ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР

Половинчатый чугун используется в машиностроении для деталей высоконагруженных узлов трения и содержит компоненты вследующем соотношении, мас.%:

Углерод - 3,54 - 4,39

Кремний-2,97-4,03

Марганец - 6,3 - 9,8

Хром-0,73-1,59

Ванадий-1,32-3,25

Медь- 1,64-3,16

Алюминий - 0,04 - 0,28

Магний - 0,03 - 0,06

Кальций - 0,006 - 0,03

РЗМ - 0,01 - 0,04

Железо - Остальное.

В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,02%) и фосфор (до 0,1%).

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений.

Резко увеличено содержание марганца в чугуне с целью получения аустенитной основы в его структуре. Аустенитная структура легко наклепывается в процессе работы узла трения, особенно при повышенных нагрузках, что приводит к сохранению композитной структуры на поверхности трения, повышению износостойкости чугуна и снижению коэффициента трения. При содержании марганца менее 6,3% количество аустенита в структуре чугуна уменьшается, появляется мартенситно-трооститная структура, что приводит к повышению твердости и ухудшению антифрикционных свойств чугуна. При содержании марганца 9,8% чугун имеет полностью аустенитную структуру матрицы даже в толстостенных отливках и более высокое содержание марганца приводит только к повышению устойчивости аустенита, уменьшая его способность наклепываться при нагружении.

Содержание ванадия в чугуне увеличено с целью получения в его структуре эвтектики на основе карбидов ванадия. Такая эвтектика обеспечивает формирование композитной аустенитно-карбидно-графитной структуры как по всему объему изделия, так и на поверхности трения. При содержании ванадия менее 1,32% образуется значительное количество сложной эвтектики на основе карбидов М ₇Сз (типа Сr₇Сз) и легированного цементита, что нарушает композитный характер структуры и ухудшает свойства чугуна. Содержание ванадия более 3,25% не влияет на композитный характер структуры, но приводит к уменьшению количества графита, ухудшая антифрикционные свойства чугуна.

В связи с увеличением количества марганца и ванадия, являющихся карбидообразующими и отбеливающими элементами (способствующими образованию структуры белого чугуна), в составе чугуна увеличено и содержание кремния как по нижнему (2,97%), так и по верхнему (4,03%) пределу. При содержании кремния меньше 2,97% усиливается склонность чугуна к отбелу, что проявляется в повышении твердости, снижении прочности и ухудшении антифрикционных свойств чугуна. При содержании более 4,03% кремний снижает механические свойства чугуна и его износостойкость.

Остальные компоненты содержатся в чугуне в пределах, аналогичных прототипу, и их влияние не отличается от изложенного в описании прототипа.

Чугун выплавляли в индукционной тигельной печи ИСТ-0.06 с основной хромомагнезитовой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, передельного чугуна, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома, феррованадия), электродного боя, отходов электротехнической меди и алюминия. Алюминий и медь использовались частично и в составе комплексного модификатора совместно с лигатуройFе-Si-Мg-Са-РЗМ и добавками РЗМ в виде ферроцерия.

Модифицирование чугуна проводили в разливочном ковше емкостью 50 кг методом сандвич-процесса, пригружая модифицирующую смесь отходами меди. Температура модифицируемого металла составляла 1450-1480°С.

Жидкий чугун разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали стандартные разрывные образцы диаметром 10 мм (типа образцов для ковкого чугуна) и пластины сечением 15х15 мм. Из последних изготавливали образцы для проведения испытаний на износ и металлографического анализа. Литые образцы и пластины подвергали термической обработке, состоящей из отжига для частичной графитизации карбидов (950 °С, 2 часа), закалки на воздухе и отпуска для снятия напряжений (180°С, 1 час).

Испытания на износ проводили на модернизированной машине МИ-1М в условиях сухого трения (без смазки) по схеме "вращающийся диск-неподвижная колодка". Диск контртела диаметром 50мм изготавливали из стали 45, термообработанной на НRС _э46. Испытания проводили при частоте вращения диска 250об/мин с удельными нагрузками 1,5 и 20 МПа. Износ определяли по потере массы образца в процессе изнашивания (на 1 см ² поверхности трения при пути трения 1 км). Параллельно определяли коэффициент трения.

Химические составы чугунов и результаты их испытаний приведены в табл. 1 и 2 в сопоставлении с известным чугуном (прототипом).

Видно, что чугун предлагаемого состава отличается от известного более высокими прочностными свойствами и износостойкостью при пониженном коэффициенте трения. Особенно преимущества предлагаемого чугуна видны при сухом трении в условиях больших нагрузок (например, при Р=20 МПа).

При выходе за предлагаемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 6 и 7) существенно ухудшаются его свойства: у чугуна состава 6 - прочность и коэффициент трения, у чугуна состава 7 - износостойкость и коэффициент трения.

Таблица 1

Химические составы сплавов

Таблица 2

Свойства чугунов (после термической обработки)