуре чугуна карбидов хрома, обладающих высокой микротвердостью и износостойкостью. Содержание хрома в указанных пределах обеспечивает оптимальное количество карбидной фазы.

Медь способствует аустенизации и повышает жидкотекучесть чугуна, выравнивает твердость чугуна и одновременно немного ее повышает. Она способствует снижению спада твердости (износостойкости) по глубине рабочего слоя. Такое влияние меди проявляется при повышении ее содержания от 0,25%.

Ведение в состав чугуна молибдена обеспечивает повышение прочности металлической матрицы, увеличение износостойкости, способствует измельчению структуры металлической основы, увеличивает коррозионную стойкость. Благоприятное влияние молибдена на микроструктуру и свойства чугуна начинает проявляться при его содержании в чугуне больше 0,5%. При увеличении содержания молибдена больше 0,75% его влияние на свойства чугуна снижается.

Повышенное содержания фосфора увеличивает сопротивление износу вследствие образования износостойкой фосфидной эвтектики. Однако при значительной концентрации фосфора, свыше 0,85%, чугун становится чрезвычайно хрупким.

Введение в состав чугуна бора в количестве 0,03-0,07% обусловлено его высокой химической активностью и способностью очищать границы зерен в структуре чугуна, упрочнять его, повышая ударную вязкость и эксплуатационную долговечность. При концентрации бора до 0,03% его влияние как поверхностно-активного модификатора проявляется слабо, и стабильность механических свойств и износа недостаточна. При увеличении концентрации бора свыше 0,07% снижается однородность структуры чугуна, отмечается выделение боридов по границам зерен, что снижает стабильность износа и эксплуатационных свойств.

Кальций вводится для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен, улучшения механических и литейных свойств, а также способствует образованию глобулярной формы графита. Введение кальция в количествах меньших 0,007% заметного эффекта не дает, а добавка его более 0,03% вызывает удорожание чугуна, без заметного роста свойств.

Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.

Таким образом, заявляемая совокупность и концентрации легирующих элементов позволяют повысить износостойкость чугуна при чисто сухом трении и обеспечить 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, хрома, марганца, бора, фосфора, катодную медь, силикокальций. Металл нагревают до 1420-1450°С, а разливка производится при температуре 1380-1400°С в просушенные и прогретые песчано-глиняные формы.

В таблице представлены результаты механических свойств чугунов. При испытаниях на износостойкость в качестве эталона был принят серый чугун СЧ 18.

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

Таблица№ плавкиСодержание элементов^*, мас.%Твердость, НВПредел прочности при растяж., МПаОтнос. износостойкость, Е СSiMnCrNiCuAlМоВРСа   13,32,17,00,3-0,25-0,50,030,450,007330355-46211723,52,58,70,7-0,3-0,650,050,550,01375381-3901203 (оптим.)3,72,810,00,8-0,4-0,750,070,650,03390370-385133По составу прототипа3,512,79,5-0,350,350,20,8---270348-361115^*Примечание. Остальное железо и примеси.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам для работы в условиях чисто сухого трения. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,3-3,7; кремний 2,1-2,8; марганец 7,0-10,0; хром 0,3-0,8; медь 0,25-0,4; молибден 0,5-0,75; бор 0,03-0,07; фосфор 0,45-0,65; кальций 0,007-0,03; железо - остальное. Полученный чугун имеет высокую износостойкость при сухом трении и позволяет уменьшить износ сопряженной детали. 1 табл.

Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром, бор, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод3,3-3,7кремний2,1-2,8марганец7,0-10,0хром0,3-0,8медь0,25-0,4молибден0,5-0,75бор0,03-0,07фосфор0,45-0,65кальций0,007-0,03железоостальное