антифрикционный чугун

Формула изобретения

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

Описание изобретения к патенту

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 _в 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 _в 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 в, МПа	Относительное удлинение , %	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.