ЧУГУН
CAST IRON

Изобретение относится к металлургии, в частности к износостойким чугунам, работающим в условиях трения скольжения в контакте с закаленной сталью.
Известен износостойкий чугун [Патент №2011693 МПК C22C 37/10, 10.02.1992 г. (опубликован 30.07.1994)], содержащий, мас.%:
углерод (C) - 3,2-4,0
кремний (Si) - 1,2-2,0
марганец (Mn) - 8,2-12,0
хром (Cr) - 3,0-6,0
алюминий (Al) - 0,4-1,2
кальций (Ca) - 0,01-0,05
церий (Ce) - 0,01-0,04
барий (Ba) - 0,005-0,015
железо (Fe) - остальное.
Недостатком известного чугуна является неудовлетворительная обрабатываемость резанием в литом состоянии за счет выделения избыточных дисперсных карбидов при силовом воздействии на сплав.
Известен износостойкий чугун [Патент №2384641 МПК C22C 37/04; C22C 37/08, 20.03.2009 г. (опубликован 20.03.2010)], содержащий, мас.%.
углерод (C) - 2,2-3,2
кремний (Si) - 0,5-3,0
марганец (Mn) - 0,2-3,0
хром (Cr) - 3,0-6,4
никель (Ni) - 2,0-4,0
бор (B) - 0,2-0,4
ванадий (V) - 0,2-0,8
медь (Cu) - 0,2-0,8
алюминий (Al) - 0,1-0,4
церий (Ce) - 0,03-0,20
магний (Mg) - 0,02-0,1
кальций (Ca) - 0,05-0,2
железо (Fe) - остальное.
Несмотря на высокую прочность и удароустойчивость при работе в условиях ударно-абразивного износа чугун имеет неудовлетворительную обрабатываемость резанием в литом состоянии и не имеет необходимой стойкости при трении деталей в зоне контакта "чугун-сталь".
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявленному изобретению является чугун [Патент №2191214 МПК C22C 37/10 от 09.01.2002 г. (опубликован 20.10.2002)] следующего химического состава (мас.%):
углерод (C) - 3,2-3,7
марганец (Mn) - 7,5-9,5
медь (Cu) - 0,4-1,1
сера (S) - 0,02-0,2
кальций (Ca) - 0,02-0,1
никель (Ni) - 0,2-0,8
молибден (Mo) - 0,1-0,5
бор (B) - 0,01-0,04
железо (Fe) - остальное.
Причем отношения суммы карбидообразующих элементов (марганца, хрома, молибдена и бора) к сумме графитизирующих элементов (углерода, кремния, никеля и меди) должно находиться в пределах 1,23-1,27; а отношение содержания серы к содержанию кальция находится в пределах 1-2. Чугун обладает высокой износостойкостью при трении скольжения со смазкой и обладает хорошими антифрикционными свойствами и обрабатываемости резанием при точении на токарных операциях.
Существенным недостатком известного чугуна является низкая сопротивляемость к трещинообразованию при обработке резанием (шлифовании) и недостаточная задиростойкость в условиях трения скольжения с закаленной цементованной стальной поверхностью.
Изобретение направлено на повышение сопротивляемости к трещинообразованию и задиростойкости сопрягаемых поверхностей деталей, работающих в условиях трения скольжения между чугуном и закаленной цементованной сталью, и обеспечение удовлетворительной обрабатываемости резанием.
Поставленная задача достигается тем, что чугун, содержащий углерод, марганец, медь, серу, кальций, никель, молибден, бор и железо, дополнительно содержит алюминий, кремний, барий и ванадий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
углерод
3,1-3,4
сера
0,08-0,15
марганец
0,5-0,65
кальций
0,01-0,10
никель
0,4-0,75
бор
0,05-0,20
молибден
0,4-0,60
алюминий
9,8-19,7
медь
1,0-1,70
кремний
0,3-0,6
барий
0,03-0,10
ванадий
0,2-0,6
железо
остальное.
При этом отношение содержания алюминия к содержанию углерода находится в пределах 3,2-5,8, а содержание тугоплавких карбидообразующих элементов (молибден, ванадий и бор) в сумме 0,6-1,4% мас.
Углерод. При содержании углерода менее 3,1% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы. При содержании углерода более 3,4% износостойкость и вязкость также уменьшаются в результате формирования структуры с крупными избыточными карбидами.
Кремний. При его содержании менее 0,3% снижается жидкотекучесть сплава, а увеличение его концентрации более 0,6% вызывает опасность частичной графитизации, что уменьшает износоустойчивость чугуна.
Кальций вводится для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен и улучшения механических свойств чугуна. Введение кальция в количествах менее 0,01% практически не улучшает качество чугуна и сохраняет вероятность образования фосфидной эвтектики, приводящей к снижению износостойкости чугуна, а добавка более 0,10% дополнительного эффекта не вызывает.
Барий способствует снижению остаточных литейных напряжений и тем самым снижает вероятность образования трещин в чугуне в процессе его шлифования. Содержание бария в пределах 0,03-0,10% установлено опытным путем.
Бор - химический элемент, вызывающий образование твердых и износостойких карбидов. При содержании менее 0,05% эффект практически отсутствует, а при содержании более 0,2% - повышается хрупкость вследствие образования борокарбонитридов.
При содержании менее 0,2% ванадия износостойкость снижается вследствие уменьшения количества карбидов VC. Более высокое содержание ванадия более 0,6% нецелесообразно, так как снижается вязкость и повышается себестоимость изделий.
Марганец - химический элемент, существенно влияющий на технологические свойства чугуна. При содержании менее 0,5% наблюдаются поры и трещины в литом чугуне, а повышенное содержание - более 0,65% - приводит к снижению обрабатываемости резанием.
Никель - признанный графитизирующий элемент, но при его содержании от 0,4 до 0,75% это действие практически отсутствует. Никель, находясь в твердом растворе, повышает механические и эксплуатационные свойства чугуна. При содержании менее 0,4% понижается вязкость и повышается вероятность образования трещин при шлифовании чугуна, при содержании более 0,75% никель способствует аустенизации и графитизации, что снижает износостойкость чугуна.
2
3
Молибден - сильный карбидообразующий элемент. Температура плавления MoC 2522°C, плотность 9,18 г/см, микротвердость 14,99 ГПа. При содержании 0,4-0,6% он сильно упрочняет матрицу за счет мелко дисперсионных карбидов. При более высоком содержании дополнительного эффекта по износостойкости не наблюдается, а при содержании менее 0,4% возникает опасность выделения графитовых включений в процессе кристаллизации сплава.
Медь - химический элемент, повышающий вязкость чугуна. Низкое ее значение - менее 1,0% - сохраняет опасность образования трещин при шлифовке чугуна, а при содержании более 1,7% она вызывает процесс графитизации, повышает вероятность охрупчивания, что снижает износостойкость сплава.
3
3
3
x
Алюминий - химический элемент, влияющий на плотность чугуна: при 5-8% Al в чугуне плотность составляет 6400-6700 кг/м, а при содержании 29-31% Al она составляет 5300 кг/м. Алюминий, как углерод и кремний в составе чугуна выполняет роль графитизирующих элементов. Кроме того, алюминий выполняет и функцию раскислителя. Однако при определенных условиях кристаллизации и последующего охлаждения чугуна с содержанием алюминия от 9,8 до 19,7% процесс графитизации исключен и в сплаве образуются только комплексные карбиды системы FeAlC. Уменьшение или увеличение содержания алюминия от заявленного содержания вызывает процесс графитизации в чугуне, что снижает его износостойкость. Наличие алюминия в чугуне дополнительно вызывает образование окисной пленки на поверхности при термическом оксидировании чугуна, что повышает его задиростойкость.
Сера - примесь в чугуне, снижающая механические свойства сплава, но благоприятно сказывается на обрабатываемости резанием за счет образования легкоплавкой (998°C) эвтектики Fe-FeS.
Таким образом, заявляемая совокупность и содержание легирующих элементов позволяют повысить трещиностойкость и задиростойкость деталей из чугуна, работающих с цементованной закаленной стальной деталью, и тем самым повысить надежность и долговечность изделий.
Плавку чугуна проводили в индукционной печи ИСТ/04-032 с основной футеровкой. В качестве шихты использовали стальной лом, переплавленный низкокремнистый чугун и чугунную стружку. Легирующие элементы - никель и медь - вводили в металлозавалку в виде ферросплава ФН7, бор вводили в металлозавалку в виде ферросплава ФБ17, ванадий вводили в металлозавалку в виде ферросплава ФВд35А, молибден вводили в металлозавалку в виде ферросплава ФМо60. Расплавление вели под основным шлакообразующим материалом - флюсом, взятым в количестве 0,3-1,5% от веса жидкого металла до получения чугуна с суммарным содержанием углерода и кремния 3,4-4,0%, перегревали чугун до температуры 1450-1520°C, выдерживали 1-7 минут, скачивали шлак и на зеркало металла вводили марганец в виде ферромарганца ФМн65Ф и алюминий в чушках АВ97 в количестве 10,5-21,0%, после чего проводили выдержку в течение 15-20 минут. При выпуске металла из печи проводили модифицирование ферросиликобарием ФС60Ба22 в количестве 1,0-1,5% от веса металла в ковше для наиболее эффективного воздействия на очистку расплава вредных примесей.
Модифицирование чугуна ферросиликобарием принято потому, что он является наиболее эффективным модификатором для белого чугуна по сравнению с известными другими модификаторами, например, ферросилицием или силикокальцием. Он хорошо и быстро усваивается расплавом, способствует эффективной очистке его от серы и других вредных примесей, увеличивает его жидкотекучесть, снижает склонность чугуна к усадке и образованию усадочных дефектов и трещин, сохраняет длительный эффект модифицирования при заливке, измельчает структуру отливок, что способствует получению качественных отливок, кроме того, он недефицитен и недорогой.
Модифицирование ферросиликобарием осуществляется одним из известных простых способов, например, путем введения его в виде крошки под струю расплава при сливе его из печи в ковш или на дно ковша. Наибольший эффект модифицирования расплава белого чугуна ферросиликобарием достигается при его температуре 1400-1470°C. При ее снижении ниже нижнего указанного предела существенно снижается усвоение жидким чугуном ферросиликобария, что сильно снижает эффект влияния модифицирования на качество отливок.
В таблице 1 приведены составы известного и предлагаемого чугуна.
Таблица 1
Химический состав опытных плавок чугуна
№ п/п
Содержание химических элементов, масс.%
C
Si
Mn
Ni
Mo
Cu
Ca
B
S
P
Al
Ba
V
Прототип патент №2191214
3,6
0,48
7,6
0,66
0,22
1,04
0,08
0,01
0,18
0,14
-
-
-
1
3,1
0,37
0,55
0,50
0,45
1,6
0,04
0,08
0,10
0,14
9,0
-
-
2
3,1
0,39
0,50
0,55
0,48
1,7
0,05
0,10
0,10
0,15
9,8
-
-
3
3,2
0,39
0,50
0,50
0,46
1,6
0,04
0,10
0,10
0,15
19,7
-
-
4
3,1
0,37
0,55
0,55
0,40
1,6
0,05
0,10
0,12
0,14
21,0
-
-
5
3,2
0,40
0,60
0,55
0,56
1,3
0,04
0,08
0,12
0,16
11,2
0,03
0,2
6
3,3
0,40
0,50
0,60
0,42
1,12
0,02
0,10
0,14
0,18
12,1
0,10
0,22
7
3,2
0,38
0,50
0,50
0,44
1,30
0,02
0,07
0,12
0,20
12,4
0,03
0,60
8
3,2
0,37
0,55
0,60
0,54
1,34
0,04
0,08
0,14
0,16
16,6
0,10
0,50
9
3,1
0,60
0,52
0,72
0,46
1,22
0,03
0,06
0,12
0,18
14,4
0,08
0,34
10
3,2
0,56
0,54
0,71
0,52
1,28
0,07
0,08
0,12
0,17
15,3
0,06
0,36
В таблице 2 приведены свойства чугунов по трещиностойкости, износостойкости и обрабатываемости резанием.
Таблица 2
Свойства опытных плавок чугуна
Номер плавки
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Кол-во* деталей с трещинами и прижогами, % (шт)
10,7 (16)
5,6 (8)
6,8 (11)
8,6 (14)
7,4 (11)
6,5 (8)
5,4 (6)
6,7 (9)
6,9 (9)
6,5 (11)
Износ чугуна (мкм)
24,5
17,5
18,0
25,0
11,0
11,5
10,5
12,5
13,0
10,5
Примечание. * Количество деталей в партии составило от 12 до 176 шт.
** Износ чугуна после стендовых испытаний.
Трещиностойкость чугуна оценивали по наличию трещин в сплаве после его шлифовки. Выявление трещин на чугуне проводили магнитно-люминесцентным методом на установке HU-700 фирмы "Karl Deutsch" (Германия).
Износостойкость чугуна оценивали после стендовых и эксплуатационных испытаний узла трения чугунная наплавленная поверхность толкателя клапана - стальная цементированная поверхность кулачка распределительного вала.
Обрабатываемость резанием чугуна изучалась при плоском шлифовании чугуна при скорости 35-40 м/с. За критерий обрабатываемости принимали наличие прижогов и трещин на отшлифованной поверхности.
Сравнение свойств чугунов показывает, что предлагаемый чугун (№2, 3, 5-10 табл.2) обладает повышенной трещиностойкостью в сочетании с высокой износостойкостью и обрабатываемостью резанием.
Эффективность заявляемого технического решения заключается в снижении эксплуатационных затрат за счет увеличения долговечности деталей, изготовленных из предложенного чугуна.