Износостойкий чугун

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам для работы в условиях сухого трения. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,5-4,0; кремний 2,7-3,5; марганец 8,0-10,5; медь 0,25-0,4; ванадий 2,3-2,7; бор 0,03-0,07; кальций 0,007-0,03; железо - остальное. Чугун обладает высокой износостойкостью, использование чугуна позволяет снизить износ контртела. 1 табл.

 

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

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

Углерод	2,5-3,5
Кремний	1,5-2,2
Марганец	1,0-1,5
Хром	0,05-0,4
Никель	0,01-0,5
Титан	0,01-0,5
Ванадий	0,1-0,7
Бор	0,01-0,15
Медь	0,1-0,3
Железо	остальное

Недостатком известного чугуна является значительная стоимость при относительно невысоких механических показателях.

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

Углерод	3,0-4,0
Кремний	3,0-4,0
Марганец	9,0-11,0
Медь	0,3-0,4
Алюминий	0,15-0,25
Молибден	0,5-1,0
Никель	0,3-0,4
Железо	остальное

Недостатком прототипа является относительно 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. Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, и железо, согласно изобретению дополнительно содержит ванадий, бор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,5-4,0
Кремний	2,7-3,5
Марганец	8,0-10,5
Медь	0,25-0,4
Ванадий	2,3-2,7
Бор	0,03-0,07
Кальций	0,007-0,03
Железо	остальное

Повышение износостойкости в условиях сухого трения достигается в результате создания гетерогенной структуры, образованной метастабильной аустенитной металлической матрицей и равномерно распределенными в ней твердыми карбидами. Под воздействием рабочих нагрузок происходит переход метастабильного аустенита в более износостойкий мартенсит. Карбиды, обладающие высокой износостойкостью, изолированно друг от друга, равномерно располагаясь в пластичном аустените, образуют своеобразные опорные поверхности, предотвращающие заедание пары трения и интенсивное изнашивание металлической основы.

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

При содержании углерода менее 3,5% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы и полного отсутствия свободного графита; при содержании углерода, превышающем 4,0%, в структуре образуется значительное количество свободного графита, что обусловливает снижение прочности и износостойкости чугуна.

Кремний в указанных пределах способствует выделению необходимого количества графита и улучшению механических и технологических свойств чугуна. Содержание кремния более 3,5% приводит к образованию избыточного графита, что снижает износостойкость чугуна.

Марганец значительно понижает эвтектоидное превращение железоуглеродистых сплавов и способствует аустенизации чугунов. При содержании марганца менее 8,0% в структуре металлической основы преобладает мартенсит. При концентрации марганца 8,0-10,5% структура состоит преимущественно из аустенита и карбидов.

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%.

Добавление в состав чугуна ванадия, в указанных предела, приводит к образованию эвтектических колоний γ+VC, имеющих вид сферолитов. Они состоят из карбидного скелета, иголки которого равномерно распределены во все стороны из центра колонии. Такая структура способствует значительному повышению износостойкости чугуна при сухом трении. Повышение содержания ванадия свыше 2,7% нецелесообразно, так как не вызывает заметного роста износостойкости чугуна.

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 приводит к снижению механических 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 сухом трении, снизить износ контртела 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 ванадия, марганца, катодную медь, силикокальций, бой электродов. Металл нагревают до 1420-1450°С, а разливка проводится 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 24.

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

Таблица
№ плавки	Содержание элементов*, мас.%	Твердость, НВ	Предел прочности при растяжении, МПа	Относительная износостойкость, о.е.
	С	Si	Mn	Ni	Cu	Al	Мо	V	В	Са
1	3,5	2 7	8,7	-	0,27	-	-	2,4	0,03	0,01	245	330-340	185
2 (оптим.)	3,8	3,5	10,3	-	0,35	-	-	2,7	0,05	0,03	275	325-350	210
По составу прототипа	3,51	2,7	9,5	0,35	0,35	0,2	0,8				270	348-361	133
* Примечание: остальное примеси железа.

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

углерод	3,5-4,0
кремний	2,7-3,5
марганец	8,0-10,5
медь	0,25-0,4
ванадий	2,3-2,7
бор	0,03-0,07
кальций	0,007-0,03
железо	остальное.