антифрикционный чугун

Формула изобретения

Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, молибден, магний, кальций, алюминий, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит олово и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,32-4,04
Кремний	3,72-5,39
Марганец	0,18-0,51
Молибден	0,15-0,43
Олово	0,03-0,12
Барий	0,02-0,08
Магний	0,015-0,05
Кальций	0,005-0,02
Алюминий	До 0,01
РЗМ	0,01-0,06
Железо	Остальное

причем параметры содержания компонентов удовлетворяют следующим соотношениям, мас.%:

П₁=Si+Al+10Sn = 4,93÷5,70,

П₂=Mg+Ba+Ca+РЗМ = 0,107÷0,180.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам с шаровидным графитом, используемым в узлах трения. Известен чугун [1], содержащий, мас.%:

Углерод	2,89-3,80	Барий	0,06-0,17
Кремний	2,23-3,15	Магний	0,02-0,05
Марганец	0,26-0,73	Кальций	0,006-0,02
Медь	0,69-2,64	РЗМ	0,01-0,06
Хром	0,01-0,08	Железо	остальное
Олово	0,04-0,10

Этот чугун обладает стабильной перлитной структурой при повышенной прочности и износостойкости.

Недостатками чугуна являются затрудненная прирабатываемость и повышенный износ сопряженной детали.

Наиболее близким к предлагаемому является чугун [2], содержащий, мас.%:

Углерод	2,8-4,2	Кальций	0,005-0,02
Кремний	3,6-5,8	Магний	0,01-0,05
Марганец	0,3-0,8	Алюминий	0,05-0,7
Молибден	0,05-0,2	РЗМ	0,01-0,08
Медь	0,6-1,8	Железо	остальное
Хром	0,05-0,3

Чугун обладает высокой прочностью и износостойкостью. За счет молибдена уменьшена склонность чугуна к ферритной хрупкости.

К недостаткам чугуна относятся сравнительно высокие значения коэффициента трения и твердости чугуна, вызывающие повышенный износ сопряженной детали.

Задача изобретения - создание в чугуне особой структуры, состоящей из двухфазного (гетерогенизированного) феррита и шаровидного графита.

Технический результат - снижение значений коэффициента трения, твердости чугуна и износа сопряженной детали при сохранении высокой износостойкости и повышенной прочности чугуна.

Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, молибден, магний, кальций, редкоземельные металлы (РЗМ) и железо, дополнительно содержит олово и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,32-4,04	Барий	0,02-0,08
Кремний	3,72-5,29	Магний	0,015-0,05
Марганец	0,18-0,51	Кальций	0,005-0,02
Молибден	0,15-0,43	РЗМ	0,01-0,06
Олово	0,03-0,12	Железо	остальное

причем параметры содержания компонентов удовлетворяют следующим соотношениям, мас.%:

П₁=Si+Al+5Sn = 4,93-5,70,

П₂=Mg+Ba+Ca+РЗМ = 0,107-0,180.

В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,03 мас.%), фосфор (до 0,05 мас.%) и алюминий (до 0,01 мас.%).

Суть изобретения обеспечивается созданием в чугуне особой структуры, состоящей из двухфазного (гетерогенизированного) феррита и шаровидного графита. Гетерогенизация феррита происходит за счет наличия в составе чугуна необходимого содержания кремния и олова, а сфероидизация графита - достаточным количеством элементов комплексного модификатора (магния, бария, кальция и РЗМ).

Состав чугуна выбран исходя из следующих соображений.

Содержание кремния принято в интервале от 3,72 до 5,29 мас.%, что объясняется тем, что кремний должен обеспечить гетерогенизацию феррита (т.е. расслоение феррита на две фазы - углеродистый и кремнистый феррит). В свою очередь, гетерогенизированный феррит обеспечивает низкий коэффициент трения и повышенную износостойкость чугуна. При содержании кремния менее 3,72 мас.% этот эффект недостаточно стабилен. Если содержание кремния превышает 5,29 мас.%, то в структуре чугуна появляется слишком большое количество кремнистого феррита (силикоферрита), что приводит к охрупчиванию чугуна, повышению его твердости и снижению износостойкости.

Марганец относится к элементам-перлитизаторам. Способствуя образованию перлита в структуре, он повышает твердость чугуна и затрудняет решение поставленных задач, что особенно проявляется при его содержании более 0,51%. Минимальное количество марганца в чугуне, составляющее 0,18%, соответствует его содержанию в качестве технической примеси и практически не может быть уменьшено при использовании обычных шихтовых материалов.

Молибден в составе данного чугуна используется для устранения или уменьшения ферритной хрупкости, что особенно важно при структуре с гетерогенизированным ферритом. При содержании менее 0,15 мас.% молибдена эта его роль практически не проявляется, а при содержании более 0,43 мас.% происходит существенное удорожание чугуна, появляются в структуре дополнительные составляющие, повышающие его твердость.

Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна в литом состоянии. При содержании углерода менее 3,32 мас.% уменьшается степень ферритизации структуры, становится возможным образование перлита и повышение твердости. Если в чугуне содержится более 4,04 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.

Параметр П₂, характеризующий суммарное содержание в чугуне элементов комплексного модификатора, должен быть не менее 0,107%. В противном случае степень сфероидизации графита оказывается недостаточной.

При П₂>0,180% повышенный расход модификатора, удорожая чугун, не приводит к повышению его свойств, наоборот, при этом возможно даже перемодифицирование чугуна с ухудшением формы графитных включений.

Содержание магния рекомендуется в пределах 0,01-0,05 мас.%. Если остаточное содержание магния менее 0,01 мас.%, то результаты модифицирования нестабильны. Увеличение содержания магния более 0,05 мас.% нецелесообразно, так как это не повышает свойства чугуна.

Кальций играет роль десульфуратора и раскислителя, существенно уменьшая расход магния и РЗМ. В оптимальных количествах кальций способствует графитизации чугуна и уменьшает тем самым коэффициент трения. Содержание менее 0,005 мас.% кальция соответствует чугуну, не модифицированному кальцием. Слишком большой расход кальция, соответствующий остаточному содержанию более 0,02 мас.%, увеличивает количество неметаллических включений, ухудшает усвоение модификатора и снижает свойства чугуна.

РЗМ вводятся с целью нейтрализации элементов, оказывающих на графит десфероидизирующее действие (например, олово, алюминий). При содержании менее 0,01 мас.% РЗМ полная сфероидизация графита не обеспечивается. Повышение содержания РЗМ более 0,06 мас.% нецелесообразно, так как не оказывает положительного эффекта, но удорожает чугун.

Дополнительно в состав чугуна введены барий и олово. Барий вводится в виде силикобария в составе комплексного модификатора. Совместно с другими компонентами комплексного модификатора он обеспечивает глубокое рафинирование чугуна, полное устранение отбела и ферритизацию структуры чугуна даже в тонкостенных отливках. Для этого достаточно содержание бария в заявляемых пределах. При остаточном содержании бария более 0,08% его модифицирующий эффект не усиливается, но стоимость чугуна возрастает. При содержании бария менее 0,02% его влияние проявляется незначительно.

Олово введено в состав чугуна в пределах от 0,03 до 0,12%. В таком количестве олово усиливает гетерогенизацию феррита, заключающуюся в его спинодальном расслоении на углеродистый и кремнисто-оловянистый феррит. В этом отношении эффективность действия олова на порядок выше, чем у кремния. Однако при содержании в чугуне менее 0,03% олова его влияние незначительно, а увеличение его содержания сверх 0,12% заметно удорожает чугун, не влияя практически на его структуру и свойства.

Учитывая различие в эффективности влияния олова и кремния, а также влияние алюминия на ферритизацию структуры чугуна, введен параметр П₁ = Si+Al + 10Sn, мас.%. Значения П₁ в интервале от 4,93 до 5,70% обеспечивают эффекты ферритизации структуры чугуна и гетерогенизации феррита. При П₁<4,93% эти эффекты проявляются недостаточно, что выражается как в появлении участков перлита в структуре чугуна, так и в недостаточной степени расслоения феррита. При П₁ >5,70% углеродистый феррит почти полностью исчезает из структуры, заменяясь кремнисто-оловянистым ферритом, что приводит к повышению хрупкости чугуна и ухудшению его триботехнических свойств.

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. 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 HRC_Э 45. Испытания проводили при скорости скольжения 3,27 см/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.

Чугун предлагаемого состава (сплавы 1-4) отличается от прототипа более низкими значениями твердости и коэффициента трения, обеспечивая при этом меньший износ сопряженной детали (стального контртела). Чугун обладает достаточно высокими прочностными свойствами, а по износостойкости не уступает прототипу.

При выходе за рекомендуемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 5 и 6) существенно ухудшаются его свойства (снижаются износостойкость и прочность, повышается коэффициент трения, увеличивается износ контртела).

Источники информации

1. Патент РФ №2212467, кл. С 22 С 37/10.

2. Авт. св. СССР №1752819, кл. С 22 С 37/10.

Таблица 1
Сплав		Содержание элементов, мас.%													Параметры, мас.%
		С	Si		Mn	Мо	Sn		Ва	Mg		Са	РЗМ		П 1	П2
1		3,32	5,39		0,27	0,35	0,03		0,02	0,015		0,012	0,06		5,70	0,107
2		3,49	4,67		0,18	0,40	0,07		0,08	0,050		0,020	0,03		5,38	0,180
3		3,60	4,13		0,51	0,43	0,08		0,05	0,042		0,005	0,01		4,94	0,107
4		4,04	3,72		0,34	0,15	0,12		0,06	0,038		0,008	0,04		4,93	0,146
5		3,20	6,74		0,18	0,08	0,01		0,09	0,006		0,002	0,005		6,85	0,103
6		4,11	3,03		0,85	0,69	0,14		0,01	0,08		0,025	0,09		4,44	0,205
Известный*		3,91	3,60		0,62	0,11	-		-	0,05		0,016	0,04		4,30	0,106
* Содержится также 0,20% Cr, 0,89% Cu и 0,70% Al.
Таблица 2
Сплав	Средние значения свойств
	Твердость НВ			Предел прочности В, МПа				Износ образца, мг			Износ контртела, мг			Коэффициент трения
1	235			560				4,5			2,8			0,40
2	212			570				4,5			2,4			0,38
3	187			630				4,9			2,5			0,37
4	179			630				4,4			2,3			0,40
5	321			240				5,2			3,8			0,52
6	241			360				4,8			3,0			0,48
Известный	248			650				4,6			3,4			0,50