Серый фрикционный чугун

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марукович Евгений Игнатьевич Карпенко Михаил Иванович Бадюков Михаил Сергеевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, алюминий, серу, азот и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит хром при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,8-3,6 кремний 1,9-2,4 марганец 0,5-0,9 фосфор 0,05-0,50 алюминий 0,01-0,03 сера 0,02-0,10 азот 0,005-0,020 хром 0,02-0,10 железо остальное. Изобретение относится к черной металлургии, в частности к серым фрикционным чугунам, используемым для изготовления литых деталей механизмов трения. Известен серый фрикционный чугун 1, содержащий, мас.углерод 2,8-3,2 кремний 1,2-1,7 марганец до 0,1 фосфор 0,2-0,6 хром 0,2-0,6 сера до 1,0 железо остальное. Литые изделия из этого чугуна имеют низкий коэффициент трения и недостаточные характеристики механических и эксплуатационных свойств. 13459 1 2010.08.30 Известен также серый фрикционный чугун 2 следующего химического состава,мас.углерод 3,33 кремний 2,47 марганец 0,24 фосфор 0,12 сера 0,02 азот 0,005 железо остальное. Твердость чугуна 218-228 НВ, предел прочности при изгибе 400-410 МПа. Чугун имеет повышенный износ при сухом трении (25-30 мг/гс) и низкий коэффициент трения (0,470,5). Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является серый фрикционный чугун 3, содержащий, мас.углерод 2,9-3,5 кремний 1,3-2,0 марганец 0,3-0,8 фосфор 1,0-1,5 сера 0,02-0,15 азот 0,002-0,01 алюминий 0,002-0,01 железо остальное. Этот чугун обладает следующими технологическими и фрикционными свойствами предел прочности при изгибе, МПа 445-490 средний износ при сухом трении, мг/гс 12-20 коэффициент трения 0,61-0,65 фрикционная теплостойкость,118-125 ударная вязкость, Дж/см 15-19. При изготовлении литых деталей тормозных устройств отмечается повышенная склонность к трещинообразованию, что связано с высоким содержанием фосфора. Недостатком известного чугуна являются высокие остаточные термические напряжения в литых изделиях (5,8-7,2 МПа). Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является снижение остаточных термических напряжений и повышение механических свойств и трещиностойкости. Поставленная задача решается тем, что серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, алюминий, серу, азот и железо, дополнительно содержит хром при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,8-3,6 кремний 1,9-2,4 марганец 0,5-0,9 фосфор 0,05-0,50 алюминий 0,01-0,03 сера 0,02-0,10 азот 0,005-0,020 хром 0,02-0,10 железо остальное. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. 2 13459 1 2010.08.30 Дополнительное введение хрома связано с существенным влиянием его на измельчение структуры и повышением механических и эксплуатационных свойств. При увеличении содержания хрома более 0,10 в структуре появляются карбиды,снижающие трещиностойкость, ударную вязкость и другие механические свойства. При его концентрации до 0,02 снижается износостойкость, прочность и другие механические свойства. В составе чугуна снижено содержание фосфора до 0,05-0,50 , так как при более высоких его концентрациях увеличивается содержание в структуре фосфидной эвтектики,снижающей трещиностойкость и ударно-пластические свойства. При содержании фосфора до 0,05 отмечаются низкий коэффициент трения и недостаточная износостойкость. Марганец при содержании от 0,5 до 0,9 повышает дисперсность структуры и упруго-пластические свойства чугуна. При увеличении концентрации марганца более 0,9 усиливается его карбидообразующее влияние на структуру и повышаются остаточные термические напряжения в литых изделиях. При концентрации марганца до 0,5 снижаются дисперсность и однородность структуры, ударная вязкость и другие характеристики упруго-пластических свойств чугуна. Кремний в количестве 1,9-2,4 стабилизирует коэффициент трения и упругопластические свойства чугуна, снижает отбел в отливках. При его концентрации более 2,4 снижаются механические свойства, а при содержании до 1,9 повышается склонность к трещинообразованию. Углерод (2,8-3,6 ) и алюминий (0,01-0,03 ) являются графитизирующими элементами, снижающими термические напряжения в отливках и повышающими трещиностойкость. Их содержание принято с учетом использования на практике производства фрикционных чугунов. Сера и азот при концентрации более 0,10 и 0,020 соответственно снижают трещиностойкость, фрикционные и механические свойства и повышают остаточные термические напряжения в отливках, что снижает эксплуатационные свойства. Нижние пределы концентрации серы (0,02 ) и азота (0,005 ) обусловлены отсутствием шихтовых материалов с низкой их концентрацией, необходимостью усложнения процесса плавки и внепечной обработки. При этом при концентрации серы менее 0,02 ее поверхностная активность в сплаве низкая и характеристики твердости, износостойкости и эксплуатационной стойкости литых фрикционных изделий недостаточны. Опытные плавки серых чугунов проведены в вагранках производительностью 5 т/ч с четырехтонным копильником без подогрева с использованием в качестве шихтовых металлических материалов чушковых литейных и передельных чугунов, чугунного лома,возврата собственного производства, феррохрома и других ферросплавов. Микролегирование алюминием жидкого чугуна проводили с использованием экзотермических таблеток непосредственно в литейном ковше при температуре 1300-1270 С. Заливку расплавленного металла производили в песчано-глинистые формы для получения тормозных вагонных колодок, фрикционных накладок, ступенчатых и решетчатых технологических проб и цилиндрических образцов для механических испытаний диаметром 30 мм. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок. Таблица 1 Наименование Содержание компонентов в серых чугунах, мас.компонентов 1 (изв.) 2 3 4 5 6 Углерод 3,1 2,7 2,8 3,1 3,6 3,8 Кремний 1,6 1,8 1,9 2,2 2,4 2,6 Марганец 0,62 0,4 0,5 0,7 0,9 1,2 Фосфор 1,34 0,02 0,05 0,32 0,50 0,6 Алюминий 0,01 0,005 0,01 0,02 0,03 0,05 Сера 0,12 0,018 0,02 0,05 0,10 0,16 3 13459 1 2010.08.30 Продолжение таблицы 1 Наименование Содержание компонентов в серых чугунах, мас.компонентов 1 (изв.) 2 3 4 5 6 Азот 0,01 0,003 0,005 0,01 0,020 0,03 Хром 0,01 0,02 0,06 0,10 0,12 Железо остальное остальное остальное остальное остальное остальное Ударную вязкость определяли на образцах 101055 мм без надреза, а прочностные свойства - на стандартных образцах в соответствии с ГОСТ 1497-84. Средний износ получен при испытании в условиях ударно-абразивного изнашивания в соответствии с требованиями ГОСТ 23.207-79. Склонность к трещинообразованию определяли на звездообразных пробах высотой 140 мм. Металлографические исследования микроструктуры проводили на микроскопе МИМ-7 с соответствующей обработкой результатов в соответствии с ГОСТ 3443-87. В табл. 2 приведены результаты исследования микроструктуры чугунов известного и предложенного составов, остаточные термические напряжения и их механические свойства в отливках. Таблица 2 Характеристика микроструктуры чугуна в обПредел Средний разцах диаметром 30 мм Ударная Термические Трещипрочности Коэффициент износ,по ГОСТ 3443-87 Чугун вязкость,напряжения,ностойпри изгитрения Иср,Дж/см 3 дисперсность графит и МПа кость бе, МПа Мг/гс матрицы фосфидная(перлита) эвтектика 1 ПГд 90 480 18,5 ПД 1,0 0,61-0,62 5,9-6,5 15,1 7,5 изв. ФЭд 250 ПГд 90 2 492 20,7 ПД 1,0 0,60-0,61 6,1-6,7 13,5 6,8 ФЭд 1000 ПГд 45 3 510 24,0 ПД 0,5 0,63-0,65 5,2-5,5 11,0 5,5 ФЭд 650 ПГд 25 ПД 0,34 535 27,5 ПГд 45 0,65-0,66 4,3-4,7 9,6 5,1 ПД 0,5 ФЭд 650 ПД 0,5 ПГд 45 5 528 25,9 0,66-0,68 4,5-5,0 8,5 4,8 ПД 1,0 ФЭд 400 ПГд 90 6 496 23,7 ПД 1,4 0,65-0,66 5,7-6,2 13,1 5,6 ФЭд 1000 Как видно из табл. 2, предложенный чугун имеет в отливках более дисперсную микроструктуру, низкие остаточные термические напряжения и более высокие упругопластические свойства, коэффициент трения и трещиностойкость. Источники информации 1. Патент Японии 55-5575, МПК С 22 С 37/06, 1980. 2. Марукович Е.И., Карпенко М.И. Износостойкие сплавы. - М. Машиностроение,2005. - С. 231. 3. Патент 2326178 С 1, МПК С 22 С 37/10, 2006. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4