АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН Российский патент 2009 года по МПК C22C37/04 

Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам с шаровидным графитом, используемым в тяжело нагруженных узлах трения.

Известен чугун [1], содержащий, мас.%:

Углерод 2,8-4,2 Алюминий 0,05-0,7 Кремний 3,6-5,8 Магний 0,01-0,05 Марганец 0,3-0,8 Кальций 0,005-0,02 Медь 0,6-1,8 РЗМ 0,01-0,07 Хром 0,05-0,3 Железо остальное Молибден 0,05-0,2    

Этот чугун имеет ферритную структуру и обладает высокими прочностными свойствами, повышенной износостойкостью и достаточно низким коэффициентом трения.

Недостатками чугуна являются низкие значения пластичности (относительного удлинения) и ударной вязкости, повышенная твердость, затрудненная прирабатываемость и повышенный износ сопряженной детали.

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

Углерод 3,32-4,04 Кальций 0,005-0,02 Кремний 3,72-5,39 Магний 0,015-0,05 Марганец 0,18-0,51 Алюминий до 0,01 Молибден 0,15-0,43 РЗМ 0,01-0,06 Олово 0,03-0,12 Железо остальное. Барий 0,02-0,08    

Чугун обладает высокой прочностью и износостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами (пониженным коэффициентом трения, обеспечивая небольшой износ сопряженной детали). За счет молибдена уменьшена склонность чугуна к ферритной хрупкости.

К недостаткам чугуна относятся нестабильность значений твердости (возможно превышение значений 210 НВ) и прочности (возможно снижение σ_в до 580 МПа и меньше), недостаточно высокие и нестабильные значения пластичности и ударной вязкости.

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

Технический результат - повышение механических свойств чугуна (предела прочности, относительного удлинения и ударной вязкости) при пониженной твердости (не более 200 НВ) и сохранении хороших триботехнических свойств (высокой износостойкости, низкого коэффициента трения и малого износа сопряженных деталей).

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

Углерод 3,24-3,88 Барий 0,030-0,078 Кремний 2,98-4,01 Магний 0,017-0,050 Марганец 0,28-0,44 Кальций 0,01-0,03 Молибден 0,27-0,42 РЗМ 0,01-0,06 Медь 0,63-1,02 Железо остальное, Титан 0,02-0,08    

В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,02 мас.%), фосфор (до 0,05 мас.%) и алюминий (до 0,01 мас.%).

Суть изобретения обеспечивается созданием в чугуне особой структуры, состоящей из мелкозернистого феррита (измельченного за счет присадки в сплав титана), претерпевшего спинодальное расслоение на обычный углеродистый феррит и силикоферрит (за счет достаточно высокого содержания кремния) и упрочненного дисперсными включениями медистой фазы (за счет легированием чугуна медью и молибденом), в сочетании с достаточно измельченным шаровидным графитом. Сфероидизация графита обеспечивается достаточным количеством элементов, входящих в состав комплексного модификатора (магния, бария, кальция и РЗМ). Химический состав чугуна подобран таким образом, что необходимая структура может быть получена уже в литом состоянии, но наибольшая ее стабильность обеспечивается путем термической обработки, состоящей из ферритизирующего отжига при 780-790°С и старения при 500-520°С.

Состав чугуна выбран исходя из следующих соображений.

По сравнению с прототипом снижены верхний и нижний пределы интервала содержания кремня, что позволило обеспечить повышение пластичности и ударной вязкости чугуна. При содержании кремния более 4,01% происходит заметное снижение этих свойств и повышение регламентируемой твердости чугуна, а при снижении содержания кремния менее 2,98% ухудшаются триботехнические свойства и снижается предел прочности.

Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна в литом состоянии. При содержании углерода менее 3,24 мас.% уменьшается степень ферритизации структуры, становится возможным образование перлита и повышение твердости. Если в чугуне содержится более 3,88 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.

Дополнительно в состав чугуна введена медь в количестве 0,63-1,02 мас.%. Нижний предел обеспечивает минимально достаточную степень дисперсионного упрочнения феррита медистой фазой. Превышение верхнего предела проявляется в усилении перлитизирующего действия меди, что приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна.

Молибден в составе данного чугуна используется не только для устранения или уменьшения ферритной хрупкости (по аналогии с прототипом), но и для значительного усиления дисперсионного упрочнения чугуна медистой фазой. При содержании менее 0,27 мас.% молибдена эта его роль практически не проявляется, а при содержании более 0,42 мас.% происходит существенное удорожание чугуна, появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость.

В состав чугуна дополнительно введен также титан в количестве 0,02-0,08 мас.%. Дисперсные карбиды титана, образующиеся в жидком чугуне и в процессе его кристаллизации, обеспечивают значительное измельчение структуры, что проявляется в улучшении всех его свойств. Содержание титана менее 0,02 мас.% не оказывает заметного действия на измельчение структуры, а его содержание более 0,08 мас.% приводит к выделению карбидов титана по границам зерен первичной структуры, что проявляется в снижении ударной вязкости чугуна.

Остальные компоненты чугуна используются примерно в тех же количествах, что и в составе чугуна-прототипа, и их роль и пределы рационального содержания обоснованы в описании изобретения [2].

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.

Половину образцов подвергали термической обработке, которая состояла из двух стадий. Первая стадия заключалась в ферритизирующем отжиге чугуна, который проводили при 780-790°С с выдержкой 3 часа при медленном охлаждении (в печи) до 650-600°С и последующем быстром охлаждении до комнатной температуры (на воздухе для тонкостенных отливок и в воде для отливок с толщиной стенки более 20 мм) с целью предотвращения ферритной хрупкости.

Вторая стадия термической обработки представляла собой искусственное старение при 520-540°С в течение 3 часов с последующим охлаждением на воздухе.

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 твердость 32-34 HRC. Испытания проводили при скорости скольжения 0,75 м/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 1-5) отличается от прототипа более высокими значениями механических свойств (предела прочности, относительного удлинения и ударной вязкости) и пониженными значениями твердости и износа контртела (как в литом, так и в термообработанном состояниях), не уступая прототипу в значениях остальных триботехнических свойств. При этом регламентируется сочетание следующих механических и триботехнических свойств: твердость не более 200 НВ, предел прочности σ_в не менее 590 МПа (60 кгс/мм²), относительное удлинение не менее 6% (а после термообработки не менее 10%), ударная вязкость КС не менее 50 Дж/см² (а после термообработки не менее 60 Дж/см²), износ образца не более 7 мг/см² на 1000 п.м при износе контртела не более 0,7 мг (а после термообработки образца - не более 0,35 мг) на 1000 п.м, коэффициент трения не более 0,5.

При выходе за рекомендуемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 6 и 7) существенно ухудшаются его механические свойства (снижаются относительное удлинение и ударная вязкость, а в сплаве 6 - и предел прочности) и повышаются твердость и износ контртела.

Источники информации

1. Авт.св. СССР №1752819, кл. С22С 37/10.

2. Патент РФ №2267549, кл. С22С 37/10.

Таблица 1 Сплав Содержание элементов, мас.% С Si Mn Cu Mo Ti Ba* Mg Ca* РЗМ 1 3,24 3,84 0,31 0,63 0,27 0,05 0,08 0,035 0,03 0,04 2 3,42 4,01 0,44 0,75 0,34 0,08 0,07 0,017 0,01 0,06 3 3,62 3,30 0,38 0,68 0,32 0,03 0,04 0,032 0,02 0,03 4 3,70 3,56 0,28 1,02 0,31 0,06 0,03 0,043 0,02 0,05 5 3,88 2,98 0,33 0,84 0,42 0,02 0,04 0,050 0,03 0,01 6 3,91 4,85 0,51 0,43 0,12 0,01 0,01 0,012 0,005 0,005 7 3,18 2,40 0,30 1,49 0,63 0,10 0,09 0,062 0,04 0,07 Известный** 3,49 4,67 0,32 - 0,40 - 0,08 0,047 0,02 0,03 * Содержание по количеству введенного элемента. ** Содержится также 0,07 мас.% Sn/

Таблица 2 Сплав Средние значения свойств* Твердость НВ Предел прочности σ_в, МПа Относительное удлинение δ, % Ударная вязкость RC, Дж/см² Износ образца, мг Износ контртела, мг Коэффициент трения 1 189/187 616/624 8,9/10,7 53/69 5,6/5,6 0,58/0,27 0,43/0,42 2 193/193 622/629 7,6/10,1 51/65 5,2/5,0 0,56/0,26 0,42/0,40 3 192/186 615/595 8,1/13,2 52/78 6,5/6,3 0,67/0,32 0,47/0,46 4 200/196 630/628 8,3/11,2 52/62 6,0/6,0 0,61/0,30 0,43/0,42 5 200/188 624/592 6,3/12,9 51/78 6,4/6,7 0,69/0,33 0,47/0,47 6 270/268 564/560 0,1/0,1 35/36 5,0/5,1 0,89/0,54 0,44/0,43 7 250/212 673/594 1,8/4,3 38/52 6,1/6,8 0,88/0,52 0,50/0,48 Известный 221/218 570/566 0,2/0,5 35/37 6,2/6,5 0,88/0,49 0,43/0,43 *В числителе приведены значения свойств для литого состояния, в знаменателе - после термической обработки.

Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам с шаровидным графитом, используемым в тяжело нагруженных узлах трения. Антифрикционный чугун содержит, мас.%: углерод 3,24-3,88; кремний 2,98-4,01; марганец 0,30-0,44; молибден 0,27-0,42; медь 0,63-1,02; титан 0,02-0,08, барий 0,03-0,08; магний 0,017-0,050; кальций 0,01-0,03; РЗМ 0,01-0,06; железо - остальное. Чугун обладает высокими механическими свойствами при пониженной твердости и сохранении высокой износостойкости, низкого коэффициента трения и малого износа сопряженных деталей. 2 табл.

Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, молибден, барий, магний, кальций, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод 3,24-3,88 кремний 2,98-4,01 марганец 0.28-0,44 молибден 0,27-0,42 медь 0,63-1,02 титан 0.02-0.08 барий 0,03-0,08 кальций 0,01-0,03 РЗМ 0,01-0,06 железо остальное