RU2101379C1

RU2101379C1 - Antifriction cast iron

Info

Publication number: RU2101379C1
Application number: RU96115676A
Authority: RU
Inventors: Г.И. Сильман; Ю.В. Жаворонков; В.Н. Соболь; А.С. Малахов
Original assignee: Брянская государственная инженерно-технологическая академия; Акционерное общество открытого типа "Термотрон"
Priority date: 1996-07-29
Filing date: 1996-07-29
Publication date: 1998-01-10

Abstract

FIELD: ferrous metallurgy. SUBSTANCE: antifriction cast iron for manufacturing parts for friction assemblies contains (in wt %): carbon, 2.98-3.72; silicon, 1.50-2.58; manganese, 0.37-1.39; chromium, 0.08-0.46; copper, 1.65-3.80; aluminum, 0.06- 0.30; calcium, 0.008-0.02; titanium, 0.02-0.08; tin, 0.005-0.06; and iron, the balance. Cast iron with increased stability of perlite structure is thus obtained. EFFECT: stabilized hardness in moldings with different cross-sections and reduced coefficient of friction when coupled part of heat-treated steel operates under elevated loadings. 2 tbl

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым чугунам с пластинчатым графитом, используемым в узлах трения. The invention relates to the field of metallurgy, in particular to gray cast iron with lamellar graphite used in friction units.

Известен чугун марки АЧС-1 (ГОСТ 1585-85), содержащий, мас. Known cast iron brand ASF-1 (GOST 1585-85), containing, by weight.

Углерод 3,2-3,6
Кремний 1,3-2,0
Марганец 0,6-1,2
Медь 0,8-1,6
Железо и примеси Остальное
Недостатками данного чугуна являются значительное различие структуры и свойств в отливках разного сечения и во многих случаях недостаточная износостойкость (особенно в условиях трения по термообработанной стали при повышенных давлениях).Carbon 3.2-3.6
Silicon 1.3-2.0
Manganese 0.6-1.2
Copper 0.8-1.6
Iron and impurities Else
The disadvantages of this cast iron are a significant difference in structure and properties in castings of different sections and, in many cases, insufficient wear resistance (especially under friction conditions on heat-treated steel at elevated pressures).

Наиболее близким к предлагаемому по составу и свойствам является чугун [1] содержащий, мас. Closest to the proposed composition and properties is cast iron [1] containing, by weight.

Углерод 3,4-3,8
Кремний 2,62-3,2
Марганец 0,4-1,4
Хром 0,26-1,6
Медь 1,82-2,5
Алюминий 0,05-0,2
Кальций 0,005-0,02
Титан 0,1-0,2
Железо Остальное
Повышенные содержания меди и хрома и микролегирование чугуна алюминием, кальцием и титаном повышают прочностные свойства и износостойкость чугуна, но в то же время увеличенное количество карбидов в структуре и нестабильные значения твердости ухудшают обрабатываемость чугуна резанием, что затрудняет изготовление деталей. Другим недостатком чугуна является значительное количество феррита в структуре (из-за повышенного содержания кремния), особенно при толщине стенки отливки более 30 мм. Неоднородность структуры в разных сечениях отливок с наличием в ней структурно свободных участков феррита и включений карбидов приводит к увеличению коэффициента трения в условиях повышенных давлений.Carbon 3.4-3.8
Silicon 2.62-3.2
Manganese 0.4-1.4
Chrome 0.26-1.6
Copper 1.82-2.5
Aluminum 0.05-0.2
Calcium 0.005-0.02
Titanium 0.1-0.2
Iron Else
The increased contents of copper and chromium and the microalloying of cast iron with aluminum, calcium and titanium increase the strength properties and wear resistance of cast iron, but at the same time, the increased amount of carbides in the structure and unstable values of hardness worsen the machinability of cast iron, which makes it difficult to manufacture parts. Another disadvantage of cast iron is a significant amount of ferrite in the structure (due to the increased silicon content), especially when the casting wall thickness is more than 30 mm. The heterogeneity of the structure in different sections of castings with the presence of structurally free sections of ferrite and carbide inclusions in it leads to an increase in the friction coefficient under conditions of high pressures.

Изобретение направлено на стабилизацию значений твердости чугуна в отливках различного сечения и снижение коэффициента трения для условий работы с сопряженной деталью из термообработанной стали при повышенных удельных нагрузках путем повышения стабильности перлитной структуры. The invention is aimed at stabilizing the hardness values of cast iron in castings of various sections and reducing the friction coefficient for working conditions with a mating part made of heat-treated steel at increased specific loads by increasing the stability of the pearlite structure.

Это достигается тем, что чугун, содержащий углерод, кремний марганец, хром, медь, алюминий, кальций и титан, дополнительно содержит слово при следующем соотношении компонентов, мас. This is achieved by the fact that cast iron containing carbon, silicon manganese, chromium, copper, aluminum, calcium and titanium additionally contains the word in the following ratio of components, wt.

Углерод 2,98-3,72
Кремний 1,50-2,58
Марганец 0,37-1,39
Хром 0,08-0,46
Медь 1,65-3,80
Алюминий 0,06-0,30
Кальций 0,008-0,02
Титан 0,02-0,08
Олово 0,005-0,06
Железо Остальное
В качестве примесей в чугуне могут присутствовать сера (до 0,06%) и фосфор (до 0,1%).Carbon 2.98-3.72
Silicon 1.50-2.58
Manganese 0.37-1.39
Chrome 0.08-0.46
Copper 1.65-3.80
Aluminum 0.06-0.30
Calcium 0.008-0.02
Titanium 0.02-0.08
Tin 0.005-0.06
Iron Else
Sulfur (up to 0.06%) and phosphorus (up to 0.1%) may be present as impurities in cast iron.

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений. The composition of cast iron is selected based on the following considerations.

По сравнению с прототипом уменьшено содержание кремния. Поскольку кремний является основным элементом-ферритизатором, то уменьшение его количества приводит к стабилизации перлитной структуры. Если содержание кремния превышает 2,58% то в структуре чугуна появляются участки феррита, что отрицательно сказывается на износостойкости чугуна и коэффициенте трения. Если же содержание кремния меньше 1,5% то в структуре чугуна (особенно в тонкостенных отливках) появляется значительное количество цементита, что резко ухудшает обрабатываемость чугуна резанием. Compared with the prototype, the silicon content is reduced. Since silicon is the main ferritizing element, a decrease in its amount leads to stabilization of the pearlite structure. If the silicon content exceeds 2.58%, sections of ferrite appear in the structure of cast iron, which negatively affects the wear resistance of cast iron and the friction coefficient. If the silicon content is less than 1.5%, a significant amount of cementite appears in the structure of cast iron (especially in thin-walled castings), which sharply affects the machinability of cast iron by cutting.

В составе чугуна увеличен верхний предел содержания меди (до 3,8%), что обеспечивает не только перлитизацию структуры, но и образование значительного количества включений медистой фазы, обеспечивающих снижение коэффициента трения. Увеличение содержания меди сверх 3,8% нецелесообразно, т.к. при этом увеличивается стоимость чугуна без заметного повышения свойств. Содержание меди в чугуне менее 1,65% не обеспечивает полную перлитизацию структуры в образовании медистой фазы, особенно при содержании кремния на верхнем пределе, в результате чего значительно снижаются свойства чугуна. The composition of cast iron increased the upper limit of the copper content (up to 3.8%), which provides not only perlitization of the structure, but also the formation of a significant number of inclusions of the copper phase, which provide a decrease in the friction coefficient. An increase in copper content in excess of 3.8% is impractical because at the same time, the cost of cast iron increases without a noticeable increase in properties. The copper content of cast iron of less than 1.65% does not provide complete perlitization of the structure in the formation of the copper phase, especially when the silicon content is at the upper limit, resulting in significantly reduced properties of cast iron.

По сравнению с прототипом уменьшено содержания титана, так как изменена его роль в составе. Титан в виде ферротитана вводится в жидкий чугун в качестве модификатора и должен обеспечить образование мелкозернистой структуры при отсутствии свободного цементита. Эта роль титана обеспечивается при его остаточном содержании в заявляемых пределах. При содержании титана менее 0,02% его модифицирующий эффект не усиливается, но увеличивается стоимость чугуна. Compared to the prototype, the titanium content is reduced, since its role in the composition is changed. Titanium in the form of ferrotitanium is introduced into molten iron as a modifier and should ensure the formation of a fine-grained structure in the absence of free cementite. This role of titanium is provided with its residual content within the claimed limits. When the titanium content is less than 0.02%, its modifying effect is not enhanced, but the cost of cast iron increases.

Дополнительный ввод олова в состав чугуна обусловлен его сильным перлитизирующим действием, особенно в сочетании с медью и кремнием. Минимальные количества олова (0,005%) достаточны при повышенном содержании меди (3,0-3,8% ) и средних содержаниях кремния (около 2%); верхний предел содержания олова (006% ) необходим при минимальных количествах меди (1,60-2,0%) и для отливок больших сечений (30 мм и более). Использование большого количества олова экономически нецелесообразно из-за его очень высокой стоимости. The additional introduction of tin into the composition of cast iron is due to its strong perlitizing effect, especially in combination with copper and silicon. Minimum amounts of tin (0.005%) are sufficient with an increased copper content (3.0-3.8%) and average silicon contents (about 2%); the upper limit of the tin content (006%) is necessary for minimal amounts of copper (1.60-2.0%) and for castings of large cross sections (30 mm or more). The use of large amounts of tin is not economically feasible due to its very high cost.

Содержание остальных компонентов сплава соответствуют составу прототипа. The content of the remaining components of the alloy corresponds to the composition of the prototype.

Чугун выплавляли в индукционной тигельной печи с кислой футеровкой на шихте, состоящей из отходов углеродистой стали, передельного чугуна, ферросплавов (ферросилиция, ферромарганца, феррохрома), отходов электротехнической меди и алюминия. Ферросплавы вводили в расплав при 1350-1380^oC, после их расплавления вводили медь и алюминий. Алюминий частично использовали в составе комплексного модификатора совместно с силикокальцием, ферротитаном и оловом. Модифицирование проводили при переливе металла из печи в разливочный ковш.Cast iron was smelted in an induction crucible furnace with an acid lining on a charge consisting of carbon steel waste, pig iron, ferroalloys (ferrosilicon, ferromanganese, ferrochrome), waste electrical copper and aluminum. Ferroalloys were introduced into the melt at 1350-1380 ^o C, after their melting introduced copper and aluminum. Aluminum was partially used as part of a complex modifier together with silicocalcium, ferrotitanium and tin. The modification was carried out when the metal was poured from the furnace into the casting ladle.

Жидкий чугун разливали в сухие песчано-глинистые формы. Отливали цилиндрические пробы двух размеров: диаметром 30 мм и длиной 300 мм, диаметром 100 мм и высотой 180 мм. Пробы обрабатывали на токарном станке с использованием резцов из твердого сплава ВК 6. Из проб вырезали образцы для металлографического анализа, определения твердости и испытаний на износ. Испытания на износ проводили на машине МИ-IМ в условиях сухого трения по схеме вращающийся диск -неподвижная колодка. Диск контртела изготавливали из стали 45 и термообрабатывали на HRC_э45-46. Испытания проводили при скорости скольжения V 40 м/мин при удельных нагрузках 1,5 и 5,0 МПа. Износ определяли по потере массы образца в процессе изнашивания. Параллельно определяли коэффициент трения.Liquid cast iron was poured into dry sand and clay forms. Cylindrical samples were cast in two sizes: with a diameter of 30 mm and a length of 300 mm, a diameter of 100 mm and a height of 180 mm. Samples were processed on a lathe using VK 6 carbide cutters. Samples were cut from samples for metallographic analysis, determination of hardness and wear tests. Wear tests were carried out on a MI-IM machine in dry friction according to the scheme of a rotating disk - fixed block. The counterbody disk was made of steel 45 and heat treated on HRC _e 45-46. The tests were carried out at a sliding speed of V 40 m / min at specific loads of 1.5 and 5.0 MPa. Depreciation was determined by the weight loss of the sample during the wear process. In parallel, the coefficient of friction was determined.

Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены соответственно в табл. 1 и 2 в сопоставлении с прототипом. The chemical compositions of the alloys and the results of their tests are given respectively in table. 1 and 2 in comparison with the prototype.

Видно, что чугун предлагаемого состава (сплавы 1-4) отличается от прототипа сочетанием более стабильной перлитной структуры, стабилизированных в узком интервале значений твердости и низких значений коэффициента трения и интенсивности изнашивания, причем это характерно для отливок разного сечения. Из сопоставления с бронзой БРОЦС 5-5-5 видно, что при повышенных давлениях предлагаемый чугун по коэффициенту трения не уступает бронзе, а по износостойкости значительно превосходит ее. Это позволяет рекомендовать данный чугун в качестве полноценного заменителя бронзы для деталей, работающих в узлах трения при повышенных удельных нагрузках. It can be seen that the cast iron of the proposed composition (alloys 1-4) differs from the prototype in the combination of a more stable pearlite structure, stabilized in a narrow range of hardness values and low values of the friction coefficient and wear rate, and this is typical for castings of different sections. Comparison with bronze BROTSS 5-5-5 shows that at elevated pressures, the proposed cast iron in terms of friction coefficient is not inferior to bronze, and significantly exceeds it in terms of wear resistance. This allows us to recommend this cast iron as a full-fledged substitute for bronze for parts operating in friction units at high specific loads.

Из приведенных в табл. 1 и 2 данных видно также, что при выходе за предлагаемые пределы содержания компонентов в чугуне (сплавы 5 и 6) наблюдается значительное отклонение от чисто перлитной структуры (появляются структурно свободные участки феррита и цементита), приводящие к существенным отклонениям от оптимального уровня (около НВ 200) значений твердости и повышению коэффициента трения. From the above table. Figures 1 and 2 also show that when the content of components in cast iron (alloys 5 and 6) is exceeded, a significant deviation from the pure pearlite structure is observed (structurally free areas of ferrite and cementite appear), leading to significant deviations from the optimal level (near HB 200) values of hardness and increase the coefficient of friction.

Claims

Anti-friction cast iron containing carbon, silicon, manganese, chromium, copper, aluminum, calcium and titanium, characterized in that it additionally contains tin in the following ratio of components, wt.

Carbon 2.98 3.72
Silicon 1.50 2.58
Manganese 0.37 1.39
Chrome 0.08 0.46
Copper 1.65 3.80
Aluminum 0.06 0.30
Calcium 0.008 0.02
Titanium 0.02 0.08
Tin 0.005 0.06
Iron Rest $