Серый антифрикционный чугун

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ(71) Заявитель Белорусский национальный технический университет(72) Авторы Кукуй Давыд Михайлович Сайков Владимир Павлович Карпенко Михаил Иванович Одиночко Виктор Федорович Бадюкова Светлана Михайловна(73) Патентообладатель Белорусский национальный технический университет(57) Серый 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 3,5-3,8 кремний 1,8-2,4 марганец 0,6-0,8 фосфор 0,1-0,2 сера 0,02-0,12 хром 0,04-0,16 никель 0,1-0,3 медь 0,04-0,08 титан 0,03-0,08 кальций 0,02-0,05 барий 0,008-0,025 железо остальное. Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым конструкционным чугунам для литых корпусных антифрикционных изделий с повышенными механическими и эксплуатационными свойствами. Известен высокофосфористый антифрикционный чугун 1, содержащий, мас.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 0,1 железо остальное. 13455 1 2010.08.30 Литые изделия из этого чугуна склонны к трещинам, имеют крупнозернистую структуру с высоким содержанием фосфидной эвтектики, повышенные остаточные термические напряжения и требуют дополнительной термообработки. Известен серый антифрикционный чугун для корпусных литых деталей 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 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 3 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 МПам/с. Задача изобретения - повышение трещиностойкости, механических и антифрикционных свойств чугуна в литых изделиях. Поставленная задача решается тем, что серый 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 3,5-3,8 кремний 1,8-2,4 марганец 0,6-0,8 фосфор 0,1-0,2 сера 0,02-0,12 хром 0,04-0,16 никель 0,1-0,3 медь 0,04-0,08 титан 0,03-0,08 кальций 0,02-0,05 барий 0,008-0,025 железо остальное. 2 13455 1 2010.08.30 Существенным отличием предложенного решения является дополнительное введение кальция и бария. Проведенный анализ предложенного решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, эти 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 0,02-0,05 кальция обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей активностью и значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры металлической основы, который очищает границы зерен, существенно повышает трещиностойкость и упруго-пластические свойства. При концентрации кальция менее 0,02 модифицирующий эффект, упруго-пластические и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания кальция более 0,05 увеличивается угар, снижаются однородность структуры и упруго-пластические свойства. Введение бария в чугун оказывает раскисляющее, рафинирующее и модифицирующее влияние, повышает дисперсность структуры, улучшает механические и эксплуатационные свойства. При увеличении содержания бария более 0,025 увеличиваются угар, остаточные термические напряжения в отливках и неоднородность их структуры, а также снижаются антифрикционные свойства и удароустойчивость. При концентрации бария менее 0,008 модифицирующий эффект, механические и эксплуатационные свойства недостаточны, снижается трещиностойкость отливок. Содержание углерода и кремния принято в соответствии с опытом производства антифрикционных чугунов для отливок с низкими остаточными термическими напряжениями,мелкозернистой перлитной структурой и высокими характеристиками износостойкости в условиях трения и ударно-усталостной долговечности. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,8 и 2,4 в структуре повышается содержание удлиненных пластин графита, что снижает характеристики трещиностойкости, ударноусталостной долговечности, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,5 и 1,8 повышаются остаточные термические напряжения и увеличивается содержание ледебурита в структуре, снижаются ударная вязкость и удароустойчивость. При содержании хрома в чугуне от 0,04 до 0,16 достигается измельчение дисперсности структуры, стабилизируется коэффициент трения, повышаются твердость и износостойкость. При увеличении содержании хрома более 0,16 увеличиваются отбел и неоднородность структуры с образованием в ней карбидов, снижаются характеристики предела прочности при изгибе и удароустойчивости. При концентрации хрома менее 0,04 дисперсность структуры, твердость и эксплуатационные свойства недостаточны. Уменьшение содержания фосфора в чугуне до 0,10,2 обусловлено существенным его влиянием на повышение коэффициента трения, твердости и износостойкости чугуна. При содержании фосфора до 0,1 износостойкость, прочностные и антифрикционные свойства недостаточны. В то же время при увеличении концентрации фосфора более 0,2 снижаются характеристики удароустойчивости, ударной вязкости и ударно-усталостной долговечности. Медь и титан - основные микролегирующие и графитизирующие элементы, существенно повышающие антифрикционные и упруго-пластические свойства. При концентрации меди менее 0,04 ее микролегирующий эффект и износостойкость чугуна низкие,а при увеличении содержания меди более 0,08 увеличивается угар, снижаются однородность структуры и упруго-пластические свойства. При концентрации титана менее 0,03 микролегирующий эффект недостаточен, а при содержании более 0,08 снижаются трещиностойкость, относительное удлинение и ударная вязкость. Повышение концентрации марганца до 0,60,8 обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышение механических и антифрикционных 3 13455 1 2010.08.30 свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,8 увеличиваются остаточные напряжения и отбел, снижается стабильность коэффициента трения, а при снижении концентрации марганца менее 0,6 повышается содержание феррита в структуре, снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна. Сера при концентрации более 0,12 снижает механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства чугуна в литых изделиях. Нижний предел концентрации серы обусловлен невозможностью при плавке в существующих чугунолитейных цехах, производящих антифрикционные литые изделия, практически выплавлять чугун с более низким их содержанием. Введение никеля обусловлено тем, что он является эффективной упрочняющей и легирующей добавкой для повышения однородности и дисперсности структуры, а также улучшения упруго-пластических и антифрикционных свойств. Верхний предел концентрации никеля (0,3 ) обусловлен снижением трещиностойкости и ударной вязкости при более высоких его концентрациях. При уменьшении концентрации никеля менее 0,1 укрупняется структура, снижаются механические и антифрикционные свойства. Опытные плавки чугунов проводили в индукционных тигельных печах с использованием синтетической шихты (из вторичных материалов), состоящей из стального лома А 1 и А 2, чугунного лома 17 и 19, чугунной стружки 5 МГ и 5 Н (от 10 до 18 ), карбюризатора и возврата собственного производства. Температура выплавляемого чугуна не ниже 1400-1450 С. Микролегирование ферромарганцем ФМн 70, никелем марки НПЗ и медью марки 1 производили после рафинирования расплава в печи, а модифицирование ферротитаном, силикокальцием и ферросиликобарием - в ковше. Заливку чугуна производили в песчано-глинистые формы. Остаточные термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Для определения свойств чугуна заливали ступенчатые и звездообразные технологические пробы. Механические испытания (по ГОСТ 27208-87) проводили на стандартных образцах, а определение склонности к трещинообразованию проводили на звездообразных технологических пробах высотой 140 мм по общей длине трещин в пробе. Определение твердости проведено по ГОСТ 24805. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в табл. 2 - технологические, механические и антифрикционные свойства. Таблица 1 Содержание компонентов в чугунах, мас.Компоненты 1 (изв.) 23 4 5 6 Углерод 3,61 3,3 3,5 3,6 3,8 4,0 Кремний 2,40 1,5 1,8 1,9 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 Хром 0,10 0,03 0,04 0,11 0,16 0,21 Никель 0,11 0,08 0,10 0,22 0,30 0,33 Медь 0,21 0,02 0,04 0,07 0,08 0,09 Титан 0,04 0,01 0,03 0,06 0,08 0,11 Кальций 0,01 0,02 0,03 0,05 0,07 Барий 0,006 0,008 0,015 0,025 0,03 Железо 92,5 94,584 93,742 93,045 95,985 91,02 13455 1 2010.08.30 Таблица 2 Показатели для составов чугуна 2 3 4 5 381 432 445 440 1 (изв.) 6 Предел прочности при изгибе, МПа 1 365 420 Величина остаточных термических 27 26 21 18 20 25 напряжений, МПа Скорость износа при сухом трении,0,13 0,10 0,06 0,04 0,05 0,08 мг/см 2 гс Дисперсность перлита, ПД ПД 1,4 ПД 1,4 ПД 1,0 ПД 0,5 ПД 1,0 ПД 1,4 Твердость, НВ 190 249 229 241 237 227 Предельный режим работы при тре 5,0 8,2 16 18 17 15 нии, МПам/с Склонность отливок к трещинам, мм 63 57 44 48 2 Динамическая прочность, кДж/м 27 31 38 34 Коэффициент трения 0,47 0,42 0,35 0,33 0,37 0,4 Как видно из табл. 2, предложенный чугун обладает более высокими механическими,технологическими и антифрикционными свойствами, чем известный. Источники информации 1. Патент Японии 55-5575, кл.22 37/06, 1980. 2. Патент Японии 57-32352, МКИ 22 37/08, 1982. 3. ГОСТ 1585-85. Чугун АЧС 3. - С. 2 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5