Антифрикционный чугун

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.

 

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.%:

Углерод	2,2-3,8
Кремний	2,2-3,5
Марганец	0,5-1,2
Медь	0,3-1,5
Магний	0,03-0,08
Церий	0,005-0,1
Железо	Остальное

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.%:

Углерод	3,5-4,5
Кремний	2,5-3,5
Марганец	7,5-12,5
Сурьма	0,3-0,5
Железо	Остальное

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.%:

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

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
№ плавки	Содержание элементов*, мас.%	Твердость НВ	Коэффициент трения	Относительная износостойкость
С	Si	Mn	Y	Се	Sb	Mo	Nb	Ca
1	4,2	2,2	4,5	0,005	0,02	-	0,5	2,5	0,005	355	0,25-0,27	1,82
2 (оптим.)	4,4	3,0	8,5	0,02	0,03	-	1,05	4,2	0,008	383	0,16-0,18	2,2
3	4,6	3,8	12,0	0,05	0,05	-	1,5	4,5	0,01	367	0,20-0,25	2,0
По составу прототипа	3,5	2,8	9,5	-	-	0,35	-	-	-	310	0,30-0,33	1,0
* Примечание. Остальное железо и примеси.

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