Чугун

Изобретение относится к металлургии, в частности к составам износостойких чугунов на основе системы Fe-C-Al, и может использоваться для наплавки толкателей ДВС, работающих в условиях трения скольжения в контакте с закаленной цементированной стальной поверхностью вала. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,1-3,4, марганец 0,5-0,65, никель 0,4-0,75, молибден 0,4-0,60, медь 1,0-1,70, сера 0,08-0,15, кальций 0,01-0,10, бор 0,05-0,20, алюминий 9,8-19,7, кремний 0,3-0,6, барий 0,03-0,10, ванадий 0,2-0,6, железо - остальное. Техническим результатом изобретения является повышение сопротивляемости к трещинообразованию и задиристости сопрягаемых поверхностей деталей из чугуна и закаленной стали, работающих в условиях трения скольжения. 2 табл.

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, работающим в условиях трения скольжения в контакте с закаленной сталью.

Известен износостойкий чугун [Патент №2011693 МПК C22C 37/10, 10.02.1992 г. (опубликован 30.07.1994)], содержащий, мас.%:

углерод (C) - 3,2-4,0

кремний (Si) - 1,2-2,0

марганец (Mn) - 8,2-12,0

хром (Cr) - 3,0-6,0

алюминий (Al) - 0,4-1,2

кальций (Ca) - 0,01-0,05

церий (Ce) - 0,01-0,04

барий (Ba) - 0,005-0,015

железо (Fe) - остальное.

Недостатком известного чугуна является неудовлетворительная обрабатываемость резанием в литом состоянии за счет выделения избыточных дисперсных карбидов при силовом воздействии на сплав.

Известен износостойкий чугун [Патент №2384641 МПК C22C 37/04; C22C 37/08, 20.03.2009 г. (опубликован 20.03.2010)], содержащий, мас.%.

углерод (C) - 2,2-3,2

кремний (Si) - 0,5-3,0

марганец (Mn) - 0,2-3,0

хром (Cr) - 3,0-6,4

никель (Ni) - 2,0-4,0

бор (B) - 0,2-0,4

ванадий (V) - 0,2-0,8

медь (Cu) - 0,2-0,8

алюминий (Al) - 0,1-0,4

церий (Ce) - 0,03-0,20

магний (Mg) - 0,02-0,1

кальций (Ca) - 0,05-0,2

железо (Fe) - остальное.

Несмотря на высокую прочность и удароустойчивость при работе в условиях ударно-абразивного износа чугун имеет неудовлетворительную обрабатываемость резанием в литом состоянии и не имеет необходимой стойкости при трении деталей в зоне контакта "чугун-сталь".

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является чугун [Патент №2191214 МПК C22C 37/10 от 09.01.2002 г. (опубликован 20.10.2002)] следующего химического состава (мас.%):

углерод (C) - 3,2-3,7

марганец (Mn) - 7,5-9,5

медь (Cu) - 0,4-1,1

сера (S) - 0,02-0,2

кальций (Ca) - 0,02-0,1

никель (Ni) - 0,2-0,8

молибден (Mo) - 0,1-0,5

бор (B) - 0,01-0,04

железо (Fe) - остальное.

Причем отношения суммы карбидообразующих элементов (марганца, хрома, молибдена и бора) к сумме графитизирующих элементов (углерода, кремния, никеля и меди) должно находиться в пределах 1,23-1,27; а отношение содержания серы к содержанию кальция находится в пределах 1-2. Чугун обладает высокой износостойкостью при трении скольжения со смазкой и обладает хорошими антифрикционными свойствами и обрабатываемости резанием при точении на токарных операциях.

Существенным недостатком известного чугуна является низкая сопротивляемость к трещинообразованию при обработке резанием (шлифовании) и недостаточная задиростойкость в условиях трения скольжения с закаленной цементованной стальной поверхностью.

Изобретение направлено на повышение сопротивляемости к трещинообразованию и задиростойкости сопрягаемых поверхностей деталей, работающих в условиях трения скольжения между чугуном и закаленной цементованной сталью, и обеспечение удовлетворительной обрабатываемости резанием.

Поставленная задача достигается тем, что чугун, содержащий углерод, марганец, медь, серу, кальций, никель, молибден, бор и железо, дополнительно содержит алюминий, кремний, барий и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,1-3,4	сера	0,08-0,15
марганец	0,5-0,65	кальций	0,01-0,10
никель	0,4-0,75	бор	0,05-0,20
молибден	0,4-0,60	алюминий	9,8-19,7
медь	1,0-1,70	кремний	0,3-0,6
		барий	0,03-0,10
		ванадий	0,2-0,6
железо	остальное.

При этом отношение содержания алюминия к содержанию углерода находится в пределах 3,2-5,8, а содержание тугоплавких карбидообразующих элементов (молибден, ванадий и бор) в сумме 0,6-1,4% мас.

Углерод. При содержании углерода менее 3,1% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы. При содержании углерода более 3,4% износостойкость и вязкость также уменьшаются в результате формирования структуры с крупными избыточными карбидами.

Кремний. При его содержании менее 0,3% снижается жидкотекучесть сплава, а увеличение его концентрации более 0,6% вызывает опасность частичной графитизации, что уменьшает износоустойчивость чугуна.

Кальций вводится для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен и улучшения механических свойств чугуна. Введение кальция в количествах менее 0,01% практически не улучшает качество чугуна и сохраняет вероятность образования фосфидной эвтектики, приводящей к снижению износостойкости чугуна, а добавка более 0,10% дополнительного эффекта не вызывает.

Барий способствует снижению остаточных литейных напряжений и тем самым снижает вероятность образования трещин в чугуне в процессе его шлифования. Содержание бария в пределах 0,03-0,10% установлено опытным путем.

Бор - химический элемент, вызывающий образование твердых и износостойких карбидов. При содержании менее 0,05% эффект практически отсутствует, а при содержании более 0,2% - повышается хрупкость вследствие образования борокарбонитридов.

При содержании менее 0,2% ванадия износостойкость снижается вследствие уменьшения количества карбидов VC. Более высокое содержание ванадия более 0,6% нецелесообразно, так как снижается вязкость и повышается себестоимость изделий.

Марганец - химический элемент, существенно влияющий на технологические свойства чугуна. При содержании менее 0,5% наблюдаются поры и трещины в литом чугуне, а повышенное содержание - более 0,65% - приводит к снижению обрабатываемости резанием.

Никель - признанный графитизирующий элемент, но при его содержании от 0,4 до 0,75% это действие практически отсутствует. Никель, находясь в твердом растворе, повышает механические и эксплуатационные свойства чугуна. При содержании менее 0,4% понижается вязкость и повышается вероятность образования трещин при шлифовании чугуна, при содержании более 0,75% никель способствует аустенизации и графитизации, что снижает износостойкость чугуна.

Молибден - сильный карбидообразующий элемент. Температура плавления Mo₂C 2522°C, плотность 9,18 г/см³, микротвердость 14,99 ГПа. При содержании 0,4-0,6% он сильно упрочняет матрицу за счет мелко дисперсионных карбидов. При более высоком содержании дополнительного эффекта по износостойкости не наблюдается, а при содержании менее 0,4% возникает опасность выделения графитовых включений в процессе кристаллизации сплава.

Медь - химический элемент, повышающий вязкость чугуна. Низкое ее значение - менее 1,0% - сохраняет опасность образования трещин при шлифовке чугуна, а при содержании более 1,7% она вызывает процесс графитизации, повышает вероятность охрупчивания, что снижает износостойкость сплава.

Алюминий - химический элемент, влияющий на плотность чугуна: при 5-8% Al в чугуне плотность составляет 6400-6700 кг/м³, а при содержании 29-31% Al она составляет 5300 кг/м³. Алюминий, как углерод и кремний в составе чугуна выполняет роль графитизирующих элементов. Кроме того, алюминий выполняет и функцию раскислителя. Однако при определенных условиях кристаллизации и последующего охлаждения чугуна с содержанием алюминия от 9,8 до 19,7% процесс графитизации исключен и в сплаве образуются только комплексные карбиды системы Fe₃AlC_x. Уменьшение или увеличение содержания алюминия от заявленного содержания вызывает процесс графитизации в чугуне, что снижает его износостойкость. Наличие алюминия в чугуне дополнительно вызывает образование окисной пленки на поверхности при термическом оксидировании чугуна, что повышает его задиростойкость.

Сера - примесь в чугуне, снижающая механические свойства сплава, но благоприятно сказывается на обрабатываемости резанием за счет образования легкоплавкой (998°C) эвтектики Fe-FeS.

Таким образом, заявляемая совокупность и содержание легирующих элементов позволяют повысить трещиностойкость и задиростойкость деталей из чугуна, работающих с цементованной закаленной стальной деталью, и тем самым повысить надежность и долговечность изделий.

Плавку чугуна проводили в индукционной печи ИСТ/04-032 с основной футеровкой. В качестве шихты использовали стальной лом, переплавленный низкокремнистый чугун и чугунную стружку. Легирующие элементы - никель и медь - вводили в металлозавалку в виде ферросплава ФН7, бор вводили в металлозавалку в виде ферросплава ФБ17, ванадий вводили в металлозавалку в виде ферросплава ФВд35А, молибден вводили в металлозавалку в виде ферросплава ФМо60. Расплавление вели под основным шлакообразующим материалом - флюсом, взятым в количестве 0,3-1,5% от веса жидкого металла до получения чугуна с суммарным содержанием углерода и кремния 3,4-4,0%, перегревали чугун до температуры 1450-1520°C, выдерживали 1-7 минут, скачивали шлак и на зеркало металла вводили марганец в виде ферромарганца ФМн65Ф и алюминий в чушках АВ97 в количестве 10,5-21,0%, после чего проводили выдержку в течение 15-20 минут. При выпуске металла из печи проводили модифицирование ферросиликобарием ФС60Ба22 в количестве 1,0-1,5% от веса металла в ковше для наиболее эффективного воздействия на очистку расплава вредных примесей.

Модифицирование чугуна ферросиликобарием принято потому, что он является наиболее эффективным модификатором для белого чугуна по сравнению с известными другими модификаторами, например, ферросилицием или силикокальцием. Он хорошо и быстро усваивается расплавом, способствует эффективной очистке его от серы и других вредных примесей, увеличивает его жидкотекучесть, снижает склонность чугуна к усадке и образованию усадочных дефектов и трещин, сохраняет длительный эффект модифицирования при заливке, измельчает структуру отливок, что способствует получению качественных отливок, кроме того, он недефицитен и недорогой.

Модифицирование ферросиликобарием осуществляется одним из известных простых способов, например, путем введения его в виде крошки под струю расплава при сливе его из печи в ковш или на дно ковша. Наибольший эффект модифицирования расплава белого чугуна ферросиликобарием достигается при его температуре 1400-1470°C. При ее снижении ниже нижнего указанного предела существенно снижается усвоение жидким чугуном ферросиликобария, что сильно снижает эффект влияния модифицирования на качество отливок.

В таблице 1 приведены составы известного и предлагаемого чугуна.

Таблица 1
Химический состав опытных плавок чугуна
№ п/п	Содержание химических элементов, масс.%
C	Si	Mn	Ni	Mo	Cu	Ca	B	S	P	Al	Ba	V
Прототип патент №2191214	3,6	0,48	7,6	0,66	0,22	1,04	0,08	0,01	0,18	0,14	-	-	-
1	3,1	0,37	0,55	0,50	0,45	1,6	0,04	0,08	0,10	0,14	9,0	-	-
2	3,1	0,39	0,50	0,55	0,48	1,7	0,05	0,10	0,10	0,15	9,8	-	-
3	3,2	0,39	0,50	0,50	0,46	1,6	0,04	0,10	0,10	0,15	19,7	-	-
4	3,1	0,37	0,55	0,55	0,40	1,6	0,05	0,10	0,12	0,14	21,0	-	-
5	3,2	0,40	0,60	0,55	0,56	1,3	0,04	0,08	0,12	0,16	11,2	0,03	0,2
6	3,3	0,40	0,50	0,60	0,42	1,12	0,02	0,10	0,14	0,18	12,1	0,10	0,22
7	3,2	0,38	0,50	0,50	0,44	1,30	0,02	0,07	0,12	0,20	12,4	0,03	0,60
8	3,2	0,37	0,55	0,60	0,54	1,34	0,04	0,08	0,14	0,16	16,6	0,10	0,50
9	3,1	0,60	0,52	0,72	0,46	1,22	0,03	0,06	0,12	0,18	14,4	0,08	0,34
10	3,2	0,56	0,54	0,71	0,52	1,28	0,07	0,08	0,12	0,17	15,3	0,06	0,36

В таблице 2 приведены свойства чугунов по трещиностойкости, износостойкости и обрабатываемости резанием.

Таблица 2
Свойства опытных плавок чугуна
Номер плавки	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Кол-во* деталей с трещинами и прижогами, % (шт)	10,7 (16)	5,6 (8)	6,8 (11)	8,6 (14)	7,4 (11)	6,5 (8)	5,4 (6)	6,7 (9)	6,9 (9)	6,5 (11)
Износ чугуна (мкм)	24,5	17,5	18,0	25,0	11,0	11,5	10,5	12,5	13,0	10,5
Примечание. * Количество деталей в партии составило от 12 до 176 шт.
** Износ чугуна после стендовых испытаний.

Трещиностойкость чугуна оценивали по наличию трещин в сплаве после его шлифовки. Выявление трещин на чугуне проводили магнитно-люминесцентным методом на установке HU-700 фирмы "Karl Deutsch" (Германия).

Износостойкость чугуна оценивали после стендовых и эксплуатационных испытаний узла трения чугунная наплавленная поверхность толкателя клапана - стальная цементированная поверхность кулачка распределительного вала.

Обрабатываемость резанием чугуна изучалась при плоском шлифовании чугуна при скорости 35-40 м/с. За критерий обрабатываемости принимали наличие прижогов и трещин на отшлифованной поверхности.

Сравнение свойств чугунов показывает, что предлагаемый чугун (№2, 3, 5-10 табл.2) обладает повышенной трещиностойкостью в сочетании с высокой износостойкостью и обрабатываемостью резанием.

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

1. Чугун, содержащий углерод, марганец, медь, серу, кальций, никель, молибден, бор и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний, алюминий, барий и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,1-3,4
марганец	0,5-0,65
медь	1,0-1,70
сера	0,08-0,15
кальций	0,01-0,10
никель	0,4-0,75
молибден	0,4-0,60
бор	0,05-0,20
алюминий	9,8-19,7
кремний	0,3-0,6
барий	0,03-0,10
ванадий	0,2-0,6
железо	остальное

2. Чугун по п.1, отличающийся тем, что отношение содержания алюминия к содержанию углерода находится в пределах 3,2-5,8, а содержание молибдена, ванадия и бора в сумме составляет 0,6-1,4 мас.%.