Износостойкий чугун

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам для работы в условиях сухого трения. Заявлен чугун, содержащий, мас.%: углерод 3,5-4,2, кремний 2,7-3,5, марганец 8,5-11,0, алюминий 2,5-3,3, ванадий 5,5-7,0, титан 0,5-0,8, железо - остальное. Технический результат - повышение износостойкости чугуна при сухом трении и отсутствии значительных ударных и изгибающих нагрузок. Повышается срок службы изготовленных из предлагаемого чугуна тормозных колодок для локомотивов. 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, C22C 37/08, 07.01.83, бюл. №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 при работе в условиях сухого трения и фрикционного разогрева.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун [А.с. СССР №456035, C22C 37/00, 05.01.75, бюл. №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 являются - сравнительно 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 увеличения ресурса деталей фрикционных пар сухого трения с достижением технического результата - повышения износостойкости и твердости чугуна. Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, алюминий марганец и железо, согласно изобретению дополнительно содержит ванадий и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,5-4,2
Кремний	2,7-3,5
Марганец	8,5-11
Алюминий	2,5-3,3
Ванадий	5,5-7,0
Титан	0,5-0,8
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 4,2%, в структуре образуется значительное количество свободного графита, что обуславливает 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 8,5% в структуре металлической основы преобладает мартенсит. При концентрации марганца 8,5-11% структура состоит преимущественно из аустенита и карбидов.

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 7,0% нецелесообразно по технико-экономическим соображениям.

Введение в состав чугуна титана в количестве 0,5-0,8% обусловлено его высокой химической активностью и способностью образовывать металлические соединения, обладающие высокой прочностью и износостойкостью. Введение в сплав титана в указанных пределах обеспечивает формирование плотной и однородной структуры металла, отличающейся износостойкостью и жаропрочностью при фрикционном разогреве.

Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.

Таким образом, заявляемая совокупность и концентрация 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, титана, бой электродов. Металл нагревают до 1420-1450°C, а разливка производится при температуре 1380-1400°C 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 20 ГОСТ 1412-85.

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

Таблица
№ плавки	Содержание элементов*, мас.%	Твердость, НВ	σв, МПа	Относительная износостойкость, ε
	C	Si	Мn	Al	V	Ti
Экспер. состав по изобретению	3,7	3,5	10,5	3,0	6,3	0,8	350	410	2,70
СЧ20 ГОСТ 1412-85	3,4	1,6	0,85	-	-	-	180	200	1
*Примечание. Остальное железо и примеси.

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

Углерод	3,5-4,2
Кремний	2,7-3,5
Марганец	8,5-11,0
Алюминий	2,5-3,3
Ванадий	5,5-7,0
Титан	0,5-0,8
Железо	Остальное