Высокопрочный антифрикционный чугун

Изобретение относится к металлургии, в частности к высокопрочным легированным конструкционным чугунам для литых деталей двигателей. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,1-3,6; кремний 2,0-2,5; марганец 0,8-1,2; никель 0,7-1,5; молибден 0,2-0,4; медь 0,6-1,5; хром 0,02-0,06; магний 0,02-0,03; церий 0,03-0,05; титан 0,03-0,55; алюминий 0,02-0,12; фосфор 0,03-0,10; кальций 0,002-0,01; железо - остальное. Чугун имеет высокие антифрикционные свойства, предел выносливости и износостойкость. 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным легированным конструкционным чугунам для литых деталей двигателей с повышенными антифрикционными и другими специальными свойствами, не подвергающихся термической обработке и работающих при трении в газовых средах.

Известен высокопрочный легированный антифрикционный чугун марки АВЧ-2 (ГОСТ 1585-85). Этот чугун имеет в отливках перлитно-ферритную структуру и недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ), предела выносливости (150-170 МПа), эксплуатационной стойкости и износостойкости в условиях трения.

Детали из этого чугуна не обеспечивают длительной эксплуатационной стойкости в сложнонапряженных условиях и в газовых средах. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения составляет 3...12 МПа·м/с.

Известен также высокопрочный легированный чугун для отливок со специальными свойствами марки ЧНДХМШ (ГОСТ 7769-82, с.4, табл.2). Этот легированный чугун с шаровидным графитом имеет высокие характеристики прочности (не менее 600 МПа), твердости (270-320 НВ), предела коррозионной усталости (250-275 МПа), однако низкие антифрикционные, упруго-пластические и эксплуатационные свойства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный чугун для износостойких литых деталей (А.с. 926058, СССР, С22С 37/10, 1982, прототип) следующего химического состава, мас.%:

Углерод	2,2-2,4
Кремний	1,0-1,8
Марганец	0,1-0,3
Никель	3,0-3,5
Молибден	0,3-0,5
Хром	0,1-0,3
Медь	1,6-2,5
Магний	0,03-0,05
Церий	0,010,02
Железо	Остальное

Механические и эксплуатационные свойства известного чугуна:

Временное сопротивление, МПа	690-735
Предел текучести, МПа	210-250
Коэффициент трения	0,47-0,55
Предел выносливости, МПа	175-190
Износостойкость при сухом трении, мкм/км	0,38-0,45
Предельный режим работы при трении, МПа·м/с	15-22

Известный чугун содержит недостаточное количество графитизирующих компонентов (углерода, кремния и церия) и высокую концентрацию легирующих, аустенизирующих структуру элементов (никеля, молибдена, меди и хрома), способствующих образованию преимущественно крупнозернистой аустенитной металлической основы с низким содержанием свободного графита в структуре в отливках и недостаточными упруго-пластическими, антифрикционными и эксплуатационными свойствами. Недостатком известного чугуна являются низкие характеристики антифрикционных свойств, предела выносливости и износостойкости.

Задачей данного технического решения является повышение антифрикционных свойств, предела выносливости и износостойкости чугуна.

Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий и железо, дополнительно содержит титан, алюминий, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,1-3,6
Кремний	2,0-2,5
Марганец	0,8-1,2
Никель	0,7-1,5
Молибден	0,2-0,4
Медь	0,6-1,5
Хром	0,02-0,06
Магний	0,02-0,03
Церий	0,03-0,05
Титан	0,03-0,55
Алюминий	0,02-0,12
Фосфор	0,03-0,10
Кальций	0,002-0,01
Железо	Остальное

Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - титана, алюминия и фосфора и дополнительное модифицирование его кальцием, что существенно повышает дисперсность и стабильность системы, антифрикционные свойства, предел выносливости и износостойкость. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены эти отличия. Кроме того, они являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.

Титан введен как графитизирующая и микролегирующая добавка, повышающая дисперсность структуры и содержание в ней перлита и вермикулярного графита и обеспечивающая увеличение износостойкости, предела выносливости, стабильности коэффициента трения и эксплуатационных свойств чугуна в отливках. При содержании его менее 0,03% графитизирующий и микролегируюший эффекты и антифрикционные свойства недостаточны, а при содержании более 0,55% снижаются однородность структуры, предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость.

Дополнительное введение алюминия обусловлено тем, что он является эффективной раскисляющей и микролегирующей добавкой, уменьшающей содержание неметаллических включений в отливках и повышающей однородность и дисперсность структуры, предел выносливости, антифрикционные и упруго-пластические свойства чугуна. При содержании алюминия до 0,02% износостойкость, предел выносливости и антифрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 0,12% увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики эксплуатационной стойкости и износостойкости.

Фосфор в количестве 0,03-0,10% обеспечивает образование фосфидной эвтектики в структуре и повышение износостойкости и стабильности антифрикционных свойств. При концентрации его более 0,1% снижаются механические свойства, а при содержании фосфора до 0,03% износостойкость и антифрикционные свойства недостаточны.

Дополнительное введение 0,002-0,01% кальция обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры металлической основы, он очищает границы зерен, существенно повышает упруго-пластические свойства. При концентрации его менее 0,002% модифицирующий эффект, предел выносливости и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,01% увеличивается угар, снижаются однородность структуры, износостойкость и предел выносливости.

Повышение содержания углерода (3,1-3,6%) и кремния (2,0-2,5%) принято исходя из опыта производства высокопрочных антифрикционных чугунов для отливок преимущественно с мелкозернистой перлитной структурой в литом состоянии, с высокими характеристиками механических свойств, износостойкости и антифрикционных свойств в условия трения. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 3,6 и 2,5% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, предела выносливости, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,1 и 2,0% повышаются остаточные термические напряжения в отливках и содержание аустенита и цементита в структуре, что снижает пределы выносливости и текучести, трещиностойкость и удароустойчивость.

Содержание магния, являющегося основной сфероидизирующей графит модифицирующей добавкой, снижено до 0,02-0,03% с целью уменьшения в структуре содержания графита шаровидной формы и коэффициента трения и увеличения в структуре количества вермикулярного графита, предела выносливости и износостойкости чугуна. При содержании магния до 0,02% в структуре шаровидного графита не образуется и механические и антифрикционные свойства низкие. При концентрации магния более 0,03% количество шаровидного графита достигает более 40%, что снижает предел выносливости и антифрикционные свойства.

Содержание церия увеличено до 0,03-0,05%, что способствует повышению антифрикционных свойств и износостойкости и соответствует концентрациям по общепринятым нормам в двигателестроении при производстве литых деталей цилиндро-поршневой группы из высокопрочных чугунов с вермикулярным (компактным) графитом. При концентрации церия более 0,05% повышаются его безвозвратные потери (угар), неоднородность структуры и снижаются механические свойства чугуна.

Медь, марганец, никель, молибден и хром являются основными легирующими компонентами высокопрочных чугунов, обеспечивающие высокие характеристики прочности, износостойкости, пределов выносливости и усталости, но оказывающие неоднозначное влияние на упруго-пластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства.

Медь является перлитизирующим структуру компонентом, повышающим антифрикционные свойства и предел выносливости. При ее содержании в количестве от 0,6 до 1,5% обеспечивается существенное повышение износостойкости, предела выносливости и антифрикционных свойств. При снижении концентрации меди менее 0,6% антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении ее содержания более 1,5% снижаются характеристики износостойкости и трещиностойкости.

Содержание никеля в чугуне снижено до концентрации 0,7-1,5%, так как при содержании более 1,5% он снижает антифрикционные и эксплуатационные свойства, увеличивая неоднородность структуры, склонность к трещинам и нестабильность коэффициента трения. При концентрации никеля менее 0,7% дисперсность структуры, предел выносливости и эксплуатационные свойства недостаточны.

Хром в количестве от 0,02 до 0,06% и молибден (0,02-0,04%) повышают твердость, предел выносливости, коррозионную стойкость и износостойкость чугуна в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома и молибдена соответственно более 0,06% и 0,04% повышается содержание в структуре цементита и карбидов и снижаются антифрикционные и упруго-пластические свойства. При их концентрации менее 0,02% прочность, твердость, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются.

Повышение концентрации марганца до 0,8-1,2% обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышением технологических, механических и антифрикционных свойств. При повышении концентрации марганца более 1,2% увеличиваются остаточные напряжения и снижаются предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость, а при снижении концентрации марганца менее 0,8% повышается содержание в структуре феррита и свободного графита, что снижает механические и эксплуатационные характеристики чугуна.

Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального лома, алюминия А91, ферромарганца, ферромолибдена, ферротитана и других ферросплавов. Микролегирование никелем, ферромарганцем и ферротитаном производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в ковше с использованием экзотермических таблеток на основе алюминия, содержащих никель-магниевую лигатуру и ферроцерий при температуре 1320-1340°С. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний. В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.

Металлографические исследования и анализ структурных составляющих проводят в соответствии с ГОСТ 3343-87. Определение прочностных свойств проводят по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм с расчетной длинной 70 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм, а предел коррозионной усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 10⁷ циклов.

В табл.2 приведены механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства высокопрочных чугунов опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах. Графит в отливках из предложенного чугуна имел преимущественно вермикулярную форму, а дисперсность перлита не превышала ПД 0,5 по ГОСТ 3443-87.

Как видно из табл.2, предложенный чугун имеет более высокие характеристики предела коррозионной усталости, износостойкости и антифрикционных свойств.

Таблица 1
Компоненты	Содержание компонентов, мас.%, (железо - остальное), в чугуне состава
1 (Извест.)	2	3	4	5	6
Углерод	2,4	2,5	3,1	3,3	3,6	3,8
Кремний	1,5	1,7	2,0	2,1	2,5	2,7
Марганец	0,3	0,3	0,8	1,0	1,2	1,4
Никель	3,1	1,1	0,7	1,1	1,5	1,6
Молибден	0,2	0,2	0,2	0,32	0,4	0,5
Хром	0,2	0,007	0,01	0,03	0,06	0,1
Медь	2,1	0,3	0,6	1,1	1,5	1,7
Магний	0,05	0,01	0,02	0,03	0,03	0,04
Церий	0,02	0,02	0,03	0,04	0,05	0,06
Титан	-	0,02	0,03	0,043	0,55	0,72
Кальций	-	0,001	0,002	0,006	0,01	0,015
Фосфор	-	0,012	0,03	0,05	0,10	0,12
Алюминий	-	0,05	0,05	0,09	0,12	0,14

Таблица 2
Свойства чугунов	Показатели для составов чугуна
1 (Извест.)	2	3	4	5	6
Временное сопротивление, МПа	695	650	730	761	755	690
Предел текучести, МПа	245	251	270	287	729	268
Предельный режим при трении, МПа·м/с	22	23	25	30	27	24
Скорость износа при сухом трении, мкм/км	0,42	0,38	0,35	0,26	0,32	0,36
Предел выносливости, МПа	187	193	207	221	216	195
Дисперсность перлита (ПД по ГОСТ 3443-87)	1,0	1,0	0,5	0,3	0,5	1,0
Количество вермикулярного графита в структуре, %	40	45	75	90	87	60
Коэффициент трения	0,48	0,46	0,43	0,38	0,41	0,45
Склонность к трещинообразованию (количество трещин в пробе)	6,6	6,1	4,2	3,2	3,7	4,1

Высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, алюминий, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,1-3,6
кремний	2,0-2,5
марганец	0,8-1,2
никель	0,7-1,5
молибден	0,2-0,4
медь	0,6-1,5
хром	0,02-0,06
магний	0,02-0,03
церий	0,03-0,05
титан	0,03-0,55
алюминий	0,02-0,12
фосфор	0,03-0,10
кальций	0,002-0,01
железо	остальное.