Антифрикционный чугун
Владельцы патента RU 2297468:
Ярославский государственный технический университет (RU)
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.
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.%:
| Углерод | 3,0-3,4 |
| Кремний | 1,6-2,2 |
| Марганец | 0,005-0,04 |
| Сера | 0,1-0,2 |
| Сурьма | 0,15-0,25 |
| Железо | Остальное |
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.%:
| Углерод | 2,5-3,8 |
| Кремний | 3,5-4,8 |
| Марганец | до 1,0 |
| Фосфор | до 0,1 |
| Сера | до 0,1 |
| Молибден | 0,5-2,0 |
| Церий | 0,02-0,5 |
| Железо | Остальное |
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.%:
| Углерод | 2,0-2,6 |
| Кремний | 3,2-4,4 |
| Марганец | 0,5-1,0 |
| Сурьма | 0,01-0,08 |
| Алюминий | 0,01-0,1 |
| Железо | Остальное |
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, МПа | 270-330 |
| Износ приведенный, мг/м2*ч: | |
| При +20°С | 0,087-0,135 |
| При -20°С | 0,192-0,274 |
| Нагрузка, вызывающая задир, | |
| МПа, не менее: | |
| При +20°С | 3,4-3,8 |
| При -20°С | 1,7-2,6 |
| Условный модуль упругости, ГПа | 105-120 |
| Остаточная 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.%:
| 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 |
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 1 | ||||||
| Элемент | Химический состав чугунов, мас.% | |||||
| 1 (изв) | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | |
| Углерод | 2,5 | 2,8 | 3,4 | 3,6 | 2,6 | 3,8 |
| Кремний | 3,3 | 2,1 | 2,6 | 3,8 | 1,6 | 4,0 |
| Марганец | 0,9 | 0,7 | 1,0 | 1,2 | 0,5 | 1,3 |
| Сурьма | 0,08 | 0,002 | 0,005 | 0,07 | 0,01 | 0,1 |
| Алюминий | 0,07 | 0,01 | 0,02 | 0,03 | 0,002 | 0,05 |
| Кальций | - | 0,02 | 0,04 | 0,06 | 0,02 | 0,08 |
| Никель | - | 0,08 | 0,40 | 0,60 | 0,01 | 0,71 |
| Хром | - | 0,1 | 0,18 | 0,50 | 0,04 | 0,57 |
| Фосфор | - | 0,12 | 0,25 | 0,45 | 0,06 | 0,53 |
| Железо | Ост. | Ост. | Ост. | Ост. | Ост. | Ост. |
В табл.2 приведены механические, технологические и антифрикционные свойства чугунов опытных плавок.
| Таблица 2 | |||||||
| Чугун | Твердость HRB | Износ приведенный, мг/м2*м | Модуль упругости, ГПа | Нагрузка, вызывающая задир, МПа | Ударная вязкость Дж/см2 | Остаточная деформация, % | Эксплуатационная стойкость, ч |
| 1 (изв.) | 98 | 0,092 | 118 | 3,5 | 30 | 8,6 | 1380 |
| 2 | 99 | 0,040 | 126 | 9,6 | 35 | 9,2 | 1730 |
| 3 | 106 | 0,034 | 132 | 10,2 | 38 | 9,7 | 1880 |
| 4 | 104 | 0,042 | 130 | 9,8 | 34 | 9,5 | 1792 |
| 5 | 98 | 0,078 | 120 | 4,6 | 31 | 8,7 | 1420 |
| 6 | 95 | 0,085 | 124 | 5,3 | 27 | 8,5 | 1580 |
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.
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.%:
| 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 |
