Чугун

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к легированным чугунам для подшипников скольжения. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,7-4,2; кремний 3,0-3,6; марганец 8,5-10,5; олово 0,3-0,8; медь 0,25-1,0; алюминий 0,4-1,2; титан 0,1-0,65; кальций 0,005-0,02; железо - остальное. Состав чугуна обеспечивает высокую износостойкость при трении со смазкой, содержащей абразив, спад твердости по глубине рабочего слоя и снижение износа контртела. 1 табл.

 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к легированным чугунам для подшипников скольжения.

Известен чугун марки АЧС 2 (ГОСТ 1585-85), содержащий, мас.%:

Углерод	3,2-3,8
Кремний	1,4-2,2
Марганец	0,4-0,7
Хром	0,2-0,4
Никель	0,2-0,4
Титан	0,03-0,1
Медь	0,3-0,5
Железо	остальное

Недостатком известного чугуна является недостаточная износостойкость при повышенных давлениях.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун [а.с. СССР №552368, С22С 37/00, 30.03.77. Бюл. №12], содержащий, мас.%:

Углерод	3,5-4,0
Кремний	2,5-3,5
Марганец	8,0-12,0
Олово	0,5-1,0
Медь	0,2-0,7
Железо	остальное

Недостатком прототипа является сравнительно невысокая износостойкость в условиях трения со смазкой, содержащей абразив.

Изобретение решает задачу повышения износостойкости чугуна при трении и снижения износа сопряженной детали. Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, олово и железо, согласно изобретению дополнительно содержит титан, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,7-4,2
Кремний	3,0-3,6
Марганец	8,5-10,5
Олово	0,3-0,8
Медь	0,25-1,0
Алюминий	0,4-1,2
Титан	0,1-0,65
Кальций	0,005-0,02
Железо	остальное

Повышение износостойкости в условиях трения со смазкой, содержащей абразив, 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 3,7% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы и полного отсутствия свободного графита; при содержании углерода, превышающем 4,2%, 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 3,6% 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 8,5-10,5% структура состоит преимущественно из аустенита и карбидов.

Олово в указанных пределах проявляет легкий графитизирующий характер, одновременно увеличивает предел прочности на изгиб. Содержание олова свыше 0,8% не обеспечивает требуемого технического эффекта.

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%.

Титан в используемых количествах является модификатором. Его модифицирующее действие начинает проявляться при содержании 0,1%. При содержании титана больше 0,65% наблюдается ухудшение формы и увеличение размеров графитовых включений, что приводит к снижению прочностных свойств чугуна.

Введение в состав чугуна алюминия способствует измельчению зерна при кристаллизации и в сочетании с выбранной концентрацией марганца формированию аустенитной металлической основы. При содержании в чугуне менее 0,4% этот эффект проявляется недостаточно, а при содержании более 1,2% возникает опасность снижения прочностных характеристик чугуна и, как следствие, снижение износостойкости.

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 добавка его более 0,02% 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 трении со смазкой, содержащей абразив, 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, титана, марганца, отходы электротехнической меди и алюминия, силикокальций, бой электродов. Металл нагревают до 1420-1450°С, а разливка производится при температуре 1380-1400°С в просушенные и прогретые песчано-глиняные формы.

В таблице представлены результаты механических свойств чугуна. При испытаниях на износостойкость в качестве эталона была принята бронза Бр O5Ц5С5. Относительная износостойкость определялась как соотношение абсолютного износа образца из эталонного материала (Бр O5Ц5С5) и абсолютного износа экспериментального чугуна и его прототипа. Относительная износостойкость Бр O5Ц5С5 была принята за ε=1.

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

Таблица
№ плавки	Содержание элементов*, мас.%:	Твердость, НВ	Предел прочности на изгиб, МПа	Относительная износостойкость, ε
С	Si	Mn	Sn	Cu	Al	Ti	Ca
1	3,7	3,0	8,5	0,3	0,25	0,4	0,1	0,005	230	310-330	3,8
2 (оптим.)	4,0	3,3	9,5	0,6	0,65	0,8	0,4	0,012	245	350-360	4,5
3	4,2	3,6	10,5	0,8	1,0	1,2	0,65	0,02	240	340-350	4,2
По составу прототипа	3,7	3,0	10	0,75	0,5	-	-	-	230	330-350	3,1
*Примечание. Остальное железо и примеси.

Чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, олово и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит титан, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,7-4,2
кремний	3,0-3,6
марганец	8,5-10,5
олово	0,3-0,8
медь	0,25-1,0
алюминий	0,4-1,2
титан	0,1-0,65
кальций	0,005-0,02
железо	остальное