Антифрикционный чугун

Антифрикционный чугун

Реферат

Изобретение относится к металлургии, а именно к износостойким чугунам для изготовления деталей маслот уплотнительных колец, работающих при больших удельных давлениях.

Известен антифрикционный чугун (а.с. СССР №836185, С22С 37/00, 1981), содержащий, мас.%:

Углерод	3,0-3,4
Кремний	1,6-2,2
Марганец	0,005-0,04
Сера	0,1-0,2
Сурьма	0,15-0,25
Железо	Остальное

Твердость чугуна - 224-230 НВ.

Известный чугун обладает высокой износостойкостью, но недостаточными пластическими и антифрикционными свойствами.

Известен антифрикционный чугун (Патент Японии №58-171553, кл. С22С 37/10, 1983) следующего химического состава, мас.%:

Углерод	2,5-3,8
Кремний	3,5-4,8
Марганец	до 1,0
Фосфор	до 0,1
Сера	до 0,1
Молибден	0,5-2,0
Церий	0,02-0,5
Железо	Остальное

Известный чугун имеет ферритную структуру и низкую износостойкость.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является антифрикционный чугун (а.с. СССР №956595, кл. С22С 37/10, 1982) следующего химического состава, мас.%:

Углерод	2,0-2,6
Кремний	3,2-4,4
Марганец	0,5-1,0
Сурьма	0,01-0,08
Алюминий	0,01-0,1
Железо	Остальное

Микроструктура чугуна в литом состоянии состоит из перлита, точечного и мелкодисперсного графита с междендритным расположением. После термической обработки по режиму: нагрев до температуры 950°С, выдержка, закалка в масле, отпуск при температуре 360°С, микроструктура чугуна состоит из нижнего бейнита, мелкоигольчатого мартенсита, точечного и мелкодисперсного графита с междендритным расположением. Этот антифрикционный чугун обладает следующими свойствами:

Временное сопротивление, МПа	270-330
Износ приведенный, мг/м2*ч:
При +20°С	0,087-0,135
При -20°С	0,192-0,274
Нагрузка, вызывающая задир,
МПа, не менее:
При +20°С	3,4-3,8
При -20°С	1,7-2,6
Условный модуль упругости, ГПа	105-120
Остаточная деформация маслот
уплотнительных колец, %	7-9

Недостатком известного чугуна является нестабильность технологических и эксплуатационных свойств.

Задачей данного технического решения является повышение модуля упругости и стабильности эксплуатационных свойств, в результате чего увеличивается износостойкость маслот уплотнительных колец.

Поставленная задача решается: в чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, сурьму и железо, дополнительно вводят хром, никель, кальций, фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	2,8-3,6
Кремний	2,1-3,8
Марганец	0,7-1,2
Алюминий	0,01-0,03
Хром	0,10-0,50
Никель	0,08-0,60
Кальций	0,02-0,06
Фосфор	0,12-0,45
Сурьма	0,002-0,07
Железо	Остальное

Чугун выплавляют в индукционной электропечи ИСТ - 0,16 с перегревом расплава до температуры 1440-1460°С и доводкой химического состава по основным (углерод и кремний) и легирующим (хром, никель, марганец) компонентам. В качестве шихтовых материалов использую передельные и литейные чугуны, чугунный и стальной лом, ферромарганец, силикокальций, феррохром, феррофосфор, никель НПЗ, металлическую сурьму, ферроалюминий и ферросилиций.

Микролегирование сурьмой, феррохромом, никелем и ферромарганцем проводят в электропечи, а модифицирование силикокальцием и алюминием - в разливочных ковшах с использованием экзотермических таблеток. Заливку расплава в литейные формы проводят при температуре 1380-1330°С.

В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.

Таблица 1
Элемент	Химический состав чугунов, мас.%
1 (изв)	2	3	4	5	6
Углерод	2,5	2,8	3,4	3,6	2,6	3,8
Кремний	3,3	2,1	2,6	3,8	1,6	4,0
Марганец	0,9	0,7	1,0	1,2	0,5	1,3
Сурьма	0,08	0,002	0,005	0,07	0,01	0,1
Алюминий	0,07	0,01	0,02	0,03	0,002	0,05
Кальций	-	0,02	0,04	0,06	0,02	0,08
Никель	-	0,08	0,40	0,60	0,01	0,71
Хром	-	0,1	0,18	0,50	0,04	0,57
Фосфор	-	0,12	0,25	0,45	0,06	0,53
Железо	Ост.	Ост.	Ост.	Ост.	Ост.	Ост.

В табл.2 приведены механические, технологические и антифрикционные свойства чугунов опытных плавок.

Таблица 2
Чугун	Твердость HRB	Износ приведенный, мг/м2*м	Модуль упругости, ГПа	Нагрузка, вызывающая задир, МПа	Ударная вязкость Дж/см2	Остаточная деформация, %	Эксплуатационная стойкость, ч
1 (изв.)	98	0,092	118	3,5	30	8,6	1380
2	99	0,040	126	9,6	35	9,2	1730
3	106	0,034	132	10,2	38	9,7	1880
4	104	0,042	130	9,8	34	9,5	1792
5	98	0,078	120	4,6	31	8,7	1420
6	95	0,085	124	5,3	27	8,5	1580

Кальций в количестве 0,02-0,06 мас.% микролегирует матрицу, улучшает форму графита, очищает границы зерен от неметаллических включений, повышает стабильность структуры, коэффициента трения и механических свойств. При содержании кальция до 0,02 мас.% микролегирующий эффект проявляется слабо, существенного повышения стабильности коэффициента трения и механических свойств не достигается. Верхний предел содержания кальция ограничен концентрацией 0,06 мас.%, выше которой возрастает количество неметаллических включений, т.к. кальций полностью не растворяется в металлической основе, что приводит к снижению ударной вязкости и пластичности.

Хром в количестве 0,10-0,50 мас.% измельчает структуру матрицы в литом состоянии и после термической обработки повышает износостойкость и стабильность механических и эксплуатационных свойств и коэффициента трения. При концентрации хрома до 0,10 мас.% измельчение структуры и повышение износостойкости, стабильности механических, технологических и эксплуатационных свойств недостаточны, а при концентрации более 0,50 мас.% усиливаются ликвационные процессы, увеличивается неоднородность структуры, снижается стабильность технологических и антифрикционных свойств чугуна.

Никель в количестве 0,08-0,60 мас.% улучшает и стабилизирует структуру и повышает технологические и антифрикционные свойства чугуна в широком интервале температур. Концентрация никеля определена экспериментально. При увеличении содержания никеля более 0,60 мас.% увеличивается угар металла, усиливаются процессы каогуляции и увеличивается содержание неметаллических включений по границам зерен, что снижает стабильность пластических свойств. При содержании никеля до 0,08 мас.% снижается стабильность антифрикционных свойств.

Фосфор измельчает структуру сорбитообразного перлита, образует фосфидную эвтектику, повышает технологические и эксплуатационные свойства. При концентрации фосфора до 0,12 мас.% твердость, износостойкость, технологические и эксплуатационные свойства недостаточны, а при увеличении концентрации фосфора более 0,45 мас.% снижается однородность фосфидной эвтектики и структуры чугуна, уменьшается стабильность технологических и эксплуатационных свойств.

Содержание углерода принято в соответствии с практикой производства чугунов с однородной структурой и стабильным коэффициентом трения, а концентрация кремния ограничена пределами 2,1-3,8 мас.%. При повышении содержания кремния более 3,8 мас.% снижается дисперсность графита, уменьшаются хладостойкость, коэффициент трения, механические свойства и их стабильность. Содержание марганца в чугуне повышено до 0,7-1,2 мас.% для увеличения пластических свойств и снижения коэффициента трения, а алюминий принят в количестве 0,01-0,03 мас.%, т.е. в количестве, не снижающем пластические свойства и оказывающем необходимый модифицирующий эффект, способствующий измельчению структуры и стабилизации коэффициента трения.

Микролегирование сурьмой в количестве 0,002-0,07 мас.% нейтрализует примеси, измельчает структуру и повышает стабильность коэффициента трения и пластических свойств в широком интервале температур. Верхний предел сурьмы 0,07 мас.% ограничен ее низкой растворимостью в чугуне, а при снижении его менее 0,002 мас.% увеличивается износ чугуна.

Угар микролегирующих добавок составил: сурьмы - 26%, никеля - 14%, кальция - 32% и хрома - 10%.

Механические свойства чугунов определяли по стандартным образцам после отпуска при температуре 360°С в течение двух часов.

Как видно из таблицы 2, предлагаемый чугун имеет более высокий уровень механических, технологических и антифрикционных свойств и более стабильные характеристики коэффициента трения, износостойкости и противозадирных свойств, чем у базового антифрикционного чугуна.

Использование предлагаемого чугуна в качестве конструкционного материала для маслот уплотнительных колец и для производства деталей, испытывающих в процессе эксплуатации высокие удельные нагрузки, значительно повышает их надежность эксплуатации и дает возможность заменить стальные литые заготовки чугунными и снизить трудоемкость изготовления антифрикционных деталей.

Антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, алюминий, сурьму и железо, отличающийся тем, что он дополнительно содержит хром, никель, кальций и фосфор при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод	2,8-3,6
Кремний	2,1-3,8
Марганец	0,7-1,2
Алюминий	0,01-0,03
Хром	0,10-0,50
Никель	0,08-0,60
Кальций	0,02-0,06
Фосфор	0,12-0,45
Сурьма	0,002-0,07
Железо	Остальное