Антифрикционный чугун
Владельцы патента RU 2527572:
Кузнецов Виктор Анатольевич (RU)
Трифоненков Александр Даниилович (RU)
Изобретение относится к составам чугунов, используемых для изготовления хорошо обрабатываемых обычными инструментами деталей различного сечения, работающих в узлах трения при значительных удельных нагрузках, таких как втулки опорных и натяжных колес экскаваторов, вкладышей дробилок и т.д. Антифрикционный чугун содержит компоненты, мас.%: углерод 2,2-3,6; кремний 0,1-0,5; марганец 0,5-1,5; медь 1,5-10,0; алюминий 0,8-4,0; олово 0,1-0,5; кальций 0,002-0,05; никель 0,5-1,5; вольфрам 0,1-0,3; фосфор 0,1-0,6; железо - остальное. При реализации изобретения возможна замена более дорогих медных сплавов, работающих в узлах трения тяжелонагруженных машин и механизмов, повышается срок службы деталей в паре трения, улучшаются условия механической обработки отливок. 2 табл.
Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке состава чугунов, используемых для изготовления хорошо обрабатываемых обычными инструментами деталей различного сечения, способных работать в узлах трения при значительных интервалах удельных нагрузок и в условиях повышенного износа (пыль, грязь, затрудненная смазка), например, втулок опорных и натяжных колес экскаваторов, вкладышей для дробилок, подпятников, заменителей подшипников роликов угольных конвейеров и т.п.
Определяющим критерием для оценки антифрикционного чугуна являются микроструктура и твердость, а для некоторых марок чугуна и содержание легирующих элементов.
Известно множество изобретений по составам чугунов, содержащих медь и алюминий. В наиболее раннем из них (GB, №435656, МПК C22C 37/00, 1935 г.) заявлено, что введение 0,25-3,0% меди, 0,015-0,15% алюминия и 0,05-0,5% титана приводит к повышению предела прочности при растяжении ковкого чугуна (отжиг при 690°C в течение 66 часов) с 283 до 359 МПа, а относительного удлинения - с 8 до 12%. Отмечается повышение коррозионной стойкости чугуна. Об антифрикционных свойствах и износостойкости чугуна в патенте не упоминается.
Известен способ производства высокопрочного чугуна (SU, №539948, МПК C21C 1/00, 1974 г.), согласно которому, для получения графита глобулярной формы и повышения механических свойств, в перегретый до 1520-1560°C расплав вводят алюминий при достижении суммарного содержания углерода и кремния 2,7-3,3 вес.% (при содержании кремния не более 0,3 вес.%) и модифицируют вместо магния силикокальцием (или другими графитизирующими добавками). Предел прочности на разрыв такого чугуна - до 980 МПа, твердость - 160-350 НВ. Об антифрикционных свойствах и износостойкости чугуна в изобретении не упоминается.
Известны составы именно антифрикционных чугунов (RU, №2096515, МПК C22C 37/10, 1996 г.; RU, №2147045, МПК C22C 37/10, 1999 г.; RU, №2337996, МПК C22C 37/10, 2007 г.; RU, №2352675, МПК C22C 37/00, 2007 г.; RU, №2409689, МПК C22C 37/08, 2009 г. и др.). Недостатками указанных чугунов являются сравнительно высокие, по сравнению с предлагаемым чугуном, коэффициенты трения (0,30-0,55) при больших нагрузках и худшая обрабатываемость резанием.
Известен чугун (RU, №2212467, МПК C22C 37/10, 2001 г.), содержащий, мас.%:
| Углерод | 2,89-3,80 |
| Кремний | 2,23-3,15 |
| Марганец | 0,26-0,73 |
| Медь | 0,69-2,64 |
| Алюминий | 0,02-0,18 |
| Олово | 0,04-0,10 |
| Хром | 0,01-0,08 |
| Кальций | 0,006-0,02 |
| РЗМ | 0,01-0,06 |
| Магний | 0,02-0,05 |
| Барий | 0,06-0,17 |
| Железо | Остальное |
Недостатком данного чугуна является наличие в структуре до 15% феррита, что отрицательно сказывается на износостойкости и антифрикционных свойствах чугуна.
Наиболее близким к предлагаемому по составу и свойствам является чугун (RU, №2101379, МПК C22C 37/10), содержащий, мас.%:
| Углерод | 2,98-3,72 |
| Кремний | 1,50-2,58 |
| Марганец | 0,37-1,39 |
| Медь | 1,65-3,80 |
| Алюминий | 0,06-0,30 |
| Олово | 0,005-0,06 |
| Хром | 0,08-0,46 |
| Кальций | 0,008-0,02 |
| Титан | 0,02-0,08 |
| Железо | Остальное |
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного изобретения, относится то, что наличие в чугуне:
- до 3% свободных карбидов приводит к ухудшению обрабатываемости резанием;
- до 10% феррита отрицательно влияет на износостойкость и антифрикционные свойства чугуна.
При этом коэффициент трения (сухое трение по термообработанной стали) этого чугуна (твердость 192-229 НВ) при удельной нагрузке 1.5-5,0 МПа составляет 0,35-0,66.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является разработка химического состава чугуна для деталей, работающих в паре с сопряженной деталью из термически обработанной и «сырой» (в состоянии поставки) стали при значительных интервалах удельных нагрузок и в условиях повышенного износа.
Технический результат заключается в следующем: снижен коэффициент трения путем создания в различных сечениях отливок стабильной структуры перлита с повышенным количеством равномерно распределенных медьсодержащих включений, что позволило улучшить условия механической обработки отливок и применить соответствующие детали для работы в паре с сопряженной деталью из термически обработанной и «сырой» (в состоянии поставки) стали при значительных интервалах удельных нагрузок и в условиях повышенного износа.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном составе антифрикционного чугуна, содержащем углерод, кремний, марганец, медь, алюминий, кальций, олово и железо, имеются следующие особенности: антифрикционный чугун дополнительно содержит никель, вольфрам и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 52,2-3,6 |
| Кремний | 0,1-0,5 |
| Марганец | 0,5-1,5 |
| Медь | 1,5-10,0 |
| Алюминий | 0,8-4,0 |
| Олово | 0,1-0,5 |
| Кальций | 0,002-0,05 |
| Никель | 0,5-1,5 |
| Вольфрам | 0,1-0,3 |
| Фосфор | 0,1-0,6 |
| Железо | Остальное |
Фосфор легирует феррит, способствует размельчению эвтектического зерна и образованию включений фосфидной эвтектики в структуре, стабилизирует антифрикционные свойства. Увеличение его содержания свыше 0,1% ведет к повышению жидкотекучести, твердости, предела прочности при растяжении чугуна. При повышении его концентрации более 0,6% предел прочности на растяжение падает.
В чугуне с содержанием никеля больше 3% прочность почти не изменяется при толщине стенок от 22 до 88 мм. Каждый процент никеля повышает твердость чугуна приблизительно на 10 НВ. С увеличением содержания никеля улучшается обрабатываемость чугуна, возрастает его коррозионная устойчивость. Оптимальный интервал содержания никеля в предлагаемом чугуне (учитывая высокое содержание меди) - от 0,5 до 1,5%.
Хром является наиболее сильным замедлителем процесса графитизации, образует сложные карбиды, устойчивые при высоких температурах, что приводит к увеличению времени последующей графитизирующей термообработки. Используемый в прототипе хром (0,08-0,46%) заменен на вольфрам. Присутствие хрома может вытеснить вольфрам из матрицы. Состав шихты для предлагаемого чугуна исключает возможность присутствия хрома в расплаве. Вольфрам повышает дисперсность металлической основы, упрочняет структуру. В железоуглеродистых расплавах снижение содержания вольфрама менее 0,1% не дает повышения износостойкости, а повышение более 0,3% вызывает появление карбидов вольфрама, не растворяющихся при термообработке в толстых сечениях.
Олово является сильным перлитизатором, позволяет получать перлитную структуру во всех сечениях отливок (толстых и тонких), в указанных пределах увеличивает предел прочности на изгиб. Кроме того, оно обладает антифрикционными свойствами. Содержание олова свыше 0,5% не обеспечивает требуемого технического эффекта.
Марганец способствует образованию зернистого перлита, повышает прочность чугуна. Такое влияние марганца начинает проявляться при превышении его содержания от 0,5%. При повышении содержания марганца выше 1,5% резко падают пластичность и ударная вязкость.
Кальций является эффективным модификатором, повышает дисперсность структуры металлической основы, очищает границы зерен от неметаллических включений, повышает стабильность структуры и эксплуатационных свойств. Верхний предел концентрации кальция (0,05%) обусловлен ограниченной растворимостью его в перлите. Введение кальция в количествах, меньших 0,002%, заметного эффекта не дает.
Содержание основных компонентов (углерод 2,2-3,6%, медь 1,5-10,0%, алюминий 0,8-4,0%), а также кремния (0,1-0,5%) определены экспериментально с учетом практики производства антифрикционных чугунов.
Увеличение содержания их выше верхних пределов снижает однородность структуры, стабильность механических и эксплуатационных свойств.
Углерод является основным регулятором механических свойств чугуна. Наиболее высокими значениями предела прочности на разрыв, предела текучести и относительного удлинения обладает чугун с пониженным содержанием углерода. Нижний предел содержания углерода ограничивается снижением жидкотекучести чугуна.
Кремний резко ускоряет графитизацию, является основным ферритизирующим элементом. Низкое содержание кремния обеспечивает стабилизацию перлитной структуры. С увеличением количества перлита повышаются твердость, прочность, антифрикционные свойства, но понижается пластичность. Наличие кремния в расплаве объясняется только использованием силикокальция и его присутствием в качестве примеси в шихтовых материалах.
Медь оказывает на чугун двойное действие: способствует графитизации при затвердевании и образованию перлита при эвтектоидном превращении. При увеличении содержания меди повышаются жидкотекучесть, твердость (особенно при низкой эвтектичности), прочность, устойчивость и дисперсность перлита, обрабатываемость чугуна. Углерод и кремний снижают растворимость меди в Fe-C-Si сплавах. При наименьших значениях в предлагаемом чугуне углерода (2,2%) и кремния (0,1%) количество равномерно распределенных медьсодержащих включений возросло до 10,0%. Введение меди свыше 10,0% экономически нецелесообразно.
Алюминий способствует растворению меди, повышает антифрикционные свойства чугуна, обеспечивает при низком содержании кремния (до 0,5%) мелкозернистую структуру чугуна. При увеличении содержания алюминия от 1,5 до 4,0% его графитизирующее действие снижается до нуля.
Таким образом, содержание компонентов в чугуне в указанных пределах обеспечивает необходимый уровень механических свойств чугуна, высокие антифрикционные свойства.
Плавки исследуемых чугунов проводят в открытой индукционной тигельной печи с основной футеровкой. Для плавок используют отходы углеродистой стали, стандартные ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, ферровольфрам), фосфористую медь, никель, олово, отходы электротехнической меди и алюминия, силикокальций, бой графитовых электродов. Металл нагревают до 1500-1550°C, а разливку производят при температуре 1400-1450°C в просушенные и прогретые песчано-глинистые формы. Отливки подвергают термической обработке в течение 2-3 часов при температуре 930°C.
Твердость по Бринеллю определяют по ГОСТ 9012-59 на приборе для испытания материалов на твердость ТШ-2 с нагрузкой 3000 кг.
Одноосное статическое растяжение проводят на универсальной сервогидравлической системе типа Instron 300DX по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 15 мм с расчетной длиной 80 мм. Траверса двигается со скоростью 10 мм/мин.
Испытание трением проводят на машине ИИ5018. Для изготовления образцов используют кольца с внешним диаметром 68 мм, внутренним диаметром 50 мм и высотой 9 мм, которые разрезают на 8 частей, являющихся колодкой в системе колодка - вал.
Химические составы чугунов опытных плавок и результаты испытаний приведены соответственно в таблицах 1 и 2.
Структура литых образцов представляет собой чисто перлитную металлическую основу с дисперсностью перлита до 0,3 мкм и пластинчатые прямолинейные графитовые включения размером 30-60 мкм в количестве 5-8%. Размер медьсодержащих включений составляет 10-20 мкм.
Термическая обработка привела к преобразованию пластинчатой формы перлита в глобулярную. Форма, размеры и количество графитовых включений не изменились. Средний размер медьсодержащих включений увеличился до 25 мкм. Глобулярная форма перлита способствует хорошей обрабатываемости при резании.
Из таблицы 2 видно, что после термической обработки твердость и прочность чугуна несколько снизились, а пластичность возросла. Значения коэффициента трения остались примерно на том же уровне.
Нижние значения коэффициента трения соответствуют сплаву с повышенным содержанием меди, алюминия и низким содержанием углерода (сплав 1). Верхние значения этого показателя соответствуют сплаву с низкими содержаниями меди, алюминия и высоким содержанием углерода (сплав 2). Средние значения коэффициента трения были получены при использовании сплава 3, у которого содержания меди, алюминия и углерода находятся в середине заявляемых интервалов.
Из результатов проведенных испытаний следует:
- чугун обладает более высокими антифрикционными свойствами по сравнению с прототипом, так, в сопоставимых условиях (сухое трение по термообработанной стали) значения коэффициента трения предлагаемого чугуна составляют 0,03-0,07, а прототипа - 0,35-0,66;
- наличие высоких антифрикционных свойств и способности работы предлагаемого чугуна при повышенных давлениях позволяет применять его взамен медных сплавов (бронз и латуней), работающих в узлах трения тяжелонагруженных машин и механизмов.
Все вышесказанное подтверждает достижение указанного технического результата, позволяет достичь экономического эффекта при использовании предлагаемого чугуна:
- путем использования взамен более дорогих медных сплавов;
- за счет повышения срока службы деталей;
- за счет улучшения условий механической обработки при изготовлении деталей из отливок.
Производство предлагаемого чугуна осуществляют на известном оборудовании, из известных компонентов, по доступным технологиям, что наряду с достигнутым положительным техническим результатом и экономическим эффектом позволяет сделать вывод о применении в промышленности предлагаемого антифрикционного чугуна.
| Таблица 1 | ||||||||||
| Химические составы чугунов опытных плавок | ||||||||||
| Сплав | Содержание элементов, мас.% | |||||||||
| C | Si | Mn | Cu | Al | Sn | Ca | Ni | W | P | |
| 1 | 2,2 | 0,1 | 0,5 | 10,0 | 4,0 | 0,5 | 0,05 | 1,5 | 0,1 | 0,6 |
| 2 | 3,6 | 0,5 | 1,5 | 1,5 | 0,8 | 0,1 | 0.002 | 0,5 | 0,3 | 0,1 |
| 3 | 2,9 | 0,3 | 1,0 | 5,75 | 2,4 | 0,3 | 0,026 | 1,0 | 0,2 | 0,35 |
| Таблица 2 | ||||||||
| Результаты испытаний | ||||||||
| Марка сплава | Твердость по Бринеллю НВ, кгс/мм2 | Предел прочности σВ, МПа | Относител. удлинение δВ, % | Коэффициент трения | Давление ρ, МПа | Скорость скольжения ν, м/с | ρ·ν, МПа·м/с | |
| со смазкой | без смазки | |||||||
| Бронза БрА9ЖЗЛ | 100-120 | 392 | 10 | 0,054 | 0,18 | 1,0 | 3,0 | 3,0 |
| 3,0 | 2,0 | 6,0 | ||||||
| Бронза БрО5Ц5С5 | 60 | 150 | 6 | 0,009 | 0,15 | 0,5 | 10,0 | 5,0 |
| 1,0 | 2,0 | 2,0 | ||||||
| Бронза БрА10Ж4Н4Л | 160 | 587 | 5 | 0,12 | 0,23 | 5,0 | 2,0 | 10,0 |
| 10,0 | 0,5 | 5,0 | ||||||
| Бронза БрО10Ф1 | 80-100 | 215-300 | 3 | 0,008 | 0,1 | 2,0 | 20,0 | 40,0 |
| 5,0 | 2,0 | 10,0 | ||||||
| Чугун АЧС-1 | 180-241 | 196-392 | 0,2-0,4 | 0,04-0,1 | 0,12-0,8 | 5,0 | 5,0 | 12,0 |
| 14,0 | 0,3 | 2,5 | ||||||
| Чугун АЧВ-1 | 210-260 | 490-784 | 1-3 | 0,04-0,1 | 0,12-0,5 | 1,5 | 10,0 | 12,0 |
| 20,0 | 1,0 | 20,0 | ||||||
| Чугун АЧВ-2 | 167-197 | 392-490 | 5-10 | 0,04-0,08 | 0,12-0,4 | 1,0 | 5,0 | 3,0 |
| 12,0 | 1,0 | 12,0 | ||||||
| Предлагаемый чугун до термообработки | 220-270 | 588-882 | 3-5 | 0,01-0,08 | 0,04-0,07 | 20,0 | 2,0 | 40,0 |
| 40,0 | 1,0 | 40,0 | ||||||
| Предлагаемый чугун после термообработки | 140-180 | 490-784 | 5-10 | 0,01-0,06 | 0,03-0,07 | 10,0 | 5,0 | 50,0 |
| 1,0 | 30,0 | |||||||
| 30,0 |
Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, алюминий, кальций, олово и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит никель, вольфрам и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Углерод | 52,2-3,6 |
| Кремний | 0,1-0,5 |
| Марганец | 0,5-1,5 |
| Медь | 1,5-10,0 |
| Алюминий | 0,8-4,0 |
| Олово | 0,1-0,5 |
| Кальций | 0,002-0,05 |
| Никель | 0,5-1,5 |
| Вольфрам | 0,1-0,3 |
| Фосфор | 0,1-0, |
| Железо | Остальное |
