Высокопрочный легированный антифрикционный чугун

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ ВЫСОКОПРОЧНЫЙ ЛЕГИРОВАННЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Карпенко Михаил Иванович Марукович Евгений Игнатьевич Карпенко Валерий Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Высокопрочный легированный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит титан, алюминий и барий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,7-3,8 кремний 1,9-2,4 марганец 0,4-0,7 никель 1,2-2,6 молибден 0,3-0,7 медь 1,6-2,5 хром 0,02-0,06 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 титан 0,03-0,55 алюминий 0,02-0,12 барий 0,002-0,01 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным легированным конструкционным чугунам для литых деталей с повышенными антифрикционными и другими специальными свойствами, подвергаемых термической обработке и работающих при трении и в сложнонапряженных условиях. Известен высокопрочный легированный антифрикционный чугун АЧВ-1 1. Этот чугун имеет в отливках недостаточные характеристики предела коррозионной усталости(230-260 МПа), ударной вязкости и предела текучести. После рекомендуемого режима термической обработки, включающей операции закалки и отпуска, литые детали не обеспечивают длительной эксплуатационной стойкости в сложнонапряженных условиях. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения составляет 12-20 МПам/с. Известен также высокопрочный легированный чугун для отливок со специальными свойствами ЧНДХМШ 2. Этот легированный чугун с шаровидным графитом имеет высокие характеристики прочности (не менее 600 МПа), предела коррозионной усталости(250-275 МПа) и твердости (270-320 НВ), однако низкие антифрикционные и упругопластические свойства даже после оптимального рекомендуемого режима термической обработки, включающего отжиг и высокий отпуск в течение 12 ч. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный легированный чугун для износостойких литых деталей 3 следующего химического состава, мас.углерод 2,2-2,4 кремний 1,0-1,8 марганец 0,1-0,3 никель 3,0-3,5 молибден 0,3-0,5 хром 0,1-0,3 медь 1,6-2,5 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 железо остальное. Известный чугун имеет преимущественно крупнозернистую аустенитную металлическую основу и требует проведения длительной изотермической обработки для повышения предела текучести и ударной вязкости, антифрикционных и эксплуатационных свойств. Механические и эксплуатационные свойства известного высоколегированного чугуна временное сопротивление, МПа 690-735 предел текучести, МПа 210-250 2 ударная вязкость, Дж/см 17-32 коэффициент трения 0,47-0,55 предел коррозионной усталости, МПа 285-291 износостойкость при сухом трении, мкм/км 0,38-0,45 15-22. предельный режим работы при трении, МПам/с Низкое содержание графитизирующих компонентов (углерода и кремния) и высокая концентрация хрома и никеля в чугуне снижают упругопластические свойства и требуют для повышения антифрикционных свойств трещиностойкости достаточно длительной выдержки при термообработке отливок. Недостатком известного чугуна являются низкие характеристики предела коррозионной усталости, антифрикционных и упругопластических свойств. Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение предела коррозионной усталости, антифрикционных и упругопластических свойств высокопрочного чугуна. Поставленная задача решается тем, что высокопрочный легированный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий и железо, дополнительно содержит титан, алюминий и барий при следующем соотношении компонентов, мас.2 11084 1 2008.08.30 углерод 2,7-3,8 кремний 1,9-2,4 марганец 0,4-0,7 никель 1,2-2,6 молибден 0,3-0,7 медь 1,6-2,5 хром 0,02-0,06 магний 0,03-0,05 церий 0,01-0,02 титан 0,03-0,55 алюминий 0,02-0,12 барий 0,002-0,01 железо остальное. Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов титана и алюминия и дополнительное микролегирование его барием, что существенно повышает упругопластические свойства и предел коррозионной усталости. Проведенный анализ предложенного технического решения и уровня техники показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Титан введен как графитизирующая и микролегирующая добавка, повышающая дисперсность структуры в отливках, предел коррозионной усталости, обеспечивающая снижение коэффициента трения и сокращение продолжительности цикла термообработки. При содержании его менее 0,03 графитизирующий и микролегирующий эффекты недостаточны, а при содержании более 0,55 снижаются упругопластические свойства и трещиностойкость. Дополнительное введение алюминия обусловлено тем, что он является эффективной раскисляющей и микролегирующей добавкой, уменьшающей содержание неметаллических включений в отливках и повышающей однородность и дисперсность структуры, предел коррозионной усталости, антифрикционные и упругопластические свойства чугуна. При содержании алюминия до 0,02 износостойкость, предел коррозионной усталости и антифрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 0,12 увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики пластических свойств, коррозионной стойкости и износостойкости. Дополнительное введение бария в концентрации 0,002-0,01 обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры металлической основы, который очищает границы зерен, существенно повышает антифрикционные и упругопластические свойства. При концентрации бария менее 0,002 модифицирующий эффект, упругопластические и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания бария более 0,01 увеличивается угар, снижаются однородность структуры, износостойкость и предел коррозионной усталости чугуна. Повышенное содержание углерода (2,7-3,8 ) и кремния (1,9-2,4 ) принято исходя из опыта производства высокопрочных антифрикционных чугунов для отливок преимущественно с мелкозернистой аустенитной структурой в литом состоянии и бейнитнойпосле термической обработки, с высокими характеристиками механических свойств в условиях трения. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,8 и 2,4 в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, предела коррозионной усталости, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 2,7 и 1,9 повышаются остаточные термические напряжения в отливках и содержание цементита в структуре, что снижает предел текучести, вязкость, трещиностойкость и удароустойчивость. 3 11084 1 2008.08.30 Содержание магния (0,03-0,05 ) и церия (0,01-0,02 ), являющихся основными сфероидизирующими графит модифицирующими добавками, соответствует общепринятым нормам при производстве высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, принято без изменения. Медь, марганец, никель, молибден и хром являются основными легирующими компонентами высокопрочных чугунов, обеспечивающими высокие характеристики предела коррозионной усталости и износостойкости, но оказывающими неоднозначное влияние на упругопластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства. Медь в количестве от 1,6 до 2,5 обеспечивает существенное повышение износостойкости и предела коррозионной усталости и повышенные антифрикционные и упругопластические свойства, поэтому ее содержание в чугуне не изменилось. Содержание никеля в чугуне снижено до концентрации 1,2-2,6 , так как при более высоком содержании он снижает антифрикционные и эксплуатационные свойства, увеличивая неоднородность структуры, склонность к трещинам и коэффициент трения. При концентрации никеля менее 1,2 дисперсность структуры, предел коррозионной усталости, упругопластические и эксплуатационные свойства недостаточны. Хром в количестве от 0,02 до 0,06 повышает твердость, коррозионную стойкость и износостойкость чугуна в отливках. При увеличении концентрации хрома более 0,06 повышается содержание в структуре цементита и карбидов, что удлиняет продолжительность режима термообработки (процессов аустенизации и бейнитного превращения) и снижает упругопластические свойства. При концентрации хрома менее 0,02 твердость,износостойкость, предел коррозионной усталости и прокаливаемость существенно снижаются. Молибден введен в количестве 0,3-0,7 . Повышение содержания молибдена в чугуне на верхнем пределе до 0,7 связано с существенным влиянием его на коэффициент трения, антифрикционные, упругопластические и эксплуатационные свойства чугуна в отливках. При увеличении содержания молибдена более 0,7 увеличивается неоднородность структуры, снижаются характеристики предела коррозионной усталости, пластических свойств и удароустойчивости. При концентрации молибдена менее 0,3 его легирующее воздействие на структуру недостаточно, а прокаливаемость, механические и эксплуатационные свойства чугуна недостаточны. Повышение концентрации марганца до 0,4-0,7 обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышением технологических, механических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,7 увеличиваются остаточные напряжения и сглаживается предел коррозионной усталости, а при снижении концентрации марганца менее 0,4 повышается содержание в структуре феррита и снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна. Пример конкретной реализации. Опытные плавки чугунов проводили в индукционных тигельных печах с использованием чушковых чугунов, стального лома, алюминия А 91, ферромарганца, ферромолибдена, ферротитана и других ферросплавов. Микролегирование никелем, ферромарганцем,алюминием и ферротитаном производили после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в ковше с использованием никель-магниевой лигатуры, силикобария и ферросилиция. Для определения свойств чугуна заливали решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы. После изотермической обработки отливок, образцов и технологических проб определяли механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства чугуна. Ударную вязкость определяли на образцах 101055 мм с надрезом 0,2 мм, трещиностойкость на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм, а предел коррозион 4 11084 1 2008.08.30 ной усталости - на стандартных образцах при испытании на базе 107 циклов. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 - их механические и эксплуатационные свойства. Как видно из табл. 2, предложенный чугун имеет более высокие характеристики предела коррозионной усталости, антифрикционных и упругопластических свойств, чем известный. Таблица 1 Компоненты Углерод Кремний Марганец Никель Молибден Хром Медь Магний Церий Титан Барий Алюминий Свойства чугунов Временное сопротивление, МПа Предел текучести, МПа Ударная вязкость, Дж/см 2 Скорость износа при сухом трении,мкм/км Предел коррозионной усталости, МПа Предельный режим работы при трении, МПам/с Коэффициент трения Склонность к трещинообразованию Показатели для составов чугуна 1 (изв.) 2 3 4 5 730 735 750 761 775 245 251 330 367 375 30 32 36 48 45 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5