износостойкий чугун

Формула изобретения

Износостойкий чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром, бор, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод	3,3-3,7
кремний	2,1-2,8
марганец	7,0-10,0
хром	0,3-0,8
медь	0,25-0,4
молибден	0,5-0,75
бор	0,03-0,07
фосфор	0,45-0,65
кальций	0,007-0,03
железо	остальное

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к износостойким чугунам для работы в условиях чисто сухого трения.

Известен износостойкий чугун [А.с. СССР №986955, С22С 37/08, 07.01.83, Бюл. №1], содержащий, мас.%:

Углерод	2,5-3,5
Кремний	1,5-2,2
Марганец	1,0-1,5
Хром	0,05-0,4
Никель	0,01-0,5
Титан	0,01-0,5
Ванадий	0,1-0,7
Бор	0,01-0,15
Медь	0,1-0,3
Железо	Остальное

Недостатком известного чугуна является относительно низкая износостойкость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является чугун [А.с. СССР №456035, С22С 37/00, 05.01.75, Бюл. №1], содержащий, мас.%:

Углерод	3,0-4,0
Кремний	3,0-4,0
Марганец	9,0-11,0
Медь	0,3-0,4
Алюминий	0,15-0,25
Молибден	0,5-1,0
Никель	0,3-0,4
Железо	Остальное

Недостатком прототипа являются сравнительно невысокая износостойкость в условиях сухого трения. Наличие в составе этого чугуна алюминия и никеля способствует стабилизации аустенитной структуры, что препятствует аустенитно-мартенситному превращению.

Изобретение решает задачу повышения износостойкости чугуна при сухом трении и снижения износа сопряженной детали путем создания метастабильной аустенитной структуры, в которой в процессе трения протекают фазовые превращения аустенита в более износостойкую фазу - мартенсит.

Поставленная цель достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, молибден, и железо, согласно изобретению дополнительно содержит хром, бор, фосфор и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	3,3-3,7
Кремний	2,1-2,8
Марганец	7,0-10,0
Хром	0,3-0,8
Медь	0,25-0,4
Молибден	0,5-0,75
Бор	0,03-0,07
Фосфор	0,45-0,65
Кальций	0,007-0,03
Железо	Остальное

Предлагаемый чугун в литом и термообработанном состоянии имеет преимущественно аустенитную металлическую основу и карбиды. Повышение износостойкости в условиях чисто сухого трения достигается в результате перехода метастабильного аустенита в более износостойкий мартенсит под воздействием рабочих нагрузок. Кроме того, карбиды, обладающие высокой износостойкостью, равномерно располагаются в относительно пластичной аустенитной матрице, образуя своеобразные опорные поверхности, предотвращающие заедание пар трения.

Содержание компонентов в чугуне в указанных пределах обеспечивает необходимый уровень механических свойств чугуна и высокую износостойкость.

При содержании углерода менее 3,3% износостойкость чугуна снижается в связи с уменьшением количества карбидной фазы, при содержании углерода, превышающем 3,7%, в структуре образуется значительное количество свободного графита, что обуславливает снижение прочности и износостойкости чугуна.

Кремний в указанных пределах способствует выделению необходимого количества графита и улучшению механических и технологических свойств чугуна. Содержание кремния более 3,2% сопровождается образованием значительного количества графита, что уменьшает прочностные свойства чугуна.

Марганец значительно понижает эвтектоидное превращение железоуглеродистых сплавов и способствует аустенизации чугунов. При содержании марганца менее 7,0% в структуре металлической основы преобладает мартенсит, что снижает износостойкость. При концентрации марганца 7-10% структура состоит преимущесгвенно из аустенита и карбидов.

Присутствие хрома обусловлено необходимостью получения в структуре чугуна карбидов хрома, обладающих высокой микротвердостью и износостойкостью. Содержание хрома в указанных пределах обеспечивает оптимальное количество карбидной фазы.

Медь способствует аустенизации и повышает жидкотекучесть чугуна, выравнивает твердость чугуна и одновременно немного ее повышает. Она способствует снижению спада твердости (износостойкости) по глубине рабочего слоя. Такое влияние меди проявляется при повышении ее содержания от 0,25%.

Ведение в состав чугуна молибдена обеспечивает повышение прочности металлической матрицы, увеличение износостойкости, способствует измельчению структуры металлической основы, увеличивает коррозионную стойкость. Благоприятное влияние молибдена на микроструктуру и свойства чугуна начинает проявляться при его содержании в чугуне больше 0,5%. При увеличении содержания молибдена больше 0,75% его влияние на свойства чугуна снижается.

Повышенное содержания фосфора увеличивает сопротивление износу вследствие образования износостойкой фосфидной эвтектики. Однако при значительной концентрации фосфора, свыше 0,85%, чугун становится чрезвычайно хрупким.

Введение в состав чугуна бора в количестве 0,03-0,07% обусловлено его высокой химической активностью и способностью очищать границы зерен в структуре чугуна, упрочнять его, повышая ударную вязкость и эксплуатационную долговечность. При концентрации бора до 0,03% его влияние как поверхностно-активного модификатора проявляется слабо, и стабильность механических свойств и износа недостаточна. При увеличении концентрации бора свыше 0,07% снижается однородность структуры чугуна, отмечается выделение боридов по границам зерен, что снижает стабильность износа и эксплуатационных свойств.

Кальций вводится для уменьшения концентрации вредных примесей по границам зерен, улучшения механических и литейных свойств, а также способствует образованию глобулярной формы графита. Введение кальция в количествах меньших 0,007% заметного эффекта не дает, а добавка его более 0,03% вызывает удорожание чугуна, без заметного роста свойств.

Химический состав и свойства чугунов приведены в таблице.

Таким образом, заявляемая совокупность и концентрации легирующих элементов позволяют повысить износостойкость чугуна при чисто сухом трении и обеспечить спад твердости по глубине рабочего слоя.

Плавку исследуемых чугунов проводят в индукционных печах с основной футеровкой тигля. В качестве шихтовых материалов используют литейный и передельный чугуны, ферросплавы молибдена, хрома, марганца, бора, фосфора, катодную медь, силикокальций. Металл нагревают до 1420-1450°С, а разливка производится при температуре 1380-1400°С в просушенные и прогретые песчано-глиняные формы.

В таблице представлены результаты механических свойств чугунов. При испытаниях на износостойкость в качестве эталона был принят серый чугун СЧ 18.

Эффективность заявляемого технического решения заключается в экономии металла и снижения эксплуатационных затрат за счет увеличения долговечности деталей, изготовленных их предложенного чугуна.

Таблица
№ плавки	Содержание элементов *, мас.%											Твердость, НВ	Предел прочности при растяж., МПа	Относ. износостойкость, Е
	С	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	Al	Мо	В	Р	Са
1	3,3	2,1	7,0	0,3	-	0,25	-	0,5	0,03	0,45	0,007	330	355-462	117
2	3,5	2,5	8,7	0,7	-	0,3	-	0,65	0,05	0,55	0,01	375	381-390	120
3 (оптим.)	3,7	2,8	10,0	0,8	-	0,4	-	0,75	0,07	0,65	0,03	390	370-385	133
По составу прототипа	3,51	2,7	9,5	-	0,35	0,35	0,2	0,8	-	-	-	270	348-361	115
*Примечание. Остальное железо и примеси.