ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
HIGH-STRENGTH ANTIFRICTION IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным антифрикционным чугунам для ответственных деталей двигателей с повышенными характеристиками износостойкости и трещиностойкости.
Известен высокопрочный антифрикционный чугун марки АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85), обеспечивающий получение в отливках перлитно-ферритной структуры с повышенными характеристиками технологических и упругопластических свойств. Однако в условиях трения этот чугун имеет недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ), износостойкости и эксплуатационных свойств.
Известен также антифрикционный магний-цериевый чугун марки ЧВГ-45 (ГОСТ 26394-89), используемый для изготовления литых деталей двигателей. Твердость чугуна 190-250 НВ, а предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения не превышает 12-15 МПа·м/с. Литые детали из этого чугуна обладают недостаточными характеристиками ударной вязкости и износостойкости.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный антифрикционный чугун (Патент RU 2352675, МПК C22C 37/00, 2009, прототип) следующего химического состава, мас. %:
Углерод
3,2-3,5
Кремний
1,8-2,2
Марганец
0,4-0,8
Медь
0,15-0,7
Никель
0,02-0,25
Хром
0,02-0,06
Магний
0,03-0,05
Церий
0,01-0,02
Олово
0,03-0,10
Фосфор
0,02-0,10
Кальций
0,002-0,01
Железо
Остальное.
Известный чугун обладает следующими механическими и эксплуатационными свойствами:
Предел текучести, МПа
265-290
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
41-56
Скорость износа при сухом трении, мкм/км
0,22-0,30
Твердость, НВ
229-241
Коэффициент трения
0,32-0,40
Предельный режим работы при трении, МПа·м/с
31-40
Склонность к трещинообразованию,
количество трещин в технологической пробе
2,8-3,2
Недостатками известного чугуна являются низкие характеристики твердости и износостойкости и высокая склонность к трещинообразованию.
Задачей данного технического решения является снижение склонности к трещинообразованию и повышение износостойкости.
Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, никель, хром, магний, церий, олово, фосфор, кальций и железо, дополнительно содержит ванадий и барий 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
Никель
0,12-0,5
Хром
0,08-0,4
Магний
0,03-0,05
Церий
0,01-0,03
Олово
0,01-0,02
Фосфор
0,02-0,04
Кальций
0,002-0,01
Ванадий
0,05-0,35
Барий
0,03-0,05
Железо
Остальное
Дополнительное введение ванадия обусловлено тем, что он является эффективным микролегирующим компонентом, повышающим дисперсность и твердость металлической основы чугуна в отливках и снижающим коэффициент трения и скорость изнашивания чугуна в условиях интенсивного трения. При содержании ванадия до 0,05% твердость и износостойкость чугуна недостаточны. При повышении концентрации ванадия более 0,35% снижаются трещиностойкость и ударная вязкость чугуна.
Дополнительное введение 0,03-0,05% бария обусловлено его высокой модифицирующей способностью, улучшающей степень сфероидизации графита, трещиностойкость и антифрикционные свойства чугуна.
При содержании бария менее 0,03% эти свойства недостаточны, а при содержании его более 0,05% повышаются угар и износ.
Хром в количестве 0,08-0,4% повышает твердость, износостойкость и эксплуатационные свойства чугуна. При концентрации хрома до 0,08% характеристики твердости и износостойкости недостаточны. При повышении содержания хрома более 0,4% увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики трещиностойкости, ударной вязкости и антифрикционных свойств.
Марганец (0,4-0,8%), медь (0,15-0,7%) и никель (0,12-0,5%) являются основными легирующими элементами, упрочняющими металлическую основу и повышающими твердость, износостойкость и эксплуатационные свойства чугуна. При концентрации их менее нижних пределов характеристики твердости, износостойкости и эксплуатационных свойств недостаточны. При увеличении их содержания выше верхних пределов снижаются характеристики упругопластических свойств, трещиностойкости и удароустойчивости.
Магний в количестве 0,03-0,05% и церий в количестве 0,01-0,03% обеспечивают высокую степень сфероидизации графита и повышение механических и эксплуатационных свойств чугуна. При снижении содержания магния и церия соответственно меньше 0,03% и 0,01% прочностные свойства, износостойкость и степень сфероидизации графита в структуре недостаточны. При увеличении их содержания более верхних пределов повышается их угар и снижаются характеристики трещиностойкости, ударной вязкости и удароустойчивости.
Содержание основных графитизирующих элементов (углерода 3,2-3,5%, кремния 1,8-2,2% и кальция 0,002-0,01%) принято на основании практики производства отливок из высокопрочных чугунов и ограничено содержаниями, выше которых снижаются характеристики твердости, износостойкости и трещиностойкости.
Олово (0,01-0,02%) и фосфор (0,02-0,04%) отбеливают структуру чугуна в отливках, повышают твердость и износостойкость. При увеличении содержания олова более 0,02% и фосфора более 0,04% снижаются однородность структуры, трещиностойкость и ударная вязкость чугуна. При их концентрации менее нижних пределов отмечается недостаточная износостойкость.
а
Опытные плавки чугуна производят в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2, передельного чугуна ПЛ11Б2, стального лома марок 1А и 2А, чугунного лома марки 17А, ферромарганца марки ФМн78, меди марки M1, ферроникеля марки ФН3, доменного ферромарганца марки ФФ16, силикокальция марки СК30 и силикобария марки СБ15, феррованадия марки ФВd2, олова марки О1пч, никель-магний-цериевой лигатуры, доменного ферросилиция и других ферросплавов.
Температура выплавляемого чугуна составляет 1480-1500°C.
Процесс легирования чугуна ферроникелем, ферромарганцем, медью и феррованадием производят в печи после рафинирования металла. Сфероидизирующее модифицирование чугуна комплексной лигатурой производят при выпуске расплава из печи в раздаточных ковшах, а графитизирующее модифицирование - в разливочных ковшах с использованием силикобария, силикокальция и ферросилиция.
Заливку модифицированного чугуна производят в литейные песчано-глинистые формы для получения антифрикционных деталей двигателей, технологических проб и образцов для механических испытаний. Механические испытания проводят в соответствии с ГОСТ 27208-87.
В таблице 1 приведены химические составы известного и предложенного чугунов опытных плавок, а в таблице 2 - их механические и эксплуатационные свойства.
Динамическую прочность определяли на образцах с размерами 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм. Для определения трещиностойкости использовали звездообразные пробы диаметром 250 мм и высотой 140 мм.
Износостойкость чугуна и предельный режим работы при трении определяли по стандартным методикам при испытании в условиях сухого трения.
Как видно из таблицы 2, предложенный высокопрочный чугун обладает более высокими характеристиками твердости, износостойкости при сухом трении и трещиностойкости, чем известный.