Результат интеллектуальной деятельности: ЧУГУН

Изобретение относится к литейному производству, а именно к изысканию легированного чугуна для производства деталей, предназначенных для работы в условиях интенсивного ударно-фрикционного износа под воздействием циклических нагрузок, в частности для изготовления узлов тележек грузовых вагонов.

Известен чугун (см., например, описание к патенту РФ 2234553, C1, C22C 37/10, 2004 г.), выбранный в качестве прототипа по содержанию входящих компонентов и имеющий следующий состав, мас.%: углерод 3,2-4,0; кремний 1,4-2,5; марганец 0,4-1,2; хром 7,0-10,0; никель 2,5-5,5; бор 0,2-0,4; ванадий 0,6-1,0; алюминий 0,05-0,15; церий 0,05-0,20; магний 0,03-0,12; кальций 0,05-0,20; железо - остальное.

Указанный чугун, металлическая основа которого содержит большое количество твердой карбидной фазы (25-32%), обладает повышенной твердостью (до 65 HRC) и соответственно износостойкостью в условиях ударно-фрикционного износа. Однако из-за низкой вязкости и повышенной хрупкости указанного чугуна износостойкие детали из него чувствительны к разрушению в условиях воздействия циклических нагрузок.

Задачей предложенного изобретения является создание чугуна с высокой вязкостью для работы в условиях интенсивного ударно-фрикционного износа под воздействием циклических нагрузок.

Техническим результатом является повышение прочности, твердости и стойкости чугуна по сравнению с известным чугуном в условиях ударно-фрикционного изнашивания под воздействием циклических нагрузок и сохранение высоких показателей литейных свойств.

Указанный технический результат обеспечивается тем, что в предложенный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, хром, никель, кальций, алюминий, железо, дополнительно введены сера, фосфор, медь, молибден, цирконий и барий при следующем соотношении компонентов, мас.%: углерод - 2,4-2,9, кремний - 1,2-1,5, марганец - 0,7-1,1, сера - 0,05-0,1, фосфор - 0,05-0,1, хром - 0,05-0,3, никель - 0,5-0,8, медь - 0,05-0,3, молибден - 0,6-0,9, цирконий - 0,0005-0,1, барий - 0,0005-0,1, кальций - 0,0005-0,1, алюминий - 0,0005-0,1, железо - остальное.

Снижение содержания углерода в чугуне позволяет уменьшить количество твердой карбидной фазы типа (Cr, Fe)7C3.

Введение углерода в количестве менее 2,4% не обеспечивает получение в структуре чугуна структурно-свободного углерода в виде графита шаровидной формы, что резко снижает прочностные характеристики чугуна. Увеличение содержания углерода свыше 2,9% способствует выделению повышенного количества твердой карбидной фазы, что также значительно понизит прочностные характеристики чугуна.

Сера в пределах 0,05-0,1 мас.% способствует увеличению прочности и упругости чугуна.

Фосфор в пределах 0,05-0,1 мас.% увеличивает сопротивление износу вследствие образования износостойкой фосфидной эвтектики.

Хром менее 0,05% не влияет сколько-нибудь заметно на свойства чугуна, а более 0,3% вводить нецелесообразно, так как в структуре чугуна начинают выделятся карбиды хрома, растет их количество и увеличиваются размеры включений, что отрицательно сказывается на обрабатываемости и пластичности чугуна.

Никель в пределах 0,5-0,8 мас.% легирует металлическую матрицу сплава, что повышает его прочностные свойства. При этом никель повышает окалиностойкость сплава. Присадка никеля более 0,8 мас.% увеличивает графитизирующие свойства, что снижает его окалиностойкость, а при содержании менее 0,5 мас.% не оказывает существенного влияния на свойства чугуна.

Медь в пределах 0,05-0,3 мас.% способствует аустенизации и повышает жидкотекучесть чугуна, выравнивает твердость чугуна и одновременно немного ее повышает.

Дополнительное введение молибдена в количестве 0,6-0,9 мас.% способствует измельчению и микролегированию металлической основы, упрочняет ее, повышает плотность, твердость, термическую стойкость, удароустойчивость чугуна, что обеспечивает как повышение износостойкости в условиях сухого трения, так и стабильности поверхностной твердости и предела выносливости при консольном изгибе.

Барий, цирконий в заявленных пределах совместно с кальцием способствуют получению сплава с благоприятными мелкими глобулярными включениями, равномерно распределенными по объему сплава, что в свою очередь повышает механические свойства и ударную вязкость материала. Кроме того, данные раскислители обеспечивают, вследствие значительного снижения содержания кислорода в сплаве стали, гарантированное образование нитридов алюминия, измельчающих зерно сплава стали и повышающих механические свойства и ударную вязкость.

Большое значение в процессе структорообразования чугуна и формирования требуемого уровня механических свойств отливок имеет суммарное содержание графитизирующих элементов углерода и кремния, серы и фосфора, соотношение содержания марганца и серы.

Исследования показали, что наилучшие результаты обеспечивает соблюдение суммарного содержания углерода и кремния менее 5,0% [(C+Si)≤5,0%]. Превышение данной величины приводит к существенному снижению степени эвтектичности чугуна и способствует подавлению механизма графитизирующего модифицирования.

Суммарное содержание остаточных примесей серы и фосфора менее 0,3% [(S+P)≤0,3%] не ухудшает литейные свойства чугуна, уменьшает образование газовых раковин, снижает склонность металла к зональной и дендритной ликвации. При превышении данного значения снижается деформационная способность металла и механические свойства, включая предел прочности при растяжении.

Соблюдение соотношения содержания марганца к сере более 6,5 (Mn/S>6,5%) повышает качество литого металла, его технологичность. При этом избыточная часть серы в чугуне связывается в сульфид марганца и выводится в шлак.

Чугун выплавляют в индукционных электропечах и отливают в формы.

Полученный более высокий уровень физико-механических, технологических и служебных характеристик металла отливки обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами. Сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным соотношением вводимых микролегирующих и модифицирующих добавок, а также контролем чистоты металла по остаточным примесям, во многом определяющим процессы структурообразования и формирования всего комплекса свойств чугуна.