ЧУГУН
CAST IRON

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к легированным чугунам для подшипников скольжения.
Известен чугун марки АЧС 2 (ГОСТ 1585-85), содержащий, мас.%:
Углерод
3,2-3,8
Кремний
1,4-2,2
Марганец
0,4-0,7
Хром
0,2-0,4
Никель
0,2-0,4
Титан
0,03-0,1
Медь
0,3-0,5
Железо
остальное
Недостатком известного чугуна является недостаточная износостойкость при повышенных давлениях.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун [а.с. СССР №552368, С22С 37/00, 30.03.77. Бюл. №12], содержащий, мас.%:
Углерод
3,5-4,0
Кремний
2,5-3,5
Марганец
8,0-12,0
Олово
0,5-1,0
Медь
0,2-0,7
Железо
остальное
Недостатком прототипа является сравнительно невысокая износостойкость в условиях трения со смазкой, содержащей абразив.
Изобретение решает задачу повышения износостойкости чугуна при трении и снижения износа сопряженной детали. Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, олово и железо, согласно изобретению дополнительно содержит титан, алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,7-4,2
Кремний
3,0-3,6
Марганец
8,5-10,5
Олово
0,3-0,8
Медь
0,25-1,0
Алюминий
0,4-1,2
Титан
0,1-0,65
Кальций
0,005-0,02
Железо
остальное
Повышение износостойкости в условиях трения со смазкой, содержащей абразив, достигается в результате создания гетерогенной структуры, образованной метастабильной аустенитной металлической матрицей и равномерно распределенными в ней твердыми карбидами. Под воздействием рабочих нагрузок происходит переход метастабильного аустенита в более износостойкий мартенсит. Карбиды, обладающие высокой износостойкостью, изолированно друг от друга, равномерно располагаясь в пластичном аустените, образуют своеобразные опорные поверхности, предотвращающие заедание пары трения и интенсивное изнашивание металлической основы.
Содержание компонентов в чугуне в указанных пределах обеспечивает необходимый уровень механических свойств чугуна и высокую износостойкость.
При содержании углерода менее 3,7% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы и полного отсутствия свободного графита; при содержании углерода, превышающем 4,2%, в структуре образуется значительное количество свободного графита, что обусловливает снижение прочности и износостойкости чугуна.
Кремний в указанных пределах способствует выделению необходимого количества графита и улучшению механических и технологических свойств чугуна. Содержание кремния более 3,6% приводит к образованию избыточного графита, что снижает износостойкость чугуна.
Марганец значительно понижает эвтектоидное превращение железоуглеродистых сплавов и способствует аустенизации чугунов. При содержании марганца менее 8,0% в структуре металлической основы преобладает мартенсит. При концентрации марганца 8,5-10,5% структура состоит преимущественно из аустенита и карбидов.
Олово в указанных пределах проявляет легкий графитизирующий характер, одновременно увеличивает предел прочности на изгиб. Содержание олова свыше 0,8% не обеспечивает требуемого технического эффекта.
Медь способствует аустенизации и повышает жидкотекучесть чугуна, выравнивает твердость чугуна и одновременно немного ее повышает. Она способствует снижению спада твердости (износостойкости) по глубине рабочего слоя. Такое влияние меди проявляется при повышении ее содержания от 0,25%.
Титан в используемых количествах является модификатором. Его модифицирующее действие начинает проявляться при содержании 0,1%. При содержании титана больше 0,65% наблюдается ухудшение формы и увеличение размеров графитовых включений, что приводит к снижению прочностных свойств чугуна.
Введение в состав чугуна алюминия способствует измельчению зерна при кристаллизации и в сочетании с выбранной концентрацией марганца формированию аустенитной металлической основы. При содержании в чугуне менее 0,4% этот эффект проявляется недостаточно, а при содержании более 1,2% возникает опасность снижения прочностных характеристик чугуна и, как следствие, снижение износостойкости.
Кальций вводится для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен, улучшения механических и литейных свойств. Введение кальция в количествах, меньших 0,005%, заметного эффекта не дает, а добавка его более 0,02% вызывает удорожание чугуна, без заметного роста свойств.
Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.
Таким образом, заявляемая совокупность и концентрации легирующих элементов позволяют повысить износостойкость чугуна при трении со смазкой, содержащей абразив, снизить износ контртела и обеспечить спад твердости по глубине рабочего слоя.
Плавку исследуемых чугунов проводят в индукционных печах с основной футеровкой тигля. В качестве шихтовых материалов используют литейный и передельный чугуны, ферросплавы, титана, марганца, отходы электротехнической меди и алюминия, силикокальций, бой электродов. Металл нагревают до 1420-1450°С, а разливка производится при температуре 1380-1400°С в просушенные и прогретые песчано-глиняные формы.
В таблице представлены результаты механических свойств чугуна. При испытаниях на износостойкость в качестве эталона была принята бронза Бр O5Ц5С5. Относительная износостойкость определялась как соотношение абсолютного износа образца из эталонного материала (Бр O5Ц5С5) и абсолютного износа экспериментального чугуна и его прототипа. Относительная износостойкость Бр O5Ц5С5 была принята за ε=1.
Эффективность заявляемого технического решения заключается в экономии металла и снижения эксплуатационных затрат за счет увеличения долговечности деталей, изготовленных их предложенного чугуна.
Таблица
№ плавки
Содержание элементов<sup>*</sup>, мас.%:
Твердость, НВ
Предел прочности на изгиб, МПа
Относительная износостойкость, ε
С
Si
Mn
Sn
Cu
Al
Ti
Ca
1
3,7
3,0
8,5
0,3
0,25
0,4
0,1
0,005
230
310-330
3,8
2 (оптим.)
4,0
3,3
9,5
0,6
0,65
0,8
0,4
0,012
245
350-360
4,5
3
4,2
3,6
10,5
0,8
1,0
1,2
0,65
0,02
240
340-350
4,2
По составу прототипа
3,7
3,0
10
0,75
0,5
-
-
-
230
330-350
3,1
<sup>*</sup>Примечание. Остальное железо и примеси.