Чугун
IRON

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано в литейном производстве, а именно в качестве легированного чугуна для производства изделий, предназначенных для работы в условиях интенсивного ударно-фрикционного износа под воздействием циклических нагрузок, в частности узлов тележек грузовых вагонов.
Известен чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, бор, ванадий, алюминий, церий, магний, кальций, железо при следующем соотношении компонентов, мас. %: углерод - 3,2-4,0; кремний - 1,4-2,5; марганец - 0,4-1,2; хром - 7,0-10,0; никель - 2,5-5,5; бор - 0,2-0,4; ванадий - 0,6-1,0; алюминий - 0,05-0,15; церий - 0,05-0,20; магний - 0,03-0,12; кальций - 0,05-0,20; железо - остальное. Чугун имеет повышенную твердость, до 63 HRC, а также небольшое количество остаточного аустенита, от 5 до 15%, и, соответственно, достаточно высокую износостойкость в условиях ударно-фрикционного износа, так как его металлическая основа содержит большое количество твердой карбидной фазы, 25-32% (патент RU 2234553, МПК С21С 37/00 (2000.01)).
Однако описанный чугун обладает низкой вязкостью и повышенной хрупкостью, что приводит к повышенной чувствительности изделий, изготовленных на его основе, к разрушению в условиях воздействия циклических нагрузок (Таблица, №№п/п 3, 4).
Наиболее близким к предлагаемому сплаву по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) является чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, никель, молибден, фосфор, серу, цирконий, барий, кальций, алюминий и железо, мас. %: углерод - 2,4-2,9; кремний - 1,2-1,5; марганец - 0,7-1,1; хром - 0,05-0,3; медь - 0,05-0,3; никель - 0,5-0,8; молибден - 0,6-0,9; фосфор - 0,05-0,1; сера - 0,05-0,1; цирконий - 0,0005-0,1; барий - 0,0005-0,1; кальций - 0,0005-0,1; алюминий - 0,0005-0,1; железо - остальное (патент RU 2562554, МПК С21С 37/00 (2006.01)).
Однако можно отметить, что при высоких износостойких и прочностных свойствах вышеописанного сплава ударная вязкость является пониженной, так как высокое содержание углерода и легирующих элементов может приводить к образованию карбидов молибдена и появлению мартенситной структуры, вследствие чего может происходить охрупчивание металлической матрицы чугуна, снижение его трещиностойкости и твердости, что реализуется в изделиях, изготовленных на его основе и работающих в условиях ударно-фрикционного износа (Таблица, №№ п/п 5, 6).
Техническая проблема, решение которой обеспечивается при осуществлении изобретения, заключается в создании чугуна с высокой ударной вязкостью для работы в условиях интенсивного ударно-фрикционного износа.
Техническим результатом является повышение трещиностойкости и твердости чугуна при высокой ударной вязкости и высоких показателях литейных свойств изделий, реализованных на его основе, в условиях ударно-фрикционного воздействия.
Решение названной технической проблемы достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, медь, никель, молибден, фосфор, серу и железо, согласно изобретению, дополнительно содержит ванадий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
углерод
2,3-2,8
кремний
1,3-1,5
марганец
0,6-1,0
хром
0,05-0,3
медь
0,05-0,3
никель
0,4-0,7
молибден
0,4-0,7
фосфор
0,05-0,2
сера
0,05-0,1
ванадий
0,2-0,4
железо
- остальное
Исходя из условий повышения работоспособности и эксплуатационной надежности изделий, изготавливаемых из предлагаемого чугуна, что обусловлено получением более высокого уровня физико-механических и технологических характеристик таких изделий по сравнению с аналогичными характеристиками изделий, изготовленных с использованием сплава, выбранного в качестве прототипа, была определена концентрация каждого из компонентов сплава, фазовый состав и необходимость комплексного легирования компонентов сплава в указанных соотношениях (Таблица, №№ п/п 1, 2, 5, 6).
Содержание в чугуне углерода в количестве 2,3-2,8 мас. % является оптимальным, так как введение в чугун углерода в количестве менее 2,3 мас. % уменьшает литейные свойства чугуна и понижает его износостойкость, а введение углерода в количестве более 2,8 мас. % приводит к уменьшению прочности, твердости и увеличению пластичности, и также приводит к образованию смеси твердых карбидных фаз совместно с молибденом и ванадием, что значительно понижает ударную вязкость и трещиностойкость материала.
Содержание в чугуне кремния в количестве 1,3-1,5 мас. % является оптимальным, так как введение в чугун кремния в количестве менее 1,3 мас. % уменьшает способность выделения графита, а введение в чугун кремния в количестве более 1,5 мас. % снижает пластичность и увеличивает твердость. При этом исследованиями установлено, что суммарное содержание углерода и кремния должно находится на уровне от 3,6 до 4,3 мас. %; превышение данной величины приводит к существенному снижению степени эвтектичности чугуна и способствует подавлению механизма графитизирования.
Содержание в чугуне марганца в количестве 0,6-1,0 мас. % является оптимальным, так как введение в чугун марганца в количестве менее 0,6% уменьшает прочность и износостойкость сплава, а введение в чугун марганца в количестве более 1 мас. % уменьшает трещиностойкость чугуна. Соблюдение соотношения содержания марганца к сере более 6,5 (Mn/S>6,5%) повышает качество литого металла, его технологичность; при этом избыточная часть серы в чугуне связывается в сульфид марганца и выводится в шлак.
Содержание в чугуне хрома в количестве 0,05-0,3 мас. % является оптимальным, так как введение в чугун хрома в количестве менее 0,05 мас. % не влияет на свойства чугуна, а введение хрома в чугун в количестве более 0,3 мас. % нецелесообразно, так как в структуре чугуна появляются карбиды хрома, растет их количество и увеличиваются размеры включений, что отрицательно сказывается на обрабатываемости и пластичности чугуна.
Введение в состав чугуна меди в пределах от 0,05 до 0,3 мас. % является оптимальным, так как способствует графитизации углерода, увеличивает жидкотекучесть, повышает прочность и твердость сплава.
Введение в состав чугуна никеля в количестве 0,4-0,7 мас. % является оптимальным, так как содержание в составе чугуна никеля в количестве менее 0,4 мас. % приводит к снижению твердости и механических свойств материала, а введение в состав чугуна никеля в количестве более 0,7 мас. % твердость и другие механические свойства сплава не изменяются.
Содержание в чугуне молибдена в количестве 0,4-0,7 мас. % является оптимальным, так как введение в чугун молибдена в количестве менее 0,4 мас. % приводит к снижению твердости и механических свойств материала, а введение молибдена в количестве более 0,7 мас. % приводит к повышению твердости более 350 НВ, что в свою очередь приводит к охрупчиванию материала отливки, а предел прочности при растяжении увеличивается незначительно.
Введение в состав чугуна фосфора в пределах от 0,05 до 0,2 мас. % является оптимальным, так как увеличивает сопротивление износу вследствие образования износостойкой фосфидной эвтектики. Ввод фосфора в предлагаемом диапазоне повышает жидкотекучесть сплава, однако его содержание в сплаве в количестве более 0,2 мас. % приводит к повышению хладноломкости и хрупкости. Содержание в славе фосфора в количестве менее 0,05 мас. % нецелесообразно.
Содержание серы в чугуне в пределах от 0,05 до 0,1 мас. % является оптимальным, так как повышает износостойкость. Однако ввод серы в чугун в количестве более 0,1 мас. % снижает прочность и пластичность материала, а ввод серы в чугун в количестве менее 0,05 мас. % нецелесообразно.
Содержание в чугуне ванадия в количестве 0,2-0,4 мас. % является оптимальным, так как снижает относительную износостойкость и твердость сплава; при содержании ванадия в количестве от 0,2 до 0,4 мас. % в структуре чугуна наблюдается дендроидное строение, междендритное пространство заполнено цементитом, а перлит имеет мелкозернистую форму. Введение в чугун ванадия в количестве более 0,4 мас. % существенно повышает твердость и приводит к отбелу чугуна, а с уменьшением содержания ванадия менее 0,4 мас. % наблюдается снижение количества цементита.
Микроструктура чугуна предлагаемого состава имеет перлитную или феррито-перлитную металлическую основу с равномерно распределенными включениями пластинчатого, прямолинейного и завихренного или гнездообразного графита.
Предлагаемое изобретение поясняется таблицей, в которой приведены химический состав и механические свойства образцов, изготовленных из предлагаемого чугуна, образцов, изготовленных из чугуна, выбранного в качестве аналога, и образцов, изготовленных из чугуна, выбранного в качестве прототипа, а также изображением, на котором приведена микроструктура полученного сплава.
Чугун выплавляют в индукционных электропечах и отливают в формы.
Полученный более высокий уровень физико-механических, технологических и служебных характеристик металла отливки обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным соотношением вводимых легирующих добавок, а также контролем чистоты металла по остаточным примесям, во многом определяющим процессы структурообразования и формирования всего комплекса свойств чугуна.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется нижеследующим примером.
Для экспериментальной оценки свойств предлагаемого чугуна были подготовлены 18 образцов, изготовленных из предлагаемого чугуна (Таблица, №№ п/п 1, 2), образцов, изготовленных из чугуна, выбранного в качестве аналога (Таблица, №№ п/п 3, 4), и образцов, изготовленных из чугуна, выбранного в качестве прототипа (Таблица, №№ п/п 5, 6).
Исследования фрикционных характеристик проводили на машине трения модели 2168 УМТ в соответствии с ГОСТ 30480-97 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы испытаний на износостойкость». Начальная скорость трения - 5 м/с и давление 50 МПа. По результатам исследований определялись износ, то есть потеря массы; средний коэффициент трения в паре со сталью. Твердость определялась по ГОСТ 9012-59 «Металлы. Метод испытаний. Измерение твердости по Бринеллю». Динамические испытания были выполнены на маятниковом копре Metrocom с максимальной энергией удара 300 Дж. Образцы для испытаний с концентраторами U-образной формы глубиной 2 мм вырезались на электроэрозионном станке Sodick AG400L. Значения ударной вязкости (KCU) определялось как отношение работы удара к площади поперечного сечения рабочей части образца. Ударную вязкость определяли по ГОСТ 9454-78 «Металлы. Метод испытания на ударный изгиб при пониженных, комнатной и повышенных температурах». При этом каждая экспериментальная проверка проводилась с использованием трех образцов и контртела, изготовленного из стали ЗОХГСА, при этом в таблице приведены средние значения по итогам всех исследований.
Как следует из данных таблицы, результаты экспериментальной проверки свидетельствуют о том, что образцы из предлагаемого чугуна (№№ п/п 1, 2) имеют более высокую ударную вязкость, в среднем на 30% выше, чем у образцов из чугуна - аналога (№№ п/п 3, 4), и на 16% выше, чем у образцов из чугуна - прототипа (№№ п/п 5, 6), что в свою очередь выражается в повышении работоспособности и эксплуатационной надежности изделий, изготавливаемых из предлагаемого чугуна.
Как следует из сформированной микроструктуры полученного чугуна, которая представлена на изображении, в данном сплав структура графита имеет равномерное распределение завихренной формы с длиной включений 60-120 мкм. Микроструктура металлической матрицы заявленного чугуна имеет феррито-перлитную металлическую основу, с содержанием перлита до 80% и феррита до 20%. Расстояние между пластинами перлита находится в пределах от 0,6 до 1 мкм. В представленном чугуне легированный феррит, граничащий с одной стороны с хрупким графитом, а с другой стороны - с твердым и прочным перлитом выступает в роли вязкой связующей фазы, повышающей механические свойства сплава, и препятствующей распространению
микротрещин, образующихся при деформации в графите, что способствует увеличению ударной вязкости материала.
Таким образом, применение предлагаемого чугуна позволяет путем повышения ударной вязкости при работе в условиях ударно-фрикционного изнашивания под воздействием циклических нагрузок снизить затраты на ремонт и замену деталей и узлов, изготовленных из данного материала методом литья при сохранении литейных свойств, по сравнению с использованием чугуна, выбранного в качестве прототипа, с пониженной ударной вязкостью в тех же условиях, реализованного также в деталях и узлах, изготовленных путем литья и требующих повышенные затраты на ремонт и замену, что снижает себестоимость этих изделий.