Антифрикционный чугун

 

Сущность изобретения1 для деталей, работающих в условиях трения при больших нагрузках, Антифрикционный чугун с пониженными значениями коэффициента трения и твердости при сохранении высокой износостойкости содержит алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас,%: С 2,8-4,2, Si 3,6-5,8; Мп 0,3-0,8, Сг 0,05-0,3; Мо 005-0,2; Си 0,6-1,8; AI 005 0,07; Мд 0,01-0,05; Са 0.005-0,02, РЗМ0.01- 0,08; Fe остальное В литом состоянии при твердости НВ 223-255 он имеет низкий коэффициент трения (без смазки f 0,46-0,50) и высокую износостойкость (не ниже, чем у известного сплава) 2 табл.

COIO; СОВЕ1СКИХ

coIlìÀëèc rè !еских

PFCÃ1ÓÁËÈÊ (sIls С 22 С 37/10

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ пo изоьРетениям и откРьгиям

ПРИ ГКНТ СССР

К АВТОРСКОМУ СБИДЕТЕПЬСТВУ (2 1) 4903788 02 (22) 26,10.90 (46) 07.08.92, Бюл. К 29 (71) Брянский технологический институт (72) Г.И.Сил ьман (56) Заявка Японии К 63100154, кл. С22 С, Авторское свидетельства ЧССР

М 258910, С 22 С Черная металлургия, — Иэв. вузов, 1980, г. 11,, с, 24-28. (54) АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН (57) Сущнос гь изобретения: для деталей, работающих в условиях трения при больших

Изобретение относится к металлургии, в частности к чугунам с шаровидным графитом, используемым в узлах трения.

Известен чугун, содаажащий, мас.,4:

Углерод 3-4

Кр емний 3,5 — 5

Марганец да 0,5

Хром 0,05 — 0,2

Ванадий 0,1 — 0,5

Магний 0,02 — 0,06

Железо Остальное

Этот чугун обладает повышенной иэнасастойкостью и Окалиностойкостью.

Недостатками чугуна явля отся склонность к ферритной хрупкости и сравнительно высокий коэффициент трения.

Наиболее близким к предлагаемому является чугун, содержащий, мас.7:

Углерод 3 — 3,8

Кремний 2-3,5

Марганец 0,2-1,5

Хром 0,03 — 0,3

Молибден 0,03 — 0,5

Ванадий 0,03 — 0,5

„„5U,„, 1752819 Al нагрузках, Антифрикционный чугун с пониженными значениями коэффициента трения и твердости при сохранении высокой износостойкасти содержит алюминий и кальций при следу ащем соотношении компонентов, мас.0 0: С 2,8-4,2; Si 3,6-5,8; Мп 0,3 — 0,8; Cr

0,05 — 0,3,Мо 0,05 — 0,2; Си 0,6-1,8; А! 0.050,07; Мц 0,01-0,05; Са 0.005 — 0,02; РЗМ 0,010,08; Fe остальное, В литом состоянии при твердости Н В 223-255 он имеет низкий коэффициент трения (без смазки f =- 0,46 — 0,50) и высокую износостойкость (не ниже, чем у иэвестнога сплава). 2 табл.

Никель 0,1-2,5

Медь О,! — 0,5

Олово До 0.15

Сурьма До 0.03

Магний До 0,1

РЗМ До 0,1

Железо Остальное

За счет молибдена уменьшается склонность чугуна к ферритнай хрупкости. Чугун обладает высокой прочность}0 и иэнасастайкаСТЬЮ, К недостаткам чугуна относятся сравнительно высокий коэффициент трения, воэможность формирования игольчатой структуры с ухудшением обрабатываемости резанием, нестабильность структуры и свойств отливок в нетермоабработанном состоянии, Целью изобретения является снижение коэффициента трения и твердости чугуна в литом состоянии при сохранении высокой износостойкости.

Укаэанная цель достигается тем, что чугун, содеожащий углерод, кремний, марга20 нец, хром, молибден, медь, магний, РЗМ и железо, дополнительно содержит алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод 2,8-4,2 5

Кремний 3.6-5Я

Марганец 0,3-0,8

Хром 0,05 — 0,3

Молибден 0,05 — 0,2

Медь 0,6 — 1,8 10

Алюминий О, 05-0,7

Магний 0,01 — 0,05

Кальций 0,005-0;0?

РЗМ 0,01 — 0,07

Железо Остальное 15 причем содержания компонентов должны соответствовать следующим условиям, мас. %;

П1 = Р +- А = 4?8 — 5 99.

П2 = Mn+ Cr+ Cu = 1,45 — 2,31;

Пз = Mg + CB + РЗМ = 0,070 0,106, П1 — П2 2,59.

В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,03 мас, ) и фосфор (до

О„Г:". мас. ). 25

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений.

По сравнению с прототипом увеличена содержание кремния, что объясняется тем, что кремний должен обеспечить гетерогени- 30 зацию феррита (т.е. расслоение феррита на две фазы — углеродистый и кремнистый феррит). В сво а очередь, гетерогенизированный феррит обеспечивает низкий коэффициент трения и высокую адгезионную 35 износостойкость. При содержании кремния менее 3,6 мас,% этот эффект незначителен.

Если сбдержание кремния превышает 5,8 мас.%, та повышенное количество силикоферрита приводит к ахрупчиванию чугуна, 40 повышению ега твердости и снижению изнасастайкасти.

Алюминий в составе чугуна обеспечивает два эффекта: совместно с силикокальцием оказывает модифицирующий эффект, 45 измельчая структуру и устраняя отбел, сбвместно с кремнием способствует формиро-. ванию структуры гетерагенизированнага феррита. Оба эти эффекта приводят к снижению коэффициента трения и стабилизи- 50 руют твердость чугуна. При содержании алюминия менее 0,05 мас, не проявляется заметно ни один из этих эффектов. Слишком большое количество алюминия (более

0,7 мас. ф) резко ухудшает литейные свойст- 55 ва сплава.

Суммарное содержание кремнйя и ал оминия, определяемое значением параметра П1, должно находиться в пределах

4,28 — 5,99%. Если П1 < 4,28%, та не обеспечива атся гетерогенизация ферритэ и низкий коэффициент трения. При П1 > 5,99% повышается твердость чугуна и снижаются

его антифрикцианные свойства.

Марганец, хром и медь относятся к элеме ITBM-перлитизаторам. Наличие отдельных изолированных участков перлита в ферритной структуре чугуна соответствует принципу Шарпи и повышает антифрикционные свойства, Суммарное содержание элементов-перлитизаторав, выражаемое параметром Пр, при значениях меньшее

1,45% недостаточна для формирования такай структуры, При Пг > 2,31% увеличивается количество перлита, нарушаются при, гцип Шарпи и ухудшаются свойства чугуна, Разница между содержаниями элементов-ферритизаторов и перл итизато ров (т.е. П1 — П ) должна быть не менее 2,59%. В противном случае возможно образование перлитной сетки и снижение антифрикционных свойств, Содержание марганца рекомендуется в пределах 0,3-0,8 мас.%. Нижнлй предел соответствует содержани а марганца как технической примеси, При содержании более

0,8 мас.% (c учетом содержаний меди и хрома) марганец способствует образованию перлитной сетки, что отрицательно сказывается на свойствах чугуна.

Хром вводится в количество 0.05—

0,3 мас,% с це.".ью стабилизации эвтектаидHQf(цементита R изолированных перлитных участках, На нижнем уровне он является техническол примесью, При содержании более 0,3 мас,% хрома возможно выделение вторичных карбидов по границам ферритных зерен с охрупчиванием чугуна и снижением его свойств.

Медь вводится с целью формлрования в структуре чугуна изолированных уч-стков перлита и включений медистой фазы, что существенно снижает коэффициент трения и увеличивает износостойкость чугуна. При содержании меди менее 0.6 мас.% слабо проявляется только первый эффект, что незначительно сказывается на свойствах чугуна, В количестве более 1,8 мас.% медь практически не приводит к дальнейшему повышению свойств чугуна, но заметно увеличивает его стоимость, Молибден в составе чугуна используют для устранения или уменьшения ферритной хрут касти. При содержании менее 0,02 мас.% молибдена эта его роль практически не проявляется, а при содержании более 0,2 час.% происходит существенное удорожание чугуна, увеличивается его прокаливаемость и повышается твердость.

1 52819

Принятое содержание углерода обеспечивает необходимые структуру и свойства чугуна в литом состоянии, При содержании углерода менее 2,8 мас,% уменьшается степень ферритизации структуры, становится возможным образование перлитной сетки с возрастанием коэффициента трения, Если в чугуне содержится более 4,2 мас, % углерода, его структура становится заэвтектической, что приводит к увеличению количества графита и неблагоприятным ликвационным явлениям, проявляющимся в снижении прочности и износостойкости, Параметр Пз, характеризующий суммарное содержание в чугуне элементов комплексного модификатора, должен быть не менее 0,070%, В противном случае степень сфероидизации графита оказывается недостаточной, При Пз > 0,106% повышенный расход модификатора, удорожая чугун, не приводит к повышению его свойств, наоборот, при этом возможно даже перемодифицлрование чугуна.

Содержание магния рекомендуется s пределах 0,01-0,05 мас.%, Если остаточное содержание магния менее 0,01 мас.%, то результаты модифицирования нестабильны, Увеличение содержания магния более

0,05 мас,% нецелесообразно, так как повышает свойства чугуна.

Кальций играет роль десульфуратора и раскислителя, существенно уменьшая расход магния и РЗМ, В оптимальных количествах кальцил способствует графитизации чугуна и уменьшает тем самым коэффициент трения. Содержание менее 0,005 мас,% кальция соответствует чугуну, не модифицированному кальцием. Слишком большой расход кальция, соответствующий остаточному содержанию более 0,02 мас.%, увеличивает количество неметаллических включения, ухудшает усвоение модификатора и снижает свойства чугуна.

Р3М вводятся с целью нейтрализации элементов, оказывающих на графит десфероидизирующее действие (алюминий, медь). При содержании менее 0,01 мас, РЗМ полная сфероидизация графита не обеспечивается. Повышение содержания

РЗМ (более 0.07 мас.%) нецелесообразно, так как не оказывает положительного эффекта, но удорожает чугун.

Плавки чугуна проводят в открытых индукционных тигельных печах с кислой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, электродного боя, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома, ферромолибдена), отходов электротехнической меди и алюминия. Ферросплавы вводят в расплав при 13501380 С, После расплавления ферросплавов вводят медь и алюминий. Алюминий частично используют и в составе комплексного модификатора.

5 При переливе металла из печи в разливочный ковш проводят комплексное модифицирование чугуна "сандвич-процессом", пригружая модифицирующую смесь специально отлитой чугунной решеткой, Темпера10 тура модифицированного металла

1420-1450 С, Жидкий чугун разливают в сухие песчано-глинистые формы. Отливают стандартные пробы толщиной 30 мм, из которых

15 вырезают образцы для проведения металлографического анализа, механических испытаний и испытаний на износ. Испытания на износ проводят на машине МИ-1М в условиях сухого трения по схеме вращающий20 ся диск — неподвижная колодка. Л: ск контртела диаметром 50 мм изготовлен из стали 45 и термообработан на НВСэ 46. Испытания проводят при частоте вращения диска 250 об/мин с удельной нагрузкой 3 МПа.

25 Износ определяют по потере массы образца в процессе изнашивания, Параллельно определяют коэффициент трения, Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены в табл. 1 и 2, 30 Чугун предлагаемого состава (сплавы 15) отличается от прототипа сочетанием более высоких и стабильных свойств, При выходе за пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 6 — 8) существенно ухуд35 шаются его свойства (снижается износостойкость, повышается коэффициент трения).

Формула изобретения

40, Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, молибден, медь, магний, редкоземельные. металлыижелезо, отличающийся тем,что, с целью снижения коэффициента трения и

45 твердости при сохранении высокой износостойкости в литом состоянии, он дополнительно содержит алюминий и кальций при следующем соотношении компонентов, мас.%:

50 Углерод 2,8-4,2

Кремний 3,6-5,8

Марганец 0,3-0,8

Хром 0,05 —.0,3

Молибден 0;05-0,2

55 Медь 0.6 — 1,8

Кальций 0.005-0,02

Магний 0,01 — 0,05

Алюминий 0,05 — 0,7

Редкоземельные металлы 0,01 — 0,07

Железо Остальное причем параметр содержания компонентов удовлетворяют следующим соотношениям, мас. ф,:

П1=- Sl -} А! = 4,28 — 5,99;

Пг = Mn }- Cr 4 C u =-. 1,45 -- 22,31;

Пз =- Mg + Са } P8M =- 0,070--0,106:

П1 — П2 = 2,5с}.

Таблица 1 о ержаиие але!"еитоа, !!ас.), П", )Bpil. Tîû, %

Л

Са гз

}?з

П!

0,11

0,О3

0,06 2,74

1 47 0090

* Содержится также 0,17% Ч, 1,84% Н} и 0,01% Sh.

Таблица 2

1 состоянии

Коэффициент трения энос, мг/см км

" 60 Гехред M.Моргентал

Корректор M Керецман

Редактор H. Гунько

Заказ 2736 Тр} раж Подписное

ВЯИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушс <ая наб„4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101

О,16

0,21

О,О5

0,20

o,зо

0,47

0,26

0,60

0.Л9

0,94

0.23

0,41

1.92

0,33

0,О5

n-o

058 о,зо

0,92

0,01

0,04

0,04

0,05

0,03

0,06

0.01

0,017

0,005

0,020

0,16

0,010

n,Оз5

0,010

51 лб

62

52 49

58

0,07 5,9!?

ООЗ 518

0,01 4,28

0.04 4,ЗО

0,05 4,46

О,О88 3 34

6,39

0,030 5,68

},67

2,31

1, 15

1,71

1,72

1 65

0,85

2,76

0,48

0,46

0,46

0,50

0,50

O,74

0.65

0,097

0,075

0,070

0,1О6

О,п9О

0,148

О 045

О 010