ИННОВАЦИИ БИЗНЕСУ

Результат выполнения НИР.

Предлагаемый антифрикционный чугун содержит: углерод, кремний, марганец, хром, медь, алюминий, кальций и титан, дополнительно содержит олово при следующем соотношении компонентов, мас.

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%).

Состав чугуна выбран, исходя из следующих соображений.

В чугуне 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.

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.

Уменьшено также содержание 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.

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 (0,006%) 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.

Содержание остальных компонентов сплава соответствуют составу прототипа.

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°С, 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.

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-1М в условиях сухого трения по схеме вращающийся диск - неподвижная колодка. Диск контртела изготавливали из стали 45 и термообрабатывали на НRС _Э 4546. 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.

Химические составы сплавов и результаты их испытаний приведены соответственно в табл. 1 и 2 в сопоставлении с прототипом.

Таблица 1

Таблица 2

Результаты испытаний

______________

*) Износ определяется в мг/см ² на пути трения 1 км.

Примечание: Значения износа и коэффициента трения представлены в виде дроби;

причем в числителе приведены значения при удельной нагрузке 1,5 МПа,

а в знаменателе - при 5,0 МПа.

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.

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.