ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
HIGH-STRENGTH ANTIFRICTION IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным чугунам для изготовления антифрикционных отливок, получаемых при модифицировании их магнием и церием и используемых в литом состоянии для ответственных деталей двигателей Евро-3 и Евро-4, работающих в условиях трения, износа, повышенных механических и термоциклических нагрузок.
Известен антифрикционный магний-цериевый чугун марки ЧВГ-45, рекомендованный в ГОСТ 26394-89 для аналогичных отливок. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения не превышает 12-15 МПа · м/с. Чугун обладает низкими характеристиками твердости (190-250 НВ) и относительного удлинения (0,8-1,5%).
Известен также высокопрочный антифрикционный чугун марки АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85), обеспечивающий получение в отливках перлитно-ферритной структуры с повышенными пластическими свойствами. Однако в условиях трения этот чугун имеет низкую износостойкость, недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ) и допустимого предельного режима работы (менее 12 МПа·м/с).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный антифрикционный чугун (Патент RU 2352675, МПК С22С 37/00, 2009) 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
Предельный режим работы при трении, МПа · м/с
31-40
Коэффициент трения
0,32-0,40
Склонность к трещинообразованию,
количество трещин в технологической пробе
2,8-3,2
Недостатком известного чугуна являются низкая износостойкость 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 титан, цирконий, азот и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,2-3,5
Кремний
1,8-2,2
Марганец
0,4-0,8
Медь
0,15-0,70
Никель
0,31-0,70
Хром
0,02-0,06
Магний
0,03-0,05
Церий
0,01-0,02
Олово
0,01-0,02
Фосфор
0,02-0,04
Кальций
0,002-0,01
Титан
0,15-0,35
Цирконий
0,06-0,22
Азот
0,01-0,03
Алюминий
0,002-0,01
Железо
Остальное
Дополнительное введение титана обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей добавкой, повышающей дисперсность структуры чугуна в отливках, трещиностойкость и снижающей коэффициент трения и скорость изнашивания чугуна в условиях интенсивного трения. При содержании титана до 0,15% износостойкость и трещиностойкость недостаточны. При повышении концентрации титана более 0,35% увеличивается неоднородность структуры, снижаются характеристики упруго-пластических свойств и предела текучести.
Дополнительное введение циркония в чугун снижает отбел в тонких стенках отливок, повышает однородность структуры, трещиностойкость и упругопластические свойства. При повышении содержания циркония более 0,22% увеличивается содержание феррита в структуре, снижаются характеристики твердости, износостойкости и эксплуатационных свойств. При содержании циркония до 0,06% его влияние на трещиностойкость, упругопластические свойства и структуру чугуна в отливках сказывается незначительно.
Азот в количестве 0,01-0,03% способствует образованию нитридов, измельчению структуры и повышению трещиностойкости и механических свойств. При концентрации азота до 0,01% его влияние на структуру и свойства сказывается незначительно, а при увеличении содержания азота более 0,03% нитриды начинают располагаться по границам зерен, что снижает характеристики трещиностойкости, ударной вязкости и эксплуатационных свойств.
Алюминий в количестве 0,002-0,01% способствует повышению однородности структуры, раскисляет расплавленный металл, повышает трещиностойкость, механические и антифрикционные свойства чугуна. При концентрации алюминия более 0,01% повышается содержание феррита в структуре, снижаются износостойкость и эксплуатационные свойства. При содержании алюминия до 0,002% раскисление расплавленного металла осуществляется недостаточно.
Опытные плавки чугуна проводят в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2, передельного чугуна ПЛ11Б2, стального лома марок 1А и 2А, чугунного лома марки 17А, азотированного ферромарганца марки ФМн78-2Н, олова марки О1пч, катодной меди марки M1 к, полуфабрикатного никеля марки НП3, доменного феррофосфора марки ФФ16, титанциркониевой лигатуры марки Ти20Цр7, силикокальция марки ФСК15А2 (ТУ 14-5-142-83), доменного ферросилиция и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна составляет 1480-1500°C. После рафинирования расплава в печи производят процесс легирования с использованием катодной меди, азотированного ферромарганца, никеля, меди и титанциркониевой лигатуры. Сфероидизирующее модифицирование производят магний- и церийсодержащими комплексными модификаторами при выпуске расплава из печи в раздаточные ковши, а графитизирующее - в разливочных ковшах с использованием алюминотермических смесей, содержащих силикокальций марки ФСК15А2.
Заливку модифицированного чугуна при температуре 1350-1380°C производят в литейные песчано-глинистые формы для получения образцов для механических испытаний антифрикционных деталей двигателей и технологических проб.
В таблице 1 (фиг.1) приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 (фиг.2) - их механические и эксплуатационные свойства.
Для определения трещиностойкости использовали звездообразные пробы диаметром 250 мм и высотой 140 мм. Динамическую прочность определяли на образцах с размерами 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм.
Износостойкость чугуна и предельный режим работы при трении определяли по стандартным методикам при испытании в условиях сухого трения. Механические испытания проведены в соответствии с ГОСТ 27208-87.
Как видно из таблицы 2 (фиг.2), предложенный высокопрочный чугун обладает более высокими характеристиками износостойкости при сухом трении и трещиностойкости, чем известный.