Высокопрочный легированный антифрикционный чугун

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным конструкционным легированным чугунам для литых деталей двигателей с повышенными антифрикционными и другими специальными свойствами, не подвергающихся термической обработке и работающих при трении в газовых средах. Высокопрочный легированный антифрикционный чугун содержит, мас. %: углерод 3,1-3,6; кремний 2,0-2,5; марганец 0,8-1,2; никель 0,7-1,5; молибден 0,2-0,4; медь 0,6-1,5; хром 0,02-0,06; магний 0,02-0,03; церий 0,03-0,05; ванадий 0,07-0,55; титан 0,3-0,22; барий 0,03-0,06; бор 0,01-0,03; железо - остальное. Изобретение направлено на повышение антифрикционных свойств, предела выносливости и износостойкости чугуна. 2 табл.

 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным легированным конструкционным чугунам для литых деталей двигателей с повышенными антифрикционными и другими специальными свойствами, не подвергающихся термической обработке и работающих при трении в газовых средах.

Известен высокопрочный легированный антифрикционный чугун марки АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85). Этот чугун имеет в отливках перлитно-ферритную структуру и недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ), предела выносливости (150-170 МПа), эксплуатационной стойкости и износостойкости в условиях трения. Литые детали из этого чугуна не обеспечивают длительной эксплуатационной стойкости в сложнонапряженных условиях и в газовых средах. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения составляет 3-12 МПа⋅м/с.

Известен также высокопрочный легированный чугун для отливок со специальными свойствами марки ЧНДХМШ (ГОСТ 7769-82, табл. 2, с. 4). Этот легированный чугун с шаровидным графитом имеет высокие характеристики прочности (не менее 600 МПа), твердости (270-320 НВ), предела коррозионной усталости (250-275 МПа), однако низкие антифрикционные, упруго-пластические и эксплуатационные свойства.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному решению является высокопрочный чугун для износостойких литых деталей (А.с. 926058, СССР, С22С 37/10, 1982, прототип) следующего химического состава, мас. %:

Углерод	2,2-2,4
Кремний	1,0-1,8
Марганец	0,1-0,3
Никель	3,0-3,5
Молибден	0,3-0,5
Хром	0,1-0,3
Медь	1,6-2,5
Магний	0,03-0,05
Церий	0,01-0,02
Железо	Остальное

Механические и эксплуатационные свойства известного чугуна:

Временное сопротивление, МПа	690-735
Предел текучести, МПа	210-250
Коэффициент трения	0,47-0,55
Предел выносливости, МПа	175-190
Износостойкость при сухом трении, мкм/км	0,38-0,45
Предельный режим работы при трении, МПа⋅м/с	15-22

Известный чугун содержит недостаточное количество графитизирующих компонентов (углерода, кремния и церия) и высокую концентрацию легирующих, аустенизирующих структуру элементов (никеля, молибдена, меди и хрома), способствующих образованию преимущественно крупнозернистой аустенитной металлической основы с низким содержанием свободного графита в структуре отливок и недостаточными упруго-пластическими, антифрикционными и эксплуатационными свойствами. Недостатком известного чугуна являются низкие характеристики антифрикционных свойств, предела выносливости и износостойкости.

Задачей данного технического решения является повышение антифрикционных свойств, предела выносливости и износостойкости чугуна.

Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий и железо, дополнительно содержит ванадий, титан, барий и бор при следующем соотношении компонентов, мас. %:

Углерод	3,1-3,6
Кремний	2,0-2,5
Марганец	0,8-1,2
Никель	0,7-1,5
Молибден	0,2-0,4
Медь	0,6-1,5
Хром	0,02-0,06
Магний	0,02-0,03
Церий	0,03-0,05
Ванадий	0,07-0,55
Титан	0,03-0,22
Барий	0,03-0,06
Бор	0,01-0,03
Железо	Остальное

Существенными отличиями предложенного чугуна являются введение в его состав микролегирующих компонентов - ванадия, титана, бора, и дополнительное модифицирование его барием, что существенно повышает дисперсность и стабильность структуры, антифрикционные свойства, предел выносливости и износостойкость.

Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены эти отличия. Кроме того, они 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 ванадия обусловлено тем, что он является эффективной упрочняющей и микролегирующей добавкой, повышающей однородность и дисперсность структуры, предел выносливости, антифрикционные и упруго-пластические свойства чугуна. При содержании ванадия до 0,07% износостойкость, предел выносливости и антифрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 0,55% увеличивается неоднородность структуры, снижаются характеристики эксплуатационной стойкости, удароустойчивости и упруго-пластических свойств.

Титан введен как графитизирующая и микролегирующая добавка, повышающая дисперсность структуры и содержание в ней перлита и вермикулярного графита, обеспечивающая увеличение износостойкости, предела выносливости, стабильности коэффициента трения и эксплуатационных свойств чугуна в отливках. При содержании его менее 0,03% графитизирующий и микролегируюший эффекты и антифрикционные свойства недостаточны, а при содержании более 0,22% снижаются однородность структуры, предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость.

Барий в количестве 0,03-0,06% модифицирует расплав и очищает границы зерен, обеспечивает сфероидизацию структурных составляющих, повышение износостойкости и стабильности антифрикционных свойств. При концентрации его более 0,06% снижаются предел выносливости, износостойкость и механические свойства, а при содержании бария до 0,03% износостойкость и антифрикционные свойства недостаточны.

Дополнительное введение 0,01-0,03% бора обусловлено его химической, микролегирующей и графитизирующей активностью, значительным влиянием на форму графита и дисперсность структуры металлической основы. Бор существенно повышает антифрикционные и упруго-пластические свойства. При концентрации его менее 0,01% модифицирующий эффект, предел выносливости и антифрикционные свойства низкие, а при увеличении содержания бора более 0;03% увеличивается угар, снижаются предел выносливости, однородность структуры и износостойкость.

Повышенное содержание углерода (3,1-3,6%) и кремния (2,0-2,5%) принято исходя из опыта производства высокопрочных антифрикционных чугунов для отливок преимущественно с мелкозернистой перлитной структурой в литом состоянии, с высокими характеристиками механических свойств, износостойкости и антифрикционных свойств в условиях трения. При увеличении концентраций углерода и кремния соответственно выше 3,6 и 2,5% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, предела выносливости, износостойкости и антифрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 3,1 и 2,0% повышаются остаточные термические напряжения в отливках, содержание аустенита и цементита в структуре, что снижает пределы выносливости и текучести, трещиностойкость и удароустойчивость.

Содержание магния, являющегося основной сфероидизирующей графит модифицирующей добавкой, снижено до 0,02-0,03% с целью уменьшения в структуре содержания графита шаровидной формы и коэффициента трения, увеличения в структуре количества вермикулярного графита, предела выносливости и износостойкости чугуна. При содержании магния до 0,02% в структуре шаровидного графита не образуется, механические и антифрикционные свойства низкие. При концентрации магния более 0,03% снижаются стабильность и однородность структуры, что уменьшает характеристики предела выносливости и антифрикционных свойств.

Содержание церия увеличено до 0,03-0,05%, что способствует повышению антифрикционных свойств, износостойкости и соответствует общепринятым нормам концентраций в двигателестроении при производстве литых деталей цилиндро-поршневой группы из высокопрочных чугунов с вермикулярным (компактным) графитом. При концентрации церия более 0,05% повышаются его безвозвратные потери (угар), неоднородность структуры и снижаются механические свойства чугуна.

Медь, марганец, никель, молибден и хром являются основными легирующими компонентами высокопрочных чугунов, обеспечивающими высокие характеристики прочности, износостойкости, пределов выносливости и усталости, но оказывающими неоднозначное влияние на упруго-пластические и антифрикционные свойства. Поэтому их концентрация в предложенном чугуне принята с учетом их влияния на эти свойства.

Медь является перлитизирующим структуру компонентом, повышающим антифрикционные свойства и предел выносливости. Ее содержание в количестве от 0,6 до 1,5% обеспечивает существенное повышение износостойкости, предела выносливости и антифрикционных свойств. При снижении концентрации меди менее 0,6% антифрикционные свойства недостаточны, а при увеличении ее содержания более 1,5% снижаются характеристики износостойкости и трещиностойкости.

Содержание никеля в чугуне снижено до концентрации 0,7-1,5%, так как при содержании более 1,5% он снижает антифрикционные и эксплуатационные свойства, увеличивая неоднородность структуры, склонность к трещинам и нестабильность коэффициента трения. При концентрации никеля менее 0,7% дисперсность структуры, предел выносливости и эксплуатационные свойства недостаточны.

Хром в количестве от 0,02 до 0,06% и молибден (0,2-0,4%) повышают твердость, предел выносливости, коррозионную стойкость и износостойкость чугуна в отливках. Однако при увеличении концентрации хрома и молибдена соответственно более 0,06% и 0,4% повышается содержание в структуре цементита и карбидов, снижаются антифрикционные и упруго-пластические свойства. При их концентрации менее нижних пределов прочность, твердость, износостойкость и предел выносливости существенно снижаются.

Увеличение концентрации марганца до 0,8-1,2% обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышение технологических, механических и антифрикционных свойств. При повышении концентрации марганца более 1,2% увеличиваются остаточные напряжения, снижаются предел выносливости, износостойкость и трещиностойкость, а при снижении концентрации марганца менее 0,8% повышается содержание в структуре феррита и свободного графита, что снижает механические и эксплуатационные характеристики чугуна.

Опытные плавки чугунов проводят в индукционных тигельных печах с использованием рафинированных чушковых чугунов, стального лома 1А, феррованадия ФВd50У0,5, никеля Н3, чугунного лома 17А, меди M1, ферромарганца ФМи 78, ферромолибдена, ферротитана и других ферросплавов. Микролегирование никелем, медью, ферромарганцем, ферробором и ферротитаном производят после рафинирования расплава в печи, а модифицирование - в ковше с использованием никель-магниевой лигатуры, силикобария и ферроцерия. Для определения свойств чугуна заливают решетчатые, звездообразные и ступенчатые технологические пробы, отливки и образцы для механических испытаний. В табл. 1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.

Определение прочностных свойств проводят по ГОСТ 1497-84 на образцах диаметром 14 мм с расчетной длиной 70 мм, трещиностойкость - на звездообразных 250 мм технологических пробах высотой 140 мм, а предел коррозионной усталости в газовых средах - на стандартных образцах при испытании на базе 10 циклов.

Металлографические исследования и анализ структурных составляющих проводят в соответствии с ГОСТ 3443-87. В табл. 2 приведены механические, антифрикционные и эксплуатационные свойства высокопрочных чугунов опытных плавок в отливках, образцах и технологических пробах.

Как видно из табл. 2, предложенный чугун имеет более высокие характеристики предела выносливости, износостойкости и антифрикционных свойств.

Высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, никель, молибден, медь, хром, магний, церий и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит ванадий, титан, барий и бор при следующем соотношении компонентов, мас. %.

углерод	3,1-3,6
кремний	2,0-2,5
марганец	0,8-1,2
никель	0,7-1,5
молибден	0,2-0,4
медь	0,6-1,5
хром	0,02-0,06
магний	0,02-0,03
церий	0,03-0,05
ванадий	0,07-0,55
титан	0,03-0,22
барий	0,03-0,06
бор	0,01-0,03
железо	остальное