ВЫСОКОПРОЧНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН

Изобретение относится к области металлургии, в частности к высокопрочным чугунам для изготовления антифрикционных отливок, получаемых при модифицировании их магнием и церием и используемых в литом состоянии для ответственных деталей двигателей Евро-3 и Евро-4, работающих в условиях трения, износа, повышенных механических и термоциклических нагрузок.

Известен антифрикционный магний-цериевый чугун марки ЧВГ-45, рекомендованный в ГОСТ 26394-89 для аналогичных отливок. Предельный режим эксплуатации деталей из этого чугуна в условиях трения не превышает 12-15 МПа · м/с. Чугун обладает низкими характеристиками твердости (190-250 НВ) и относительного удлинения (0,8-1,5%).

Известен также высокопрочный антифрикционный чугун марки АЧВ-2 (ГОСТ 1585-85), обеспечивающий получение в отливках перлитно-ферритной структуры с повышенными пластическими свойствами. Однако в условиях трения этот чугун имеет низкую износостойкость, недостаточные характеристики твердости (167-197 НВ) и допустимого предельного режима работы (менее 12 МПа·м/с).

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предложенному является высокопрочный антифрикционный чугун (Патент RU 2352675, МПК С22С 37/00, 2009) следующего химического состава, мас.%:

Известный чугун обладает следующими механическими и эксплуатационными свойствами:

Недостатком известного чугуна являются низкая износостойкость и высокая склонность к трещинообразованию.

Задачей данного технического решения является снижение склонности к трещинообразованию и повышение износостойкости.

Поставленная задача решается тем, что высокопрочный антифрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, медь, никель, хром, магний, церий, олово, фосфор, кальций и железо, дополнительно содержит титан, цирконий, азот и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Дополнительное введение титана обусловлено тем, что он является эффективной микролегирующей добавкой, повышающей дисперсность структуры чугуна в отливках, трещиностойкость и снижающей коэффициент трения и скорость изнашивания чугуна в условиях интенсивного трения. При содержании титана до 0,15% износостойкость и трещиностойкость недостаточны. При повышении концентрации титана более 0,35% увеличивается неоднородность структуры, снижаются характеристики упруго-пластических свойств и предела текучести.

Дополнительное введение циркония в чугун снижает отбел в тонких стенках отливок, повышает однородность структуры, трещиностойкость и упругопластические свойства. При повышении содержания циркония более 0,22% увеличивается содержание феррита в структуре, снижаются характеристики твердости, износостойкости и эксплуатационных свойств. При содержании циркония до 0,06% его влияние на трещиностойкость, упругопластические свойства и структуру чугуна в отливках сказывается незначительно.

Азот в количестве 0,01-0,03% способствует образованию нитридов, измельчению структуры и повышению трещиностойкости и механических свойств. При концентрации азота до 0,01% его влияние на структуру и свойства сказывается незначительно, а при увеличении содержания азота более 0,03% нитриды начинают располагаться по границам зерен, что снижает характеристики трещиностойкости, ударной вязкости и эксплуатационных свойств.

Алюминий в количестве 0,002-0,01% способствует повышению однородности структуры, раскисляет расплавленный металл, повышает трещиностойкость, механические и антифрикционные свойства чугуна. При концентрации алюминия более 0,01% повышается содержание феррита в структуре, снижаются износостойкость и эксплуатационные свойства. При содержании алюминия до 0,002% раскисление расплавленного металла осуществляется недостаточно.

Опытные плавки чугуна проводят в индукционных тигельных печах с использованием литейных чугунов марки Л2ШБ2, передельного чугуна ПЛ11Б2, стального лома марок 1А и 2А, чугунного лома марки 17А, азотированного ферромарганца марки ФМн78-2Н, олова марки О1пч, катодной меди марки M1 к, полуфабрикатного никеля марки НП3, доменного феррофосфора марки ФФ16, титанциркониевой лигатуры марки Ти20Цр7, силикокальция марки ФСК15А2 (ТУ 14-5-142-83), доменного ферросилиция и других ферросплавов. Температура выплавляемого чугуна составляет 1480-1500°C. После рафинирования расплава в печи производят процесс легирования с использованием катодной меди, азотированного ферромарганца, никеля, меди и титанциркониевой лигатуры. Сфероидизирующее модифицирование производят магний- и церийсодержащими комплексными модификаторами при выпуске расплава из печи в раздаточные ковши, а графитизирующее - в разливочных ковшах с использованием алюминотермических смесей, содержащих силикокальций марки ФСК15А2.

Заливку модифицированного чугуна при температуре 1350-1380°C производят в литейные песчано-глинистые формы для получения образцов для механических испытаний антифрикционных деталей двигателей и технологических проб.

В таблице 1 (фиг.1) приведены химические составы чугунов опытных плавок, а в таблице 2 (фиг.2) - их механические и эксплуатационные свойства.

Для определения трещиностойкости использовали звездообразные пробы диаметром 250 мм и высотой 140 мм. Динамическую прочность определяли на образцах с размерами 10×10×55 мм с надрезом 0,2 мм.

Износостойкость чугуна и предельный режим работы при трении определяли по стандартным методикам при испытании в условиях сухого трения. Механические испытания проведены в соответствии с ГОСТ 27208-87.

Как видно из таблицы 2 (фиг.2), предложенный высокопрочный чугун обладает более высокими характеристиками износостойкости при сухом трении и трещиностойкости, чем известный.