Антифрикционный чугун

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Марукович Евгений Игнатьевич Сайков Михаил Алексеевич Карпенко Михаил Иванович Бадюкова Светлана Михайловна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(56) ГОСТ 1585-85. Чугун антифрикционный для отливок.60121254 , 1985.1010152 , 1983.1035085 , 1983.2119547 1, 1998.4438073 1, 1996.4396442 , 1983.(57) Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу,хром, никель, медь, титан и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,3-3,7 кремний 2,0-2,4 марганец 0,6-0,8 фосфор 0,1-0,2 сера 0,02-0,12 хром 0,02-0,06 никель 0,20-0,35 медь 0,4-0,8 титан 0,03-0,08 кальций 0,02-0,06 барий 0,008-0,025 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым конструкционным чугунам, используемым для изготовления литых деталей механизмов трения и других антифрикционных изделий с большим объемом механической обработки на токарных автоматах и полуавтоматах. Известен высокофосфористый антифрикционный чугун 1,используемый для таких деталей с большим объемом механической обработки, как блоки и головки блоков ДВС, и содержащий, мас.углерод 2,8-3,2 кремний 1,2-1,7 марганец до 1,0 12466 1 2009.10.30 фосфор 0,2-0,6 хром 0,2-0,6 сера до 0,1 железо остальное. Литые изделия из этого чугуна имеют крупнозернистую структуру с высоким содержанием фосфидной эвтектики и повышенные остаточные термические напряжения,склонны к трещинам и требуют дополнительной термообработки. Известен также серый антифрикционный чугун 2 следующего химического состава,мас.углерод 2,4-3,5 кремний 1,4-2,5 марганец 0,5-1,5 хром 1,0-1,7 никель 0,2-0,7 железо остальное. Известный чугун имеет в литых заготовках высокие (более 30 МПа) остаточные напряжения и отбел, повышенную концентрацию в структуре карбидов хрома, что вызывает необходимость их длительной термической обработки для повышения обрабатываемости резанием, антифрикционных, упруго-пластических и эксплуатационных свойств. Низкие характеристики удароустойчивости не обеспечивают антифрикционным изделиям высоких эксплуатационных свойств. По технической сущности и достигаемому эффекту наиболее близким к предложенному является серый антифрикционный чугун АЧС-3 по 3 (прототип), удовлетворительно обрабатываемый на токарных полуавтоматах с ЧПУ и других металлорежущих станках, следующего химического состава, мас.углерод 3,2-3,8 кремний 1,7-2,6 марганец 0,3-0,7 фосфор 0,15-0,40 сера до 0,12 хром до 0,3 никель до 0,3 медь 0,2-0,5 титан 0,03-0,1 железо остальное. Этот чугун обеспечивает в структуре отливок перлитную металлическую основу твердостью от 160 до 190 НВ. Предел прочности чугуна при изгибе составляет 330370 МПа. Величина остаточных термических напряжений в отливках - 2528 МПа. Отмечаются недостаточные характеристики трещиностойкости, механических и антифрикционных свойств. Предельный режим работы при трении не превышает 5 МПа м/с. Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение трещиностойкости, обрабатываемости резанием, механических и антифрикционных свойств чугуна в литых изделиях. Поставленная задача решается тем, что антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, никель, медь, титан и железо, дополнительно содержит кальций и барий при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,3-3,7 кремний 2,0-2,4 марганец 0,6-0,8 фосфор 0,1-0,2 сера 0,02-0,12 2 12466 1 2009.10.30 хром 0,02-0,06 никель 0,20-0,35 медь 0,4-0,8 титан 0,03-0,08 кальций 0,02-0,06 барий 0,008-0,025 железо остальное. Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные отличия 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 кальция в чугун в количестве 0,02-0,06 улучшает обрабатываемость резанием, оказывает модифицирующее влияние, повышает трещиностойкость,дисперсность структуры и эксплуатационные свойства. При увеличении содержания кальция более 0,06 увеличивается угар, неоднородность структуры и снижаются антифрикционные свойства и удароустойчивость. При концентрации кальция менее 0,02 модифицирующий эффект, трещиностойкость, обрабатываемость резанием на металлорежущих автоматах, механические и эксплуатационные свойства недостаточны. Дополнительное введение бария в чугун оказывает модифицирующее влияние, повышает дисперсность структуры, механические и эксплуатационные свойства. При увеличении содержания бария более 0,025 увеличивается угар, неоднородность структуры и снижаются антифрикционные свойства и удароустойчивость. При концентрации бария менее 0,008 модифицирующий эффект, обрабатываемость резанием на металлорежущих автоматах, механические и эксплуатационные свойства недостаточны. Содержание хрома в чугуне в количестве от 0,02 до 0,06 обусловлено существенным влиянием его на измельчение дисперсности структуры, стабилизацию коэффициента трения, повышение твердости и износостойкости. При увеличении содержания хрома более 0,06 увеличивается неоднородность структуры с образованием в ней карбидов и снижаются характеристики предела прочности при изгибе, обрабатываемости резанием и удароустойчивости. При концентрации хрома менее 0,02 дисперсность структуры,твердость, прочность и эксплуатационные свойства недостаточны. Содержание углерода и кремния принято исходя из опыта производства антифрикционных чугунов для отливок с низкими остаточными термическими напряжениями, мелкозернистой перлитной структурой, улучшенной обрабатываемостью резанием и высокими характеристиками износостойкости в условиях трения и ударно-усталостной долговечности. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,7 и 2,4 в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, ударно-усталостной долговечности, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентраций соответственно ниже 3,3 и 2,0 ухудшается обрабатываемость резанием, повышаются остаточные термические напряжения и содержание ледебурита в структуре, снижаются ударная вязкость и удароустойчивость. Ограничение содержания фосфора на верхнем пределе 0,2 обусловлено существенным его влиянием на повышение неоднородности структуры, склонности к трещинам при более высоких его концентрациях. При содержании фосфора до 0,1 износостойкость,прочностные и антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении его концентрации более 0,2 снижаются характеристики удароустойчивости, ударной вязкости и ударно-усталостной долговечности. Сера при концентрации более 0,12 ухудшает обрабатываемость резанием, снижает механические, антифрикционные и эксплуатационные свойств чугуна в литых изделиях. 3 12466 1 2009.10.30 Нижний предел концентрации серы обусловлен невозможностью при плавке в существующих чугунолитейных цехах, производящих антифрикционные литые изделия, практически выплавлять чугун с более низким ее содержанием. Повышение концентрации марганца до 0,60,8 обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышение механических и антифрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,8 ухудшается обрабатываемость резанием, увеличиваются остаточные напряжения и отбел и снижается стабильность коэффициента трения, а при снижении концентрации марганца менее 0,6 повышается содержание в структуре феррита и снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна. Введение никеля обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей добавкой, повышающей однородность и дисперсность структуры, упруго-пластические и антифрикционные свойства и снижающей термические напряжения в отливках. Верхний предел концентрации никеля (0,35 ) обусловлен снижением ударной вязкости и обрабатываемости резанием при более высоких его концентрациях. При уменьшении концентрации никеля менее 0,20 укрупняется структура, снижаются механические и антифрикционные свойства. Титан введен как микролегируюшая и графитизирующая добавка, снижающая термические напряжения в отливках и обрабатываемость резанием. При содержании его менее 0,03 микролегируюший эффект недостаточен, а при содержании более 0,08 снижаются относительное удлинение и ударная вязкость. Медь - микролегирующая и графитизирующая добавка, существенно повышающая антифрикционные и упруго-пластические свойства и значительно улучшающая обрабатываемость резанием. При концентрации меди менее 0,4 ее микролегирующий эффект и износостойкость чугуна низкие, а при увеличении содержания меди более 0,8 увеличивается угар, снижаются однородность структуры и упруго-пластические свойства. Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, чугунного и стального лома, феррохрома, ферромарганца и других ферросплавов. Для науглероживания чугуна используют бой электродов. Температура выплавляемого чугуна не ниже 1400-1430 С. Микролегирование никелем и медью производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование ферротитаном, силикокальцием и силикобарием - в ковше. Заливку чугуна производят в литейные формы из холоднотвердеющих сплавов (ХТС). Остаточные термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Для определения свойств чугуна заливали решетчатые и ступенчатые технологические пробы. Относительную обрабатываемость резанием и оптимальную скорость резания определяют на токарных полуавтоматах с ЧПУ модели СА 562 ФЗ и специализированных металлорежущих станках повышенной точности модели СА 665 ФЗ станкостроительного завода ОАО САСТА в сравнении с обрабатываемостью заготовок из АЧС-3. Механические испытания (по ГОСТ 27208-87) проведены на стандартных образцах, а определение склонности к трещинообразованию проведено на звездообразных технологических пробах. Определение твердости проведено по ГОСТ 24805. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в табл. 2 - механические свойства. Таблица 1 Содержание компонентов в чугунах, мас.Компоненты 1 (извест.) 2 3 4 5 6 Углерод 3,61 2,7 3,3 3,6 3,7 3,8 Кремний 2,40 1,5 2,0 2,2 2,4 2,6 Марганец 0,62 0,4 0,6 0,73 0,8 1,0 Фосфор 0,30 0,05 0,1 0,14 0,2 0,4 Сера 0,11 0,01 0,02 0,08 0,12 0,14 4 12466 1 2009.10.30 Компоненты Хром Никель Медь Титан Кальций Бор Железо Как видно из табл. 2, предложенный чугун обладает более высокими механическими,технологическими и антифрикционными свойствами и лучшей обрабатываемостью резанием, чем известный. Таблица 2 Показатели для составов чугуна Свойства антифрикционных чугунов 1 (изв.) 2 3 4 5 6 Предел прочности при изгибе, МПа 365 375 415 425 430 390 Величина остаточных термических 27 26 22 20 18 23 напряжений, МПа Оптимальная скорость резания,1100- 12802050250022001500 об/мин 1260 1360 2500 2800 2500 2000 Относительная обрабатываемость 100 112 116 130 128 110 резанием (эталон АЧС-3),Твердость, НВ 190 212 208 196 190 180 Предельный режим работы при тре 5 8,5 11 15 14 10 нии, МПа м/с Коэффициент трения 0,47 0,42 0,40 0,35 0,37 0,4 Склонность к трещинообразованию Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5