ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЛЕГИРОВАННЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
HIGH-STRENGTH ALLOYED ANTIFRICTION CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным легированным антифрикционным чугунам для литых деталей цилиндропоршневой группы двигателей, работающих в условиях трения в газовых средах и не подвергающихся термической обработке.
Известен высокопрочный легированный антифрикционный чугун А ЧВ-2 (ГОСТ 1585-85). Этот чугун имеет в отливках перлитно-ферритную структуру, низкий предельный режим работы в условиях трения (3-12 МПа⋅м/с) и недостаточные характеристики предела выносливости (150-170 МПа), твердости (167-197 НВ), эксплуатационной стойкости и износостойкости в условиях трения. Литые детали из этого чугуна не обеспечивают длительной эксплуатационной стойкости при работе в сложнонапряженных условиях и при трении в газовых средах.
Известен также высокопрочный легированный чугун для отливок со специальными свойствами ЧНДХМШ (ГОСТ 7769-82, табл. 2, с. 4). Этот легированный чугун с шаровидным графитом имеет большую твердость (270-320 НВ), высокие остаточные термические напряжения, отбел в отливках и требует термообработки. Он обладает высокой прочностью (не менее 600 МПа), однако характеризуется низкими антифрикционными и упруго-пластическими свойствами.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный легированный антифрикционный чугун (Патент RU №2611624, МПК С22С 37/10, 2017, прототип) 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
Хром
0,02-0,06
Медь
0,6-1,5
Магний
0,02-0,03
Церий
0,03-0,05
Ванадий
0,07-0,55
Титан
0,03-0,22
Барий
0,03-0,06
Бор
0,01-0,03
Железо
Остальное
Механические и эксплуатационные свойства известного чугуна:
Временное сопротивление, МПа
770-782
Предел текучести, МПа
288-312
Коэффициент трения
0,37-0,41
Предел выносливости, МПа
222-235
Износостойкость при сухом трении, мкм/км
0,15-0,21
Термические напряжения в отливках, МПа
37-43
Предельная режим работы при трении, МПа⋅м/с
28-32
Предел коррозионной усталости в газовых средах, МПа
375-390
Известный чугун содержит повышенное количество отбеливающих и аустенизирующих структуру элементов (марганца, ванадия, бора и никеля), способствующих образованию преимущественно аустенитной металлической основы с низким содержанием свободного графита.
Недостатком известного чугуна являются низкие характеристики предела коррозионной усталости чугуна в газовых средах и предельного режима работы при трении.
Задачей данного технического решения является разработка чугуна, который имеет более высокий предел коррозионной усталости в газовых средах и предельный режим работы при трении, и более низкий коэффициент трения термических напряжений в отливках.
Поставленная задача решается тем, что высокопрочный легированный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий, ванадий, титан, барий, бор и железо, дополнительно содержит цирконий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Углерод
3,1-3,6
Кремний
2,0-2,5
Марганец
0,3-0,7
Никель
0,2-0,6
Молибден
0,2-0,4
Медь
0,6-1,5
Хром
0,02-0,06
Магний
0,02-0,03
Церий
0,03-0,05
Ванадий
0,02-0,05
Титан
0,03-0,22
Барий
0,03-0,06
Бор
0,002-0,005
Цирконий
0,05-0,12
Кальций
0,03-0,05
Железо
Остальное
Существенными отличиями предложенного чугуна являются дополнительное введение в его состав эффективного графитизирующего и перлитизирующего компонента - циркония, графитизирующего модификатора -кальция и снижение содержания отбеливающих и аустенизирующих компонентов (марганца, ванадия, бора и никеля), что существенно повышает дисперсность и стабильность структуры, антифрикционные свойства, предел коррозионной усталости чугуна в газовых средах, предел выносливости и износостойкость.
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены эти отличия. Кроме того, они являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в задаче изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение циркония обусловлено тем, что он является эффективной графитизирующей, упрочняющей и микролегирующей добавкой, повышающей стабильность, однородность и дисперсность структуры, предел коррозионной усталости в газовых средах, предел выносливости, антифрикционные и упруго-пластические свойства чугуна. При содержании циркония до 0,05% износостойкость, предел выносливости и антифрикционные свойства недостаточны. При увеличении его концентрации более 0,12% увеличивается неоднородность структуры, остаточные термические напряжения и снижаются характеристики эксплуатационной стойкости, ударо-устойчивости и упруго- пластических свойств.
Кальций введен в количестве 0,03-0,05% как графитизирующая и модифицирующая добавка, очищающая границы зерен, повышающая дисперсность структуры и обеспечивающая увеличение износостойкости, предела выносливости. При содержании кальция менее 0,03% снижаются его графитизирующая способность, однородность и дисперсность структуры, а при увеличении содержания кальция более 0,05% снижаются пластические, антифрикционные свойства и износостойкость.
Снижение концентрации марганца до 0,3-0,7% обусловлено его высоким отбеливающим влиянием на структуру и снижение технологических и антифрикционных свойств. При повышении концентрации марганца более 0,7% увеличиваются остаточные напряжения и снижаются предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость, а при снижении концентрации марганца менее 0,3% повышается содержание в структуре феррита и свободного графита, что снижает механические и эксплуатационные характеристики чугуна.
Титан введен как графитизирующая и микролегирующая добавка, повышающая дисперсность структуры и содержание в ней перлита и графита, обеспечивающая увеличение износостойкости, предела выносливости, стабильности коэффициента трения и эксплуатационных свойств чугуна в отливках. При содержании его менее 0,03% снижаются графитизирующий и микролегируюший эффекты, стабильность структуры и антифрикционные свойства недостаточны, а при содержании более 0,22% снижаются предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость.
Барий в количестве 0,03-0,06% модифицирует расплав и очищает границы зерен, обеспечивает сфероидизацию структурных составляющих и повышение износостойкости, стабильности антифрикционных свойств. При концентрации его более 0,06% снижаются предел выносливости, износостойкость и механические свойства, а при содержании бария до 0,03% износостойкость и антифрикционные свойства недостаточны.
Снижение содержания бора до 0,002-0,005% обусловлено образованием борокарбидов при более высоких концентрациях, что существенно снижает упруго-пластические свойства, повышает термические напряжения в отливках и коэффициент трения. При концентрации его менее 0,002% предел коррозионной усталости, износостойкость и предел выносливости низкие, а при увеличении содержания бора более 0,005% снижаются пластические свойства, повышаются коэффициент трения и термические напряжения в отливках.
Содержание углерода (3,1-3,6%) и кремния (2,0-2,5%) принято исходя из опыта производства высокопрочных антифрикционных чугунов для отливок преимущественно с мелкозернистой перлитной структурой в литом состоянии, с высокими характеристиками механических свойств, износостойкости и антифрикционных свойств в условиях трения. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,6% и 2,5% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, предела выносливости, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,1% и 2,0, % повышаются остаточные термические напряжения в отливках и содержание аустенита и цементита в структуре, что снижает пределы выносливости и текучести, трещиностойкость и ударо-устойчивость.
Содержание магния, являющегося основной сфероидизирующей графит и модифицирующей добавкой, принято в количестве 0,02-0,03% с целью уменьшения в структуре содержания графита шаровидной формы и коэффициента трения и увеличения в структуре количества вермикулярного графита, предела выносливости и износостойкости чугуна. При содержании магния до 0,02% в структуре шаровидного графита не образуется и механические и антифрикционные свойства низкие. При концентрации магния более 0,03% снижается стабильность и однородность структуры, что повышает термические напряжения в отливках и уменьшает характеристики предела выносливости и антифрикционных свойств.
Содержание церия увеличено до 0,03-0,05%, что способствует повышению антифрикционных свойств и износостойкости и соответствует концентрациям по общепринятым нормам в двигателестроении при производстве литых деталей цилиндропоршневой группы из высокопрочных чугунов с вермикулярным (компактным) графитом. При концентрации церия более 0,05% повышаются его безвозвратные потери (угар), неоднородность структуры и снижаются механические свойства чугуна.
Медь, никель, молибден, ванадий и хром являются основными легирующими компонентами высокопрочных чугунов, обеспечивающие высокие характеристики прочности, предела коррозионной усталости в газовых средах, износостойкости, пределов выносливости и усталости, но оказывающие неоднозначное влияние на упруго-пластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства.
Медь является перлитизирующим структуру компонентом, повышающим антифрикционные свойства и предел выносливости. Ее содержание в количестве от 0,6 до 1,5% обеспечивает существенное повышение износостойкости, предела выносливости и антифрикционных свойств. При снижении концентрации меди менее 0,6% антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении ее содержания более 1,5% снижаются характеристики износостойкости и трещиностойкости.
Содержание никеля в чугуне снижено до концентрации 0,2-0,6%, так как при содержании более 0,6% он снижает антифрикционные и эксплуатационные свойства, увеличивая неоднородность структуры, склонность к трещинам и нестабильность коэффициента трения. При концентрации никеля менее 0,2% дисперсность структуры, предел выносливости и эксплуатационные свойства недостаточны.
Хром в количестве от 0,02 до 0,06%, ванадий (0,02-0,05%) и молибден (0,02-0,04%) повышают твердость, предел коррозионной усталости в газовых средах, предел выносливости и износостойкость чугуна в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома, ванадия и молибдена соответственно более 0,06%, 0,05% и 0,04% повышается содержание в структуре цементита и карбидов, снижаются антифрикционные и упруго-пластические свойства. При их концентрации менее нижних пределов прочность, предел коррозионной усталости в газовых средах, твердость, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются.
Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального лома 1А, чугунного лома 17А, никеля Н3, меди М2, ферромарганца ФМн 78, феррованадия ФВд50У0,5, ферромолибдена, ферроциркония, ферротитана и других ферросплавов. Микролегирование никелем, медью, ферроцирконием, ферромарганцем, ферробором и ферротитаном производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в ковше с использованием никель-магниевой лигатуры, силикокальция, силикобария и ферроцерия. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.
Определение прочностных свойств проводят по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм с расчетной длиной 70 мм, трещиностойкость - на звездообразных технологических пробах диаметром 250 мм и высотой 140 мм, а предел коррозионной усталости в газовых средах - на стандартных образцах при испытании на базе 10 циклов. Термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Металлографические исследования и анализ структурных составляющих проводят в соответствии с ГОСТ 3443-87. В табл. 2 приведены механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства высокопрочных легированных чугунов опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах.
Как видно из табл. 2, предложенный чугун имеет более высокие характеристики предела коррозионной усталости в газовых средах, предельного режима работы при трении, износостойкости и антифрикционных свойств, чем прототип.