АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
BEARING CAST IRON

Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам с шаровидным графитом, используемым в тяжело нагруженных узлах трения.
Известен чугун [1], содержащий, мас.%:
Углерод
2,8-4,2
Алюминий
0,05-0,7
Кремний
3,6-5,8
Магний
0,01-0,05
Марганец
0,3-0,8
Кальций
0,005-0,02
Медь
0,6-1,8
РЗМ
0,01-0,07
Хром
0,05-0,3
Железо
остальное
Молибден
0,05-0,2
Этот чугун имеет ферритную структуру и обладает высокими прочностными свойствами, повышенной износостойкостью и достаточно низким коэффициентом трения.
Недостатками чугуна являются низкие значения пластичности (относительного удлинения) и ударной вязкости, повышенная твердость, затрудненная прирабатываемость и повышенный износ сопряженной детали.
Наиболее близким к предлагаемому является чугун [2], содержащий, мас.%:
Углерод
3,32-4,04
Кальций
0,005-0,02
Кремний
3,72-5,39
Магний
0,015-0,05
Марганец
0,18-0,51
Алюминий
до 0,01
Молибден
0,15-0,43
РЗМ
0,01-0,06
Олово
0,03-0,12
Железо
остальное.
Барий
0,02-0,08
Чугун обладает высокой прочностью и износостойкостью, хорошими антифрикционными свойствами (пониженным коэффициентом трения, обеспечивая небольшой износ сопряженной детали). За счет молибдена уменьшена склонность чугуна к ферритной хрупкости.
в
К недостаткам чугуна относятся нестабильность значений твердости (возможно превышение значений 210 НВ) и прочности (возможно снижение σ до 580 МПа и меньше), недостаточно высокие и нестабильные значения пластичности и ударной вязкости.
Задача изобретения - создание в чугуне особой структуры, состоящей из мелкозернистого двухфазного (гетерогенизированного) феррита, дисперсных включений упрочняющих фаз и шаровидного графита.
Технический результат - повышение механических свойств чугуна (предела прочности, относительного удлинения и ударной вязкости) при пониженной твердости (не более 200 НВ) и сохранении хороших триботехнических свойств (высокой износостойкости, низкого коэффициента трения и малого износа сопряженных деталей).
Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, молибден, барий, магний, кальций, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, дополнительно содержит медь и титан при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
3,24-3,88
Барий
0,030-0,078
Кремний
2,98-4,01
Магний
0,017-0,050
Марганец
0,28-0,44
Кальций
0,01-0,03
Молибден
0,27-0,42
РЗМ
0,01-0,06
Медь
0,63-1,02
Железо
остальное,
Титан
0,02-0,08
В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,02 мас.%), фосфор (до 0,05 мас.%) и алюминий (до 0,01 мас.%).
Суть изобретения обеспечивается созданием в чугуне особой структуры, состоящей из мелкозернистого феррита (измельченного за счет присадки в сплав титана), претерпевшего спинодальное расслоение на обычный углеродистый феррит и силикоферрит (за счет достаточно высокого содержания кремния) и упрочненного дисперсными включениями медистой фазы (за счет легированием чугуна медью и молибденом), в сочетании с достаточно измельченным шаровидным графитом. Сфероидизация графита обеспечивается достаточным количеством элементов, входящих в состав комплексного модификатора (магния, бария, кальция и РЗМ). Химический состав чугуна подобран таким образом, что необходимая структура может быть получена уже в литом состоянии, но наибольшая ее стабильность обеспечивается путем термической обработки, состоящей из ферритизирующего отжига при 780-790°С и старения при 500-520°С.
Состав чугуна выбран исходя из следующих соображений.
По сравнению с прототипом снижены верхний и нижний пределы интервала содержания кремня, что позволило обеспечить повышение пластичности и ударной вязкости чугуна. При содержании кремния более 4,01% происходит заметное снижение этих свойств и повышение регламентируемой твердости чугуна, а при снижении содержания кремния менее 2,98% ухудшаются триботехнические свойства и снижается предел прочности.
Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна в литом состоянии. При содержании углерода менее 3,24 мас.% уменьшается степень ферритизации структуры, становится возможным образование перлита и повышение твердости. Если в чугуне содержится более 3,88 мас.% углерода, в его структуре увеличивается количество графита, причем повышается вероятность образования графитных включений неблагоприятной формы (при недостаточной степени сфероидизации), что может проявляться в снижении прочности и износостойкости чугуна.
Дополнительно в состав чугуна введена медь в количестве 0,63-1,02 мас.%. Нижний предел обеспечивает минимально достаточную степень дисперсионного упрочнения феррита медистой фазой. Превышение верхнего предела проявляется в усилении перлитизирующего действия меди, что приводит к снижению пластичности и ударной вязкости чугуна.
Молибден в составе данного чугуна используется не только для устранения или уменьшения ферритной хрупкости (по аналогии с прототипом), но и для значительного усиления дисперсионного упрочнения чугуна медистой фазой. При содержании менее 0,27 мас.% молибдена эта его роль практически не проявляется, а при содержании более 0,42 мас.% происходит существенное удорожание чугуна, появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость.
В состав чугуна дополнительно введен также титан в количестве 0,02-0,08 мас.%. Дисперсные карбиды титана, образующиеся в жидком чугуне и в процессе его кристаллизации, обеспечивают значительное измельчение структуры, что проявляется в улучшении всех его свойств. Содержание титана менее 0,02 мас.% не оказывает заметного действия на измельчение структуры, а его содержание более 0,08 мас.% приводит к выделению карбидов титана по границам зерен первичной структуры, что проявляется в снижении ударной вязкости чугуна.
Остальные компоненты чугуна используются примерно в тех же количествах, что и в составе чугуна-прототипа, и их роль и пределы рационального содержания обоснованы в описании изобретения [2].
Плавки чугуна проводили в открытых индукционных тигельных печах с кислой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, электродного боя и ферросилиция. Ферросилиций вводили в расплав при 1350-1380°С.
При переливе металла из печи в разливочный ковш проводили комплексное модифицирование чугуна "сандвич-процессом", пригружая модифицирующую смесь (состоящую из комплексной лигатуры ЖКМК, силикобария и плавикового шпата) специально отлитой чугунной решеткой. Температура модифицирования металла 1420-1450°С.
Жидкий чугун разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали стандартные пробы толщиной 30 мм, из которых вырезали образцы для проведения металлографического анализа, механических испытаний и испытаний на изнашивание.
Половину образцов подвергали термической обработке, которая состояла из двух стадий. Первая стадия заключалась в ферритизирующем отжиге чугуна, который проводили при 780-790°С с выдержкой 3 часа при медленном охлаждении (в печи) до 650-600°С и последующем быстром охлаждении до комнатной температуры (на воздухе для тонкостенных отливок и в воде для отливок с толщиной стенки более 20 мм) с целью предотвращения ферритной хрупкости.
Вторая стадия термической обработки представляла собой искусственное старение при 520-540°С в течение 3 часов с последующим охлаждением на воздухе.
Испытания на изнашивание проводили на машине СМЦ-2 в условиях сухого трения по схеме "вращающийся диск - неподвижная колодка". Диск контртела диаметром 50 мм изготовлен из стали 45 и термообработан на твердость 32-34 HRC. Испытания проводили при скорости скольжения 0,75 м/с с удельной нагрузкой 3 МПа в центре контактной площади. Износ определяли по потере массы образца и контртела в процессе изнашивания. Параллельно определяли коэффициент трения.
Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены в табл.1 и 2.
в
2
2
2
2
Чугун предлагаемого состава (сплавы 1-5) отличается от прототипа более высокими значениями механических свойств (предела прочности, относительного удлинения и ударной вязкости) и пониженными значениями твердости и износа контртела (как в литом, так и в термообработанном состояниях), не уступая прототипу в значениях остальных триботехнических свойств. При этом регламентируется сочетание следующих механических и триботехнических свойств: твердость не более 200 НВ, предел прочности σ не менее 590 МПа (60 кгс/мм), относительное удлинение не менее 6% (а после термообработки не менее 10%), ударная вязкость КС не менее 50 Дж/см(а после термообработки не менее 60 Дж/см), износ образца не более 7 мг/см на 1000 п.м при износе контртела не более 0,7 мг (а после термообработки образца - не более 0,35 мг) на 1000 п.м, коэффициент трения не более 0,5.
При выходе за рекомендуемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 6 и 7) существенно ухудшаются его механические свойства (снижаются относительное удлинение и ударная вязкость, а в сплаве 6 - и предел прочности) и повышаются твердость и износ контртела.
Источники информации
1. Авт.св. СССР №1752819, кл. С22С 37/10.
2. Патент РФ №2267549, кл. С22С 37/10.
Таблица 1
Сплав
Содержание элементов, мас.%
С
Si
Mn
Cu
Mo
Ti
Ba*
Mg
Ca*
РЗМ
1
3,24
3,84
0,31
0,63
0,27
0,05
0,08
0,035
0,03
0,04
2
3,42
4,01
0,44
0,75
0,34
0,08
0,07
0,017
0,01
0,06
3
3,62
3,30
0,38
0,68
0,32
0,03
0,04
0,032
0,02
0,03
4
3,70
3,56
0,28
1,02
0,31
0,06
0,03
0,043
0,02
0,05
5
3,88
2,98
0,33
0,84
0,42
0,02
0,04
0,050
0,03
0,01
6
3,91
4,85
0,51
0,43
0,12
0,01
0,01
0,012
0,005
0,005
7
3,18
2,40
0,30
1,49
0,63
0,10
0,09
0,062
0,04
0,07
Известный**
3,49
4,67
0,32
-
0,40
-
0,08
0,047
0,02
0,03
* Содержание по количеству введенного элемента.
** Содержится также 0,07 мас.% Sn/
Таблица 2
Сплав
Средние значения свойств*
Твердость НВ
Предел прочности σ<sub>в</sub>, МПа
Относительное удлинение δ, %
Ударная вязкость RC, Дж/см<sup>2</sup>
Износ образца, мг
Износ контртела, мг
Коэффициент трения
1
189/187
616/624
8,9/10,7
53/69
5,6/5,6
0,58/0,27
0,43/0,42
2
193/193
622/629
7,6/10,1
51/65
5,2/5,0
0,56/0,26
0,42/0,40
3
192/186
615/595
8,1/13,2
52/78
6,5/6,3
0,67/0,32
0,47/0,46
4
200/196
630/628
8,3/11,2
52/62
6,0/6,0
0,61/0,30
0,43/0,42
5
200/188
624/592
6,3/12,9
51/78
6,4/6,7
0,69/0,33
0,47/0,47
6
270/268
564/560
0,1/0,1
35/36
5,0/5,1
0,89/0,54
0,44/0,43
7
250/212
673/594
1,8/4,3
38/52
6,1/6,8
0,88/0,52
0,50/0,48
Известный
221/218
570/566
0,2/0,5
35/37
6,2/6,5
0,88/0,49
0,43/0,43
*В числителе приведены значения свойств для литого состояния, в знаменателе - после термической обработки.