Антифрикционный чугун
Владельцы патента RU 2365659:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Брянская государственная инженерно-технологическая академия" (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам с шаровидным графитом, используемым в тяжело нагруженных узлах трения. Антифрикционный чугун содержит, мас.%: углерод 3,24-3,88; кремний 2,98-4,01; марганец 0,30-0,44; молибден 0,27-0,42; медь 0,63-1,02; титан 0,02-0,08, барий 0,03-0,08; магний 0,017-0,050; кальций 0,01-0,03; РЗМ 0,01-0,06; железо - остальное. Чугун обладает высокими механическими свойствами при пониженной твердости и сохранении высокой износостойкости, низкого коэффициента трения и малого износа сопряженных деталей. 2 табл.
Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам с шаровидным графитом, используемым в тяжело нагруженных узлах трения.
Известен чугун [1], содержащий, мас.%:
| Углерод | 2,8-4,2 | Алюминий | 0,05-0,7 |
| Кремний | 3,6-5,8 | Магний | 0,01-0,05 |
| Марганец | 0,3-0,8 | Кальций | 0,005-0,02 |
| Медь | 0,6-1,8 | РЗМ | 0,01-0,07 |
| Хром | 0,05-0,3 | Железо | остальное |
| Молибден | 0,05-0,2 |
Этот чугун имеет ферритную структуру и обладает высокими прочностными свойствами, повышенной износостойкостью и достаточно низким коэффициентом трения.
Недостатками чугуна являются низкие значения пластичности (относительного удлинения) и ударной вязкости, повышенная твердость, затрудненная прирабатываемость и повышенный износ сопряженной детали.
Наиболее близким к предлагаемому является чугун [2], содержащий, мас.%:
| Углерод | 3,32-4,04 | Кальций | 0,005-0,02 |
| Кремний | 3,72-5,39 | Магний | 0,015-0,05 |
| Марганец | 0,18-0,51 | Алюминий | до 0,01 |
| Молибден | 0,15-0,43 | РЗМ | 0,01-0,06 |
| Олово | 0,03-0,12 | Железо | остальное. |
| Барий | 0,02-0,08 |
Чугун обладает высокой прочностью и износостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами (пониженным коэффициентом трения, обеспечивая небольшой износ сопряженной детали). За счет молибдена уменьшена склонность чугуна к ферритной хрупкости.
К недостаткам чугуна относятся нестабильность значений твердости (возможно превышение значений 210 НВ) и прочности (возможно снижение σв до 580 МПа и меньше), недостаточно высокие и нестабильные значения пластичности и ударной вязкости.
Задача изобретения - создание в чугуне особой структуры, состоящей из мелкозернистого двухфазного (гетерогенизированного) феррита, дисперсных включений упрочняющих фаз и шаровидного графита.
Технический результат - повышение механических свойств чугуна (предела прочности, относительного удлинения и ударной вязкости) при пониженной твердости (не более 200 НВ) и сохранении хороших триботехнических свойств (высокой износостойкости, низкого коэффициента трения и малого износа сопряженных деталей).
Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, молибден, барий, магний, кальций, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, дополнительно содержит медь и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 3,24-3,88 | Барий | 0,030-0,078 |
| Кремний | 2,98-4,01 | Магний | 0,017-0,050 |
| Марганец | 0,28-0,44 | Кальций | 0,01-0,03 |
| Молибден | 0,27-0,42 | РЗМ | 0,01-0,06 |
| Медь | 0,63-1,02 | Железо | остальное, |
| Титан | 0,02-0,08 |
В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,02 мас.%), фосфор (до 0,05 мас.%) и алюминий (до 0,01 мас.%).
Суть изобретения обеспечивается созданием в чугуне особой структуры, состоящей из мелкозернистого феррита (измельченного за счет присадки в сплав титана), претерпевшего спинодальное расслоение на обычный углеродистый феррит и силикоферрит (за счет достаточно высокого содержания кремния) и упрочненного дисперсными включениями медистой фазы (за счет легированием чугуна медью и молибденом), в сочетании с достаточно измельченным шаровидным графитом. Сфероидизация графита обеспечивается достаточным количеством элементов, входящих в состав комплексного модификатора (магния, бария, кальция и РЗМ). Химический состав чугуна подобран таким образом, что необходимая структура может быть получена уже в литом состоянии, но наибольшая ее стабильность обеспечивается путем термической обработки, состоящей из ферритизирующего отжига при 780-790°С и старения при 500-520°С.
Состав чугуна выбран исходя из следующих соображений.
По сравнению с прототипом снижены верхний и нижний пределы интервала содержания кремня, что позволило обеспечить повышение пластичности и ударной вязкости чугуна. При содержании кремния более 4,01% происходит заметное снижение этих свойств и повышение регламентируемой твердости чугуна, а при снижении содержания кремния менее 2,98% ухудшаются триботехнические свойства и снижается предел прочности.
Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна в литом состоянии. При содержании углерода менее 3,24 мас.% уменьшается степень ферритизации структуры, становится возможным образование перлита и повышение твердости. Если в чугуне содержится более 3,88 мас.% углерода, в его структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации), что может проявляться в снижении прочности и износостойкости чугуна.
Дополнительно в состав чугуна введена медь в количестве 0,63-1,02 мас.%. Нижний предел обеспечивает минимально достаточную степень дисперсионного упрочнения феррита медистой фазой. Превышение верхнего предела проявляется в усилении перлитизирующего действия меди, что приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна.
Молибден в составе данного чугуна используется не только для устранения или уменьшения ферритной хрупкости (по аналогии с прототипом), но и для значительного усиления дисперсионного упрочнения чугуна медистой фазой. При содержании менее 0,27 мас.% молибдена эта его роль практически не проявляется, а при содержании более 0,42 мас.% происходит существенное удорожание чугуна, появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость.
В состав чугуна дополнительно введен также титан в количестве 0,02-0,08 мас.%. Дисперсные карбиды титана, образующиеся в жидком чугуне и в процессе его кристаллизации, обеспечивают значительное измельчение структуры, что проявляется в улучшении всех его свойств. Содержание титана менее 0,02 мас.% не оказывает заметного действия на измельчение структуры, а его содержание более 0,08 мас.% приводит к выделению карбидов титана по границам зерен первичной структуры, что проявляется в снижении ударной вязкости чугуна.
Остальные компоненты чугуна используются примерно в тех же количествах, что и в составе чугуна-прототипа, и их роль и пределы рационального содержания обоснованы в описании изобретения [2].
Плавки чугуна проводили в открытых индукционных тигельных печах с кислой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, электродного боя и ферросилиция. Ферросилиций вводили в расплав при 1350-1380°С.
При переливе металла из печи в разливочный ковш проводили комплексное модифицирование чугуна "сандвич-процессом", пригружая модифицирующую смесь (состоящую из комплексной лигатуры ЖКМК, силикобария и плавикового шпата) специально отлитой чугунной решеткой. Температура модифицирования металла 1420-1450°С.
Жидкий чугун разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали стандартные пробы толщиной 30 мм, из которых вырезали образцы для проведения металлографического анализа, механических испытаний и испытаний на изнашивание.
Половину образцов подвергали термической обработке, которая состояла из двух стадий. Первая стадия заключалась в ферритизирующем отжиге чугуна, который проводили при 780-790°С с выдержкой 3 часа при медленном охлаждении (в печи) до 650-600°С и последующем быстром охлаждении до комнатной температуры (на воздухе для тонкостенных отливок и в воде для отливок с толщиной стенки более 20 мм) с целью предотвращения ферритной хрупкости.
Вторая стадия термической обработки представляла собой искусственное старение при 520-540°С в течение 3 часов с последующим охлаждением на воздухе.
Испытания на изнашивание проводили на машине СМЦ-2 в условиях сухого трения по схеме "вращающийся диск - неподвижная колодка". Диск контртела диаметром 50 мм изготовлен из стали 45 и термообработан на твердость 32-34 HRC. Испытания проводили при скорости скольжения 0,75 м/с с удельной нагрузкой 3 МПа в центре контактной площади. Износ определяли по потере массы образца и контртела в процессе изнашивания. Параллельно определяли коэффициент трения.
Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены в табл.1 и 2.
Чугун предлагаемого состава (сплавы 1-5) отличается от прототипа более высокими значениями механических свойств (предела прочности, относительного удлинения и ударной вязкости) и пониженными значениями твердости и износа контртела (как в литом, так и в термообработанном состояниях), не уступая прототипу в значениях остальных триботехнических свойств. При этом регламентируется сочетание следующих механических и триботехнических свойств: твердость не более 200 НВ, предел прочности σв не менее 590 МПа (60 кгс/мм2), относительное удлинение не менее 6% (а после термообработки не менее 10%), ударная вязкость КС не менее 50 Дж/см2 (а после термообработки не менее 60 Дж/см2), износ образца не более 7 мг/см2 на 1000 п.м при износе контртела не более 0,7 мг (а после термообработки образца - не более 0,35 мг) на 1000 п.м, коэффициент трения не более 0,5.
При выходе за рекомендуемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 6 и 7) существенно ухудшаются его механические свойства (снижаются относительное удлинение и ударная вязкость, а в сплаве 6 - и предел прочности) и повышаются твердость и износ контртела.
Источники информации
1. Авт.св. СССР №1752819, кл. С22С 37/10.
2. Патент РФ №2267549, кл. С22С 37/10.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Сплав | Содержание элементов, мас.% | |||||||||
| С | Si | Mn | Cu | Mo | Ti | Ba* | Mg | Ca* | РЗМ | |
| 1 | 3,24 | 3,84 | 0,31 | 0,63 | 0,27 | 0,05 | 0,08 | 0,035 | 0,03 | 0,04 |
| 2 | 3,42 | 4,01 | 0,44 | 0,75 | 0,34 | 0,08 | 0,07 | 0,017 | 0,01 | 0,06 |
| 3 | 3,62 | 3,30 | 0,38 | 0,68 | 0,32 | 0,03 | 0,04 | 0,032 | 0,02 | 0,03 |
| 4 | 3,70 | 3,56 | 0,28 | 1,02 | 0,31 | 0,06 | 0,03 | 0,043 | 0,02 | 0,05 |
| 5 | 3,88 | 2,98 | 0,33 | 0,84 | 0,42 | 0,02 | 0,04 | 0,050 | 0,03 | 0,01 |
| 6 | 3,91 | 4,85 | 0,51 | 0,43 | 0,12 | 0,01 | 0,01 | 0,012 | 0,005 | 0,005 |
| 7 | 3,18 | 2,40 | 0,30 | 1,49 | 0,63 | 0,10 | 0,09 | 0,062 | 0,04 | 0,07 |
| Известный** | 3,49 | 4,67 | 0,32 | - | 0,40 | - | 0,08 | 0,047 | 0,02 | 0,03 |
| * Содержание по количеству введенного элемента. | ||||||||||
| ** Содержится также 0,07 мас.% Sn/ |
| Таблица 2 | |||||||
| Сплав | Средние значения свойств* | ||||||
| Твердость НВ | Предел прочности σв, МПа | Относительное удлинение δ, % | Ударная вязкость RC, Дж/см2 | Износ образца, мг | Износ контртела, мг | Коэффициент трения | |
| 1 | 189/187 | 616/624 | 8,9/10,7 | 53/69 | 5,6/5,6 | 0,58/0,27 | 0,43/0,42 |
| 2 | 193/193 | 622/629 | 7,6/10,1 | 51/65 | 5,2/5,0 | 0,56/0,26 | 0,42/0,40 |
| 3 | 192/186 | 615/595 | 8,1/13,2 | 52/78 | 6,5/6,3 | 0,67/0,32 | 0,47/0,46 |
| 4 | 200/196 | 630/628 | 8,3/11,2 | 52/62 | 6,0/6,0 | 0,61/0,30 | 0,43/0,42 |
| 5 | 200/188 | 624/592 | 6,3/12,9 | 51/78 | 6,4/6,7 | 0,69/0,33 | 0,47/0,47 |
| 6 | 270/268 | 564/560 | 0,1/0,1 | 35/36 | 5,0/5,1 | 0,89/0,54 | 0,44/0,43 |
| 7 | 250/212 | 673/594 | 1,8/4,3 | 38/52 | 6,1/6,8 | 0,88/0,52 | 0,50/0,48 |
| Известный | 221/218 | 570/566 | 0,2/0,5 | 35/37 | 6,2/6,5 | 0,88/0,49 | 0,43/0,43 |
| *В числителе приведены значения свойств для литого состояния, в знаменателе - после термической обработки. |
Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, молибден, барий, магний, кальций, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| углерод | 3,24-3,88 |
| кремний | 2,98-4,01 |
| марганец | 0.28-0,44 |
| молибден | 0,27-0,42 |
| медь | 0,63-1,02 |
| титан | 0.02-0.08 |
| барий | 0,03-0,08 |
| кальций | 0,01-0,03 |
| РЗМ | 0,01-0,06 |
| железо | остальное |
