ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
HIGH-DUTY BEARING CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным чугунам для антифрикционных отливок, получаемых при модифицировании их магнием и церием и используемых в литом состоянии для ответственных деталей двигателей Евро-3, Евро-4, работающих в условиях трения, износа, повышенных механических и термоциклических нагрузок.
Известный высокопрочный антифрикционный чугун АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85) имеет в отливках типа блоки и головки блоков цилиндров двигателей перлитно-ферритную структуру и недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ), предела выносливости (150-170 МПа), трещиностойкости и износостойкости, что снижает стойкость и надежность работы цилиндров в условиях термоциклических нагрузок и трения. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения имеет низкие значения (3…12 МПа·м/с).
Известен также антифрикционный магний-цериевый чугун с вермикулярным графитом типа ЧВГ-45, рекомендованный в ГОСТ 28394-89 для аналогичных отливок. Твердость чугуна в отливках составляет 190…250 НВ, а относительное удлинение не превышает 0,8…1,5%. Предельный режим эксплуатации его в условиях трения низкое и не превышает 12…15 МПа·м/с.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный антифрикционный чугун для износостойких литых деталей (А.с. СССР 1097702, С22С 37/00, 1984) следующего химического состава, мас.%:
Углерод
2,7-3,8
Кремний
2,2-3,5
Марганец
0,5-1,2
Медь
0,3-1,5
Магний
0,03-0,08
Церий
0,005-0,1
Железо
Остальное
2
Предел текучести известного чугуна 235 245 МПа, ударная вязкость 16-20 Дж/см и предельный режим работы при трении не превышает 15-18 МПа·м/с. Отличаются также высокая скорость износа при сухом трении и повышенная склонность известного антифрикционного чугуна к трещинообразованию (количество трещин в стандартной технологической пробе составляет от 5 до 8).
Существенным недостатком его являются низкие упругопластические свойства и стойкость в условиях ударных нагрузок при изготовлении деталей новых модернизированных двигателей.
Задачей данного технического решения является снижение склонности к трещинам и повышение антифрикционных и упругопластических свойств чугуна в отливках.
Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, магний, церий и железо, дополнительно содержит олово, никель, хром, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,2-3,5
Кремний
1,8-2,2
Марганец
0,4-0,8
Медь
0,15-0,7
Олово
0,03-0,10
Никель
0,02-0,25
Хром
0,02-0,06
Магний
0,03-0,05
Церий
0,01-0,02
Фосфор
0,02-0,10
Кальций
0,002-0,01
Железо
Остальное
Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - олова, никеля, хрома, фосфора и и дополнительное модифицирование его кальцием, что существенно повышает предел текучести, трещиностойкость, износостойкость и упругопластические свойства. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные отличия являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение олова обусловлено тем, что оно является эффективной микролегирующей и перлитизирующей добавкой, повышающей плотность и трещиностойкость чугуна в отливках с однородной перлитной металлической основой, что обеспечивает увеличение предела текучести, антифрикционные и упругопластические свойства чугуна. При содержании олова до 0,03% износостойкость, трещиностойкость, предел текучести и антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении его концентрации более 0,10% увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики упругопластических свойств и предела текучести.
Никель, медь, хром и марганец являются основными легирующими компонентами высокопрочных антифрикционных чугунов, обеспечивающими высокие характеристики предела прочности и износостойкости, но оказывающими неоднозначное влияние на склонность чугуна к отбелу и другим дефектам, а также на предел текучести, упругопластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства.
Содержание никеля и хрома в чугуне составляет соответственно 0,02-0,25% и 0,02-0,06%, т.к. при концентрации их выше верхних пределов увеличиваются содержание карбидов и цементита в структуре, снижаются однородность структуры, упругопластические, антифрикционные и эксплуатационные свойства. При уменьшении их содержания ниже 0,02% каждого снижается изностойкость и имеются недостаточные характеристики предела текучести, трещиностойкости, твердости и эксплуатационных свойств.
Содержание меди в чугуне ограничено концентрацией 0,7%, т.к. при более высоком ее содержании снижаются характеристики предела текучести, ударной вязкости и износостойкости.
Фосфор является перлитизирующим элементом и при содержании в чугуне от 0,02 до 0,1% повышает технологические свойства, дисперсность структуры в отливках, износостойкость, трещиностойкость, предел текучести и стабильность антифрикционных свойств. При содержании его менее 0,02% микролегирующий эффект недостаточен и технологические свойства, дисперсность структуры, трещиностойкость и износостойкость низкие. При содержании более 0,10% снижаются характеристики однородности структуры, упругопластических свойств, предела текучести и повышаются коэффициент трения, склонность чугуна к трещинам и другим дефектам.
Дополнительное введение 0,002-0,01% кальция обусловлено его химической модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры, который очищает границы зерен, существенно повышает трещиностойкость, антифрикционные и упругопластические свойства. При концентрации кальция менее 0,002% модифицирующий эффект, упругопластические и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,01% увеличивается его угар, снижаются однородность структуры, износостойкость и предел текучести чугуна.
Снижение концентрации марганца до 0,4-0,8% обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышение технологических, механических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,8% увеличиваются остаточные напряжения и снижается предел коррозионной усталости, а при снижении концентрации марганца менее 0,4% повышается содержание в структуре феррита и снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна.
Снижение концентрации кремния до 1,8-2,2% и ограничение концентрации углерода в пределах от 3,2 до 3,5% принято с целью снижения склонности отливок к трещинам, отбелу и повышения износостойкости, механических, антифрикционных свойств в условиях трения и знакопеременных нагрузок. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 3,5 и 2.2% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, предела текучести, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,2 и 1,8% повышаются остаточные термические напряжения в отливках, склонность чугуна к трещинам и газоусадочным дефектам, что снижает предел текучести, ударную вязкость, удароустойчивость и упругопластические свойства.
Содержание магния (0,03-0,05%) и церия (0,01-0,02%), являющихся основными сфероидизирующими графитомодифицирующими добавками, соответствует общепринятым нормам их концентрации при производстве высокопрочных антифрикционных чугунов и принято без изменения.
Опытные плавки чугунов производят в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 (ГОСТ 4832-75), передельного чугуна марки ПЛ11Б2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А (ГОСТ 2787-75), чугунного лома марки 17А (ГОСТ 2787-75), катодной меди, олова, ферромарганца, феррофосфора, силикокальция и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна - 1480-1500°С. Микролегирование ферромарганцем марки ФМн78-2 (ГОСТ 4755-91), оловом марки 01пч (ГОСТ 860-75) и катодной медью марки М 1к (ТУ 859-2001) производят после рафинирования расплава в печи. Модифицирование чугуна при изготовлении образцов, технологических проб и мелких отливок производят в ковше с использованием металлотермических пакетов с комплексными модификаторами, содержащими магний, кальций и церий. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы.
При изготовлении массивных отливок в производственных условиях процесс модифицирования чугуна производят в две стадии: сначала - в ковше при температуре 1450-1480°С с использованием сфероидизирующих комплексных лигатур, а затем в литейных формах с использованием модификатора МКМг19 (ТУ 0826-003-47647304-2001) и графитизирующих добавок. Определение механических свойств проводят по ГОСТ 1497-84 с диаметром 14 мм и расчетной длиной 70 мм. Ударную вязкость определяют на образцах 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм. В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, в табл.2 - их механические и эксплуатационные свойства.
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов, мас.%, (железо - остальное), в чугуне состава
1 (Извест.)
2
3
4
5
6
Углерод
3,8
2,5
3,2
3,3
3,5
3,8
Кремний
3,0
1,7
1,8
2,1
2,2
2,5
Марганец
1,2
0,3
0,4
0,5
0,8
1,0
Никель
-
0,01
0,02
0,11
0,25
0,38
Хром
-
0,01
0,02
0,05
0,06
0,14
Медь
1,4
1,3
0,15
0,45
0,7
2,7
Магний
0,05
0,05
0,01
0,03
0,05
0,07
Церий
0,02
0,005
0,01
0,016
0,02
0,04
Олово
-
0,01
0,03
0,06
0,10
0,14
Фосфор
-
0,02
0,02
0,05
0,10
0,14
Кальций
-
0,001
0,002
0,006
0,01
0,02
Таблица 2
Свойства чугунов
Показатели для составов чугуна
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Предел текучести, МПа
240
257
265
290
282
275
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
19
35
41
56
53
39
Скорость износа при сухом трении, мкм/км
0,40
0,38
0,30
0,24
0,22
0,35
Твердость, НВ
290
267
229
241
235
300
Предельный режим работы при трении, МПа.м/с
17
24
31
35
40
9R
Коэффициент трения
0,48
0,44
0,35
0,32
0,4
0,45
Склонность к трещинообразованию (количество трещин в технологической пробе)
6,6
3,7
3,0
2,8
3,2
4,2