Высокопрочный антифрикционный 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 Бевза Владимир Федорович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт технологии металлов Национальной академии наук Беларуси(57) Высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец,никель, медь, хром, магний, титан, алюминий, фосфор, кальций и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,2-3,6 кремний 2,2-2,6 марганец 0,4-0,7 никель 0,1-0,3 медь 0,3-0,5 хром 0,03-0,16 магний 0,04-0,07 титан 0,002-0,020 алюминий 0,002-0,030 фосфор 0,02-0,06 кальций 0,012-0,050 ванадий 0,02-0,08 азот 0,002-0,010 железо остальное. Изобретение относится к металлургии, в частности к составам высокопрочных чугунов с шаровидной формой графита для изготовления косозубых червячных колес и шестерен, работающих в условиях трения и ударных нагрузок, чаще изготавливаемых из антифрикционной бронзы. Известен высокопрочный антифрикционный чугун 1, содержащий, мас.углерод 3,0-4,5 13740 1 2010.10.30 кремний 1,5-3,0 марганец 1,0-1,5 магний 0,02-0,08 медь или олово и/или сурьма 0,03-0,08 железо остальное. Известный чугун обладает низким коэффициентом трения, но недостаточными характеристиками износостойкости, упруго-пластических свойств и повышенной склонностью к трещинам в литых заготовках червячных колес. Известен также высокопрочный чугун 2 следующего химического состава, мас.углерод 2,5-3,5 кремний 2,5-4,3 марганец 0,7-1,1 никель 0,7-1,7 хром 0,03-0,7 ванадий 0,03-0,35 молибден 0,03-1,1 алюминий 0,03-0,15 магний 0,03-0,08 церий 0,001-0,005 азот 0,01-0,03 сурьма 0,03-1,15 железо остальное. Микроструктура отливок из этого чугуна имеет недостаточные однородность и стабильность, что снижает пластические свойства. В отливках отмечается большое содержание неметаллических включений. Чугун имеет низкие упруго-пластические свойства. Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является высокопрочный антифрикционный чугун 3, содержащий, мас.углерод 3,1-3,6 кремний 2,0-2,5 марганец 0,8-1,2 никель 0,7-1,5 хром 0,02-0,06 медь 0,6-1,5 молибден 0,2-0,4 магний 0,02-0,03 церий 0,03-0,05 титан 0,03-0,55 алюминий 0,02-0,12 фосфор 0,03-0,10 кальций 0,002-0,01 железо остальное. Данный высокопрочный антифрикционный чугун в литых изделиях обеспечивает следующие механические и антифрикционные свойства временное сопротивление при растяжении, МПа 730-761 предел текучести, МПа 270-287 сопротивление задиру, МПа 13,3-16,6 относительное удлинение,1,7-3,3 предел выносливости, МПа 207-221 коэффициент трения 0,38-0,43 предельный режим работы при трении, МПам/с 25-30 износостойкость, мкм/км 0,26-0,35 2 13740 1 2010.10.30 склонность к трещинообразованию 3,2-4,2 3 загрязненность неметаллическими включениями, 105,2-9,0 ударная вязкость, кДж/м 2 50-200. Недостатком чугуна является высокое содержание вермикулярного графита в структуре (75-90 ) и неметаллических включений, что снижает упруго-пластические и антифрикционные свойства. Из-за высокого содержания меди, молибдена, церия, титана,никеля в чугуне усиливается ликвация, снижаются фактор формы графита, износостойкость и антифрикционные свойства. Задача изобретения - повышение упруго-пластических и антифрикционных свойств чугуна. Поставленная цель достигается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, медь, хром, магний, титан, алюминий,фосфор, кальций и железо, дополнительно содержит ванадий и азот при следующем соотношении компонентов, мас.углерод 3,2-3,6 кремний 2,2-2,6 марганец 0,4-0,7 никель 0,1-0,3 медь 0,3-0,5 хром 0,03-0,16 магний 0,04-0,07 титан 0,002-0,020 алюминий 0,002-0,030 фосфор 0,02-0,06 кальций 0,012-0,050 ванадий 0,012-0,08 азот 0,002-0,010 железо остальное. Существенными отличиями предложенного чугуна являются дополнительное микролегирование его ванадием и азотом, повышение концентрации магния и кальция, являющихся основными сфероидизирующими графит элементами, и снижение содержания меди, марганца, никеля и титана, склонных к ликвации, повышающих содержание вермикулярного графита и снижающих степень сфероидизации графита в структуре. 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. Ванадий введен как эффективный микролегирующий компонент, усиливающий эффект измельчения матрицы и графитных включений, обеспечивающий однородность структуры и повышение эксплуатационной стойкости, упруго-пластических свойств и их стабильности. Верхний предел концентрации ванадия (0,08 мас. ) обусловлен усилением отбела, снижением обрабатываемости резанием и технологической пластичности чугуна и увеличением склонности к трещинам при более высоком его содержании, что снижает эксплуатационные и упруго-пластические свойства. При уменьшении концентрации ванадия менее 0,02 мас. , укрупняется структура и снижаются динамическая прочность, предел текучести, эксплуатационная стойкость. Кальций является эффективным модифицирующим элементом, который повышает стабильность структуры, способствует сфероидизации графита, очищает границы зерен,снижает загрязненность чугуна неметаллическими включениями, служит поверхностноактивной добавкой, повышает износостойкость, эксплуатационные и пластические свой 3 13740 1 2010.10.30 ства. При концентрации до 0,012 мас.модифицирующий эффект недостаточен, а при повышении содержания более 0,050 мас.увеличиваются содержание неметаллических включений и неоднородность структуры, снижаются технологическая пластичность, динамическая прочность, степень сфероидизации графита и эксплуатационные свойства. Граничные параметры содержания углерода (3,2-3,6 мас. ) и кремния (2,2-2,6 мас. ) определены исходя из практики производства высокопрочных чугунов с повышенными пластическими и эксплуатационными свойствами, износостойкостью и антифрикционными свойствами. При концентрации углерода более 3,6 мас.и кремния более 2,6 мас.снижаются предел выносливости, износостойкость, ударная вязкость и другие механические и эксплуатационные свойства чугуна, а при концентрации углерода до 3,2 мас.и кремния до 2,2 мас.возрастают термические напряжения, снижаются трещиноустойчивость, обрабатываемость резанием, ударная вязкость и другие пластические свойства в отливках, что снижает эксплуатационную стойкость чугуна. Для повышения степени сфероидизации графита и уменьшения содержания в структуре вермикулярного графита, повышения упруго-пластических и антифрикционных свойств содержание магния повышено до 0,04-0,07 мас. . При увеличении концентрации более 0,07 мас.проявляется его отбеливающий эффект, снижаются упругопластические свойства и обрабатываемость резанием. При концентрации магния до 0,04 мас.снижаются степень сфероидизации графита и механические свойства чугуна. Азот обеспечивает карбонитридное упрочнение с улучшением обрабатываемости и антифрикционных свойств. При его концентрации до 0,002 мас.его влияние незначительное, а при содержании более 0,01 снижаются пластические свойства. Содержание легирующих добавок (марганец 0,4-0,7 мас. , медь 0,3-0,5 мас. , никель 0,1-0,3 мас. , хром 0,03-0,16 мас. ) обусловлено существенным повышением износостойкости, технологической пластичности, прочности и ограничено пределами, ниже которых антифрикционные свойства, технологическая пластичность и прочностные свойства недостаточные, а выше которых увеличиваются термические напряжения и снижаются пластические свойства, обрабатываемость резанием, предел выносливости при изгибе,ударная вязкость и эксплуатационные свойства. Введение алюминия в количестве 0,002-0,030 мас.и титана 0,002-0,020 мас.обусловлено их высокой раскисляющей и модифицирующей эффективностью и поверхностной активностью, которые в этих количествах обеспечивают очистку границ зерен,повышение пластических свойств, трещиноустойчивости, стойкости в условиях ударов,обрабатываемости и технологической пластичности. Их содержание обусловлено пределами, обеспечивающими получение дисперсной и однородной структуры в отливках шаровидного графита в чугуне и необходимых эксплуатационных и механических свойств, а также стабильной перлитной структуры в литых заготовках и в процессе их эксплуатации. При увеличении их концентрации выше верхних пределов снижаются механические, эксплуатационные свойства и увеличивается их угар. Фосфор в отливках увеличивает отбел, коэффициент трения, нестабильность структуры, снижает фактор формы графита и обрабатываемость резанием, эксплуатационную стойкость, технологическую пластичность и упруго-пластические свойства, поэтому его верхний предел снижен до 0,06 мас. . При его концентрации менее 0,02 мас.снижаются литейные свойства. Опытные плавки чугунов проводят в индукционных печах с использованием в качестве шихтовых материалов литейных чугунов, полуфабрикатного никеля, чугунного и стального лома, феррованадия, силикомарганца и других ферросплавов. Микролегирование чугуна феррованадием ФВд 2, силикомарганцем СМн 17 и медью М 0 проводят в электропечи в конце плавки после процесса рафинирования при температуре 1420-1450 С, а модифицирование комплексным модификатором, содержащим кремний, магний, никель,кальций и алюминий,и ферротитаном - непосредственно в раздаточных ковшах. 4 13740 1 2010.10.30 Для исследования структуры, механических и антифрикционных свойств отливали образцы для механических испытаний, ступенчатые технологические пробы и отливки червячных колес редуктора ГУД 2334. В табл. 1 приведены составы чугунов. Для определения отбела заливают клиновые технологические пробы. Ударную вязкость определяют на образцах 101055 мм без надреза, относительное удлинение получено на образцах 10 мм на разрывной машине 10. В табл. 2 приведены результаты механических и антифрикционных испытаний и исследований микроструктуры известного и предложенного чугунов в отливках и технологических пробах. Как видно из табл. 2, предложенный высокопрочный антифрикционный чугун обладает более высокими упруго-пластическими и антифрикционными свойствами, чем известный. Таблица 1 Содержание компонентов (мас. ) в чугунах составов Компоненты 1 (извест.) 2 3 4 5 6 Углерод 3,3 3,0 3,2 3,5 3,6 3,8 Кремний 2,1 2,1 2,2 2,4 2,6 2,7 Марганец 1,1 0,3 0,4 0,5 0,7 1,1 Никель 1,3 0,05 0,1 0,2 0,3 0,7 Медь 1,2 0,08 0,3 0,4 0,5 1,2 Хром 0,03 0,02 0,03 0,09 0,16 0,3 Магний 0,02 0,03 0,04 0,05 0,07 0,1 Титан 0,22 0,001 0,002 0,05 0,020 0,11 Алюминий 0,1 0,001 0,002 0,01 0,030 0,1 Фосфор 0,07 0,01 0,02 0,05 0,06 0,1 Кальций 0,01 0,011 0,012 0,03 0,050 0,07 Ванадий 0,010 0,02 0,03 0,08 0,15 Азот 0,001 0,002 0,006 0,01 0,03 Железо остальное ост. ост. ост. ост. ост. Таблица 2 Свойства чугунов Показатели Сопротивляемость ударным нагрузкам при энергии удара, циклов 8,4 кгс/см 2 20,1 23,6 32,4 2 10,2 кгс/см 16,7 20,4 25,3 Коэффициент трения 0,40 0,38 0,36 Предельный режим работы при трении, МПам/с Количество шаровидного графита,Ударно-усталостная долговечность, тыс. цикл. Временное сопротивление при растяжении, МПа Относительное удлинение,Ударная вязкость, кДж/см 2 Предел выносливости при изгибе, МПа Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6