Высокопрочный антифрикционный чугун
HIGH-STRENGTH ANTIFRICTION CAST 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 высокопрочный антифрикционный чугун марки АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85). Этот чугун имеет в отливках типа блоки и головки блоков цилиндров двигателей перлитно-ферритную структуру и недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ), предела выносливости (150-170 МПа), трещиностойкости и износостойкости, что снижает стойкость и надежность работы цилиндров в условиях термоциклических нагрузок и трения. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения имеет низкие значения (3-12 МПа⋅м/с).
Известен также высокопрочный антифрикционный чугун (А.с. 926958, СССР, МПК C22C 37/10, 1982, прототип) следующего химического состава, мас. %:
Углерод
2,2-2,4
Кремний
1,0-1,8
Марганец
0,1-0,3
Медь
1,6-2,5
Никель
3,0-3,5
Молибден
0,3-0,5
Хром
0,1-0,3
Магний
0,03-0,05
Церий
0,01-0,02
Железо
Остальное
Известный чугун имеет в отливках преимущественно крупнозернистую аустенитную металлическую основу, недостаточные упруго-пластические свойства и требует проведения дополнительной термической обработки отливок. Недостатком известного чугуна являются низкие характеристики трещиностойкости, предела текучести, износостойкости и антифрикционных свойств. Предельный режим работы при трении составляет 15-22 МПа⋅м/с.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный антифрикционный чугун (Патент RU 2337996, МПК C22C 37/00, 2008) следующего химического состава, мас. %:
Углерод
3,1-3,6
Кремний
2,0-2,5
Марганец
0,8-1,2
Никель
0,7-1,5
Молибден
0,2-0,4
Медь
0,6-1,5
Хром
0,02-0,06
Магний
0,02-0,03
Церий
0,03-0,06
Титан
0,03-0,55
Алюминий
0,02-0,12
Фосфор
0,03-0,10
Кальций
0,002-0,01
Железо
Остальное
Известный чугун обладает следующими механическими и эксплуатационными свойствами:
Временное сопротивление, МПа
730-761
Предел текучести, МПа
270-287
Предел выносливости, МПа
207-221
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
18-24
Коэффициент трения
0,38-0,43
Склонность к трещинообразованию,
количество трещин в технологической пробе
2,0-3,5
Скорость износа при сухом трении, мкм/км
0,25-0,40
Предельный режим работы при трении, МПа⋅м/с
25-30
Недостатком известного чугуна являются низкие антифрикционные свойства и склонность к трещинам в отливках, что связано в основном с высокими концентрациями марганца, фосфора и алюминия. Высокое содержание в структуре вермикулярного графита и недостаточное содержание графита шаровидной формы снижают ударную вязкость, антифрикционные свойства и износостойкость при трении с повышенными удельными давлениями.
Задачей данного технического решения является снижение склонности к трещинам, повышение ударной вязкости и антифрикционных свойств чугуна в отливках.
Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий, титан, алюминий, фосфор, кальций и железо, дополнительно содержит ванадий, кобальт и барий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод
3,1-3,5
Кремний
1,8-2,2
Марганец
0,4-0,7
Никель
0,8-1,3
Молибден
0,3-0,7
Медь
0,15-0,6
Хром
0,02-0,06
Магний
0,02-0,05
Церий
0,01-0,03
Титан
0,12-0,55
Алюминий
0,02-0,05
Фосфор
0,02-0,04
Кальций
0,002-0,01
Ванадий
0,12-0,55
Кобальт
0,03-0,08
Барий
0,02-0,05
Железо
Остальное
Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - ванадия и кобальта, а также дополнительное модифицирование его барием, что существенно повышает дисперсность структуры в отливках, предел текучести, трещиностойкость, антифрикционные и упруго-пластические свойства. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны 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 ванадия обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей добавкой, повышающей дисперсность структуры и компактность графитных включений, плотность и трещиностойкость чугуна в отливках и обеспечивающей увеличение предела текучести, предела выносливости, упруго-пластических и антифрикционных свойств. При содержании ванадия менее 0,12% предел текучести, трещиностойкость, ударная вязкость, износостойкость, коэффициент трения и другие антифрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 0,55% увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики упруго-пластических свойств, предела текучести и трещиностойкости.
Дополнительное введение 0,02-0,05% бария обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры, который очищает границы зерен, существенно повышает трещиностойкость, антифрикционные и упруго-пластические свойства. При концентрации бария менее 0,02% модифицирующий эффект, упруго-пластические и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания бария более 0,05% увеличивается его угар, снижаются однородность структуры, износостойкость, ударная вязкость и предел текучести чугуна.
Кобальт и медь являются эффективными перлитизирующими структуру элементами и при содержании их в чугуне соответственно от 0,03 до 0,08% и от 0,15 до 0,6% повышаются технологические свойства, дисперсность структуры в отливках, износостойкость, трещиностойкость, предел текучести и стабильность антифрикционных свойств. При содержании их соответственно менее 0,03% и 0,15% микролегирующий эффект недостаточен и технологические свойства, дисперсность структуры, трещиностойкость и износостойкость низкие. При содержании их соответственно более 0,08% и 0,6% снижаются характеристики износостойкости, твердости, предела выносливости и предельного режима работы чугуна при трении.
Содержание углерода (3,1-3,5%) и кремния (1,8-2,2%) принято с целью снижения склонности отливок к трещинам, отбелу и повышения износостойкости, механических и антифрикционных свойств в условиях работы деталей двигателей при знакопеременных нагрузках и интенсивном трении. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 3,5% и 2,2% в структуре повышается содержание свободного феррита и графита, что снижает характеристики прочности, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,1% и 1,8% повышаются остаточные термические напряжения в отливках, склонность чугуна к трещинам и газоусадочным дефектам, что снижает предел текучести, ударную вязкость, удароустойчивость и упруго-пластические свойства.
Никель, медь, марганец и хром являются основными легирующими компонентами высокопрочных антифрикционных чугунов, обеспечивающих высокие характеристики предела прочности и износостойкости, но оказывающие неоднозначное влияние на склонность чугуна к трещинам, отбелу и другим дефектам, что снижает предел текучести, упруго-пластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрации в предложенном чугуне оптимизированы с учетом их влияния на эти свойства.
При концентрации никеля в чугуне от 0,8 до 1,3% и молибдена от 0,3 до 0,7% повышаются однородность структуры и содержание перлита в структуре отливок, упруго-пластические и антифрикционные свойства. Хром увеличивает неоднородность структуры, склонность чугуна к трещинам и карбидообразованию в литом состоянии. Содержание хрома ограничено концентрацией 0,06%, выше которой он значительно снижает трещиностойкость и упруго-пластические свойства. При концентрации хрома менее 0,02% дисперсность структуры, износостойкость, предел текучести и эксплуатационные свойства недостаточны.
Содержание магния (0,02-0,05%) и церия (0,01-0,03%), являющихся основными графитомодифицирующими добавками, соответствует общепринятым нормам их концентраций при производстве высокопрочных антифрикционных чугунов для ответственных деталей двигателей.
Уменьшение концентрации фосфора до 0,02…0,04% и алюминия до 0,02…0,05% обусловлено снижением предельного режима работы чугуна при трении, ударной вязкости и трещиностойкости при более высоких их концентрациях. Повышение содержания фосфора более 0,04% увеличивает также коэффициент трения и снижает антифрикционные свойства.
Снижение концентрации марганца до 0,4…0,7% обусловлено его высоким влиянием на образование аустенита в структуре и снижение трещиностойкости, ударной вязкости, технологических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,7% увеличиваются остаточные напряжения и снижаются предельный режим работы при трении, трещиностойкость, ударная вязкость, а при снижении концентрации марганца менее 0,4% повышается содержание в структуре феррита и снижаются механические и эксплуатационные характеристики.
Опытные плавки чугунов проводят в открытых индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2 ГОСТ 4832-95), передельного чугуна ПЛ11Б2 (ГОСТ 805-90), стального лома марок 1А и 2А (ГОСТ 2787-75), чугунного лома марки 17А (ГОСТ 2787-75), катодной меди марки M1 к, феррованадия марки ФВd150У0,5 (ГОСТ27150-94), полуфабрикатного никеля марки НП3, содержащего кобальт, ферромарганца марки ФМн78-2, ферротитана, ферромолибдена, силикобария и комплексных лигатур, содержащих магний, церий, алюминий и кальций.
Температура выплавляемого чугуна - 1480…1500°C. Микролегирование ферромарганцем, никелем, ферромолибденом, феррованадием и катодной медью марки Ml к (ТУ 859-2001) производят после рафинирования расплава в печи.
Процесс модифицирования производят в две стадии: сначала - в раздаточном ковше при выпуске чугуна с температурой 1450…1480°C с использованием сфероидизирующих комплексных лигатур, содержащих магний, церий, алюминий и кальций, а затем - в разливочных ковшах с использованием силикобария, ферротитана и других графитизирующих добавок.
Для определения свойств чугуна отливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые пробы и отливки двигателей. Определение механических свойств проводят по ГОСТ 1497-84 с диаметром 14 мм и расчетной длиной 70 мм. Ударную вязкость определяют на образцах с размерами 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм, трещиностойкость - на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм и высотой 140 мм.
В таблице 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 - характеристики механических, антифрикционных свойств и склонности к трещинообразованию чугунов опытных плавок.
Как видно из таблицы 2, предложенный чугун имеет меньшую склонность к трещинообразованию и обеспечивает литым изделиям более высокие механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства, чем известный.