Серый фрикционный чугун

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Карпенко Михаил Иванович Марукович Евгений Игнатьевич Бадюкова Ульяна Сергеевна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу,азот и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит хром, никель и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,8-3,5 кремний 1,3-2,0 марганец 0,3-0,8 фосфор 1,0-1,5 сера 0,02-0,15 азот 0,002-0,010 хром 0,06-0,18 никель 0,05-0,12 алюминий 0,002-0,010 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым высокофосфористым чугунам для литых фрикционных изделий с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами и низкими остаточными термическими напряжениями. Известен высокофосфористый фрикционный чугун 1, содержащий, мас. 11091 1 2008.08.30 углерод 2,8-3,2 кремний 1,2-1,7 марганец до 1,0 фосфор 0,2-0,6 хром 0,2-0,6 сера до 1,0 железо остальное. Литые изделия из этого чугуна имеют крупнозернистую структуру и высокие остаточные термические напряжения и требуют дополнительной термообработки. Низкие характеристики удароустойчивости и коэффициента трения не обеспечивает фрикционным изделиям высоких эксплуатационных свойств. Известен также серый фрикционный чугун 2, содержащий, масуглерод 2,8-4,2 кремний 2,8-3,8 марганец 0,1-1,0 сурьма 0,07-1,0 фосфор 0,001-0,3 сера 0,001-0,1 железо остальное. Твердость чугуна составляет 170-220 НВ. Высокие концентрации кремния и углерода в известном чугуне способствуют образованию в отливках крупнозернистой ферритноперлитной матрицы и снижают предел прочности при изгибе, коэффициент трения, другие механические и эксплуатационные свойства фрикционных литых изделий. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является серый фрикционный чугун 3 следующего химического состава, мас.углерод 3,33 кремний 2,47 марганец 0,24 фосфор 0,12 сера 0,02 азот 0,005 железо остальное. Этот чугун обеспечивает литым фрикционным изделиям преимущественно перлитную металлическую основу с содержанием перлита 80 и твердостью от 218 до 228 НВ. Предел прочности чугуна при изгибе составляет 400-410 МПа. Коэффициент трения чугуна 0,47-0,5. Фрикционные изделия из такого чугуна термической обработке не подвергают. Остаточные термические напряжения в отливках - 22-30 МПа. Отмечаются недостаточные характеристики дисперсности металлической основы(ПД 1,0-ПД 1,4 по ГОСТ 3443-87), износостойкости при ударно-абразивном трении (510550 мг/гс по ГОСТ 23.207-79) и ударно-усталостная долговечность чугуна в литых фрикционных изделиях, которая не превышает 7-8 тыс. циклов. Задача изобретения - повышение дисперсности структуры, механических и фрикционных свойств чугуна в литых изделиях. Поставленная задача решается тем, что серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, азот и железо, дополнительно содержит хром, никель и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 2,8-3,5 кремний 1,3-2,0 марганец 0,3-0,8 фосфор 1,0-1,5 сера 0,02-0,15 2 11091 1 2008.08.30 азот 0,002-0,010 хром 0,06-0,18 никель 0,05-0,12 алюминий 0,002-0,010 железо остальное. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод о том, что данные отличия являются существенными. Дополнительное введение в чугун хрома обусловлено существенным влиянием его на измельчение дисперсности структуры, повышение твердости, фрикционной теплостойкости и износостойкости. При увеличении содержания более 0,18 увеличивается неоднородность структуры и снижаются характеристики предела прочности при изгибе и удароустойчивости. При концентрации хрома менее 0,06 дисперсность структуры, твердость и эксплуатационные свойства недостаточны. Дополнительное введение алюминия в чугун оказывает модифицирующее влияние,связывает азот в нитриды, повышая дисперсность структуры, механические и эксплуатационные свойства. При увеличении содержания алюминия более 0,010 увеличивается угар, неоднородность структуры и снижаются фрикционные свойства и удароустойчивость. При концентрации алюминия менее 0,002 модифицирующий эффект, механические и эксплуатационные свойства снижаются. Дополнительное введение никеля обусловлено его перлитизирующим и микролегирующим воздействием на структуру чугуна в отливках, что ведет к повышению дисперсности структуры чугуна и его механических свойств. При концентрации никеля менее 0,05 перлитизирующее и микролегирующее влияние недостаточно, и механические свойства низкие. При концентрации никеля более 0,12 повышается неоднородность структуры и снижаются механические и эксплуатационные свойства чугуна. Содержание углерода и кремния принято, исходя из опыта производства фосфористых фрикционных чугунов для отливок с низкими остаточными термическими напряжениями,мелкозернистой перлитной структурой и высокими характеристиками износостойкости в условиях сухого трения и ударно-усталостной долговечности. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,5 и 2,0 в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, ударно-усталостной долговечности износостойкости и фрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 2,8 и 1,3 повышаются остаточные термические напряжения и содержание ледебурита в структуре, снижаются коэффициент трения и удароустойчивость. Увеличение содержания фосфора в чугуне до 1,0-1,5 обусловлено существенным его влиянием на повышение коэффициента трения, твердости и износостойкости чугуна. При содержании фосфора до 1,0 износостойкость, коэффициент трения и другие фрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 1,5 снижаются характеристики удароустойчивости, ударной вязкости и ударно-усталостной долговечности. Сера и азот при концентрации более 0,15 и 0,010 соответственно снижают механические, фрикционные и эксплуатационные свойства чугуна в литых изделиях. Нижние пределы концентрации серы и азота обусловлены невозможностью при плавке в существующих чугунолитейных цехах, производящих тормозные барабаны, накладки и другие фрикционные литые изделия, практически выплавлять чугун с более низким их содержанием. 3 11091 1 2008.08.30 Повышение концентрации марганца до 0,3- 0,8 обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышение механических и фрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,8 увеличиваются остаточные напряжения и отбел и снижается коэффициент трения, а при снижении концентрации марганца менее 0,3 повышается содержание в структуре феррита и снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна. Опытные плавки чугуна доэвтектического состава производили в тигельных индукционных печах с использованием в качестве шихтовых материалов передельных чугунов марок ПЛ 1 и ПЛ 2, литейных чугунов Л 3 и Л 5, чугунного лома марок 16 А и 17 А, стального лома группы 1 А, углеродистого азотированного феррохрома, никеля НП-3, ферромарганца ФМн 75 Н и доменного феррофосфора марок ФФ 16 и ФФ 18. При выпуске чугуна в ковш его температура составляла 1380-1410 С. Экзотермические таблетки на основе алюминия и измельченный ферросилиций вводили на дно ковша перед заливкой чугуна. Заливку модифицированного чугуна с температурой 1300-1340 С производили в литейные песчано-глинистые формы для получения технологических проб, образцов для механических и фрикционных испытаний, тормозных колодок, барабанов и накладок. В табл. 1 приведены химические составы известного и предложенного чугунов опытных плавок. Остаточные термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Механические (по ГОСТ 27208-87) и фрикционные испытания проведены на стандартных образцах в литом состоянии без термической обработки по общепринятым методикам. Результаты механических и фрикционных испытаний чугуна в отливках приведены в табл. 2. Исследования микроструктуры чугунов показали, что при использовании чугунов составов 3, 4 и 5 в стандартных 30 мм образцах и отливках тормозных колодок в структуре содержалось от 85 до 96 перлита дисперсностью ПД 0,3-ПД 0,5 и от 4 до 15 феррита с пластинчатым графитом, имеющим форму ПГф 2 (в образцах чугунов 3 и 5) и ПГф 4(в образцах чугуна 4) (по ГОСТ 3443-87). В строении фосфидной эвтектики преобладали формы ФЭ 3 и ФЭ 4. Цементита и ледебурита в структуре этих чугунов не обнаружено. В отливках из чугунов составов 1, 2 и 6 содержание ледебурита было соответственно 20,15 и 12 , а дисперсность перлита в отливках была более низкой. Таблица 1 Компоненты Углерод Кремний Марганец Фосфор Сера Хром Никель Азот Алюминий Железо Как видно из табл. 2, предложенный чугун обеспечивает литым изделиям более высокие механические и фрикционные свойства, чем известный. 11091 1 2008.08.30 Таблица 2 Показатели Предел прочности при изгибе, МПа Твердость, НВ Средний износ при сухом трении, мг/гс Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов Коэффициент трения Термические напряжения, МПа Дисперсность структуры Фрикционная теплостойкость,Свойства фрикционных чугунов для составов 1 Извест. 2 3 4 5 6 408 416 460 490 485 445 228 515 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5