СЕРЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
GREY BEARING CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым конструкционным чугунам для литых антифрикционных изделий с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами, используемых для гильз двигателей и в механизмах трения.
Известен высокофосфористый антифрикционный чугун (Патент Японии №55-5575, C22C 37/06, 1980), содержащий, мас.%:
Углерод
2,8-3,2
Кремний
1,2-1,7
Марганец
до 1,0
Фосфор
0,2-0,6
Хром
0,2-0,6
Сера
до 0,1
Железо
Остальное
Литые изделия из этого чугуна склонны к трещинам, имеют крупнозернистую структуру с высоким содержанием фосфидной эвтектики и повышенные остаточные термические напряжения и требуют дополнительной термообработки.
Известен также серый антифрикционный чугун (Патент Японии №57-32352, C22C 37/08, 1982 г.) следующего химического состава, мас.%:
Углерод
2,4-3,5
Кремний
1,4-2,5
Марганец
0,5-1,5
Хром
1,0-1,7
Никель
0,2-0,7
Железо
Остальное
Известный чугун имеет в литых заготовках высокие (более 30 МПа) остаточные напряжения и отбел, повышенную концентрацию в структуре карбидов хрома, что вызывает необходимость их длительной термической обработки для повышения антифрикционных, упруго-пластических и эксплуатационных свойств. Низкие характеристики удароустойчивости не обеспечивают антифрикционным изделиям высоких эксплуатационных свойств.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является серый антифрикционных чугун АЧС-3 по ГОСТ 1585-85 (прототип) следующего химического состава, мас.%:
Углерод
3,2-3,8
Кремний
1,7-2,6
Марганец
0,3-0,7
Фосфор
0,15-0,40
Сера
до 0,12
Хром
до 0,3
Никель
до 0,3
Медь
0,2-0,5
Титан
0,03-0,1
Железо
Остальное
Этот чугун обеспечивает в структуре отливок перлитную металлическую основу с недостаточной твердостью (160…190 НВ). Предел прочности чугуна при изгибе составляет 330…370 МПа.
Величина остаточных термических напряжений в отливках - 25…28 МПа. Отмечаются недостаточные характеристики трещиностойкости, механических и антифрикционных свойств. Предельный режим работы при трении очень низкий и не превышает 5 МПа·м/с.
Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости, механических и антифрикционных свойств чугуна в литых изделиях.
Поставленная задача решается тем, что серый антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, медь, титан и железо, дополнительно содержит алюминий, барий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,0-3,4
Кремний
2,0-2,4
Марганец
0,6-0,8
Фосфор
0,1-0,2
Сера
0,02-0,12
Хром
0,4-0,6
Никель
0,2-0,5
Медь
0,4-0,8
Алюминий
0,03-0,7
Барий
0,008-0,025
Азот
0,002-0,012
Титан
0,03-0,08
Железо
Остальное
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 алюминия в чугун оказывает модифицирующее и раскисляющее влияние, повышает дисперсность структуры, механические и эксплуатационные свойства. При увеличении содержания алюминия более 0,7% увеличивается угар, неоднородность структуры и снижаются антифрикционные свойства и удароустойчивость. При концентрации алюминия менее 0,03% модифицирующий эффект, антифрикционные и механические свойства недостаточны.
Дополнительное введение бария обусловлено его высокой химической активностью, способность повысить дисперсность структуры и антифрикционные свойства чугуна. При содержании бария до 0,008% дисперсность структуры, антифрикционные и механические свойства недостаточны. При увеличении концентрации бария более 0,025% повышается его угар, снижаются трещиностойкость и упруго-пластические свойства чугуна.
Введение азота в количестве 0,002-0,012% обусловлено связыванием части нитридообразующих элементов (алюминия, титана, хрома, марганца и кремния) в нитриды и карбонитриды, что способствует измельчению структуры и повышению предельного режима работы при трении, снижению остаточных термических напряжений и повышению механических свойств. При концентрации азота до 0,002% механические и антифрикционные свойства недостаточны. При увеличении концентрации азота более 0,012% в структуре чугуна нитриды начинают располагаться по границам зерен, что снижает трещиностойкость и упруго-пластические свойства чугуна.
Сера при концентрации более 0,12% снижает механические, антифрикционные и эксплуатационные свойств чугуна в литых изделиях. Нижний предел концентрации серы обусловлен невозможностью при плавке в существующих чугунолитейных цехах, производящих антифрикционные литые изделия, практически выплавлять чугун с более низким их содержанием.
Повышение концентрации марганца до 0,6…0,8% обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышением механических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,8% увеличиваются остаточные напряжения и отбел и снижается стабильность коэффициента трения, а при снижении концентрации марганца менее 0,6% повышается содержание в структуре феррита, и снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна.
Введение никеля обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей добавкой, повышающей однородность и дисперсность структуры, упруго-пластические и антифрикционные свойства и снижающей термические напряжения в отливках. Верхний предел концентрации никеля (0,5%) обусловлен снижением ударной вязкости при более высоких его концентрациях. При уменьшении концентрации никеля менее 0,2% укрупняется структура, снижаются механические и антифрикционные свойства.
Титан введен как микролегируюшая и графитизирующая добавка, снижающая термические напряжения в отливках. При его содержании менее 0,03% микролегируюший эффект недостаточен, а при содержании более 0,08% снижаются относительное удлинение и ударная вязкость.
Медь - микролегирующая и графитизирующая добавка, существенно повышающая антифрикционные и упруго-пластические свойства. При концентрации меди менее 0,4% ее микролегирующий эффект и износостойкость чугуна низкие, а при увеличении содержания меди более 0,8% увеличивается угар, снижаются однородность структуры и упруго-пластические свойства.
Повышение содержания хрома в чугуне до 0,4-0,6% обусловлено существенным влиянием его на измельчение дисперсности структуры, стабилизацию коэффициента трения, повышение твердости и износостойкости. При увеличении содержания хрома более 0,6% увеличивается неоднородность структуры с образованием в ней карбидов и снижаются характеристики предела прочности при изгибе и удароустойчивости. При концентрации хрома менее 0,4% дисперсность структуры, твердость и эксплуатационные свойства недостаточны.
Содержание углерода и кремния принято исходя из опыта производства антифрикционных чугунов для отливок с низкими остаточными термическими напряжениями, мелкозернистой перлитной структурой и высокими характеристиками износостойкости в условиях трения и ударно-усталостной долговечности. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,4 и 2,4% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, ударно-усталостной долговечности, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,0 и 2,0% повышаются остаточные термические напряжения и содержание ледебурита в структуре, снижаются ударная вязкость и удароустойчивость.
Уменьшение содержания фосфора в чугуне до 0,1…0,2% обусловлено существенным его влиянием на повышение коэффициента трения, твердости и износостойкости чугуна.
При содержании фосфора до 0,1% износостойкость, прочностные и антифрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 0,2% снижаются характеристики удароустойчивости, ударной вязкости и ударно-усталостной долговечности.
Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, чугунного и стального лома, силикобария, феррохрома ФХ800, ферромарганца ФМн78Н и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна не ниже 1400-1430°C. Микролегирование никелем и медью производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование алюминием, ферротитаном и силикобарием - в ковше с использованием экзотермических присадок. Заливку чугуна производили в песчано-глинистые формы. Остаточные термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Для определения свойств чугуна заливали решетчатые, звездообразные пробы на трещиностойкость и ступенчатые технологические пробы. Механические испытания /по ГОСТ 27208-87/ проведены на стандартных образцах, а определение склонности к трещинообразованию проведены на звездообразных технологических пробах. Определение твердости проведено по ГОСТ 24805-87. В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в табл.2 - механические свойства.
Как видно из таблицы 2, предложенный чугун обладает более высокими механическими и антифрикционными свойствами, чем известный.
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов в чугунах, мас.%
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
3,61
2,7
3,0
3,2
3,4
3,7
Кремний
2,40
1,5
2,0
1,9
2,4
2,6
Марганец
0,62
0,25
0,6
0,73
0,8
1,0
Фосфор
0,30
0,05
0,1
0,14
0,2
0,4
Сера
0,11
0,01
0,02
0,08
0,12
0,14
Хром
0,10
0,37
0,4
0,29
0,60
0,64
Никель
0,11
0,18
0,20
0,28
0,50
0,53
Медь
0,45
0,22
0,40
0,75
0,8
0,91
Алюминий
-
0,01
0,03
0,32
0,7
0,85
Азот
-
0,001
0,002
0,01
0,012
0,03
Титан
0,08
0,01
0,03
0,06
0,08
0,11
Барий
-
0,006
0,008
0,015
0,025
0,03
Железо
Остальное
Ост.
Ост.
Ост.
Ост.
Ост.
Таблица 2
Свойства антифрикционных чугунов
Показатели для составов чугуна
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Предел прочности при изгибе, МПа
365
376
415
432
416
392
Величина остаточных термических напряжений, МПа
27
28
22
21
26
29
Скорость износа при сухом трении, мг/см<sup>2</sup>·гс
0,13
0,06
0,05
0,08
0,06
0,10
Твердость, НВ
190
258
248
246
238
230
Предельный режим работы при трении, МПа·м/с
5,0
8,6
24
35
29
20
Коэффициент трения
0,47
0,42
0,36
0,33
0,38
0,45
Склонность к трещинообразованию (количество трещин в технологической пробе)
5,4
3,6
3,1
2,6
2,8
3,5