АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
ANTIFRICTION VAST IRON

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/мм<sup>2</sup>
Предел прочности σ<sub>В</sub>, МПа
Относител. удлинение δ<sub>В</sub>, %
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