Антифрикційний сплав на основі заліза і спосіб його одержання і термообробки

1. Анти фрикційний сплав на основі заліза, що містить кремній, марганець, вуглець, сірку, фосфор та інше залізо, який відрізняється тим, що компоненти узяті при наступному співвідношенні мас.%: кремній 0,9-1,1 марганець 0,2-0,4 вуглець 1,3-1,5 сірка 0,03 фосфор 0,05 залізо інше. 38979 графітови х включень на зносостійкість і антифрикційність у процесі роботи виробів при сухому терті. Усталостна міцність і контактна витривалість у даних сплавах дуже низька. Для одержання з даного сплаву деталей з більш високими експлуатаційними показниками необхідно піддавати їх високотемпературній нітроцементації в печах типу Ц-25 у середовищі ендогазу з добавками природного газу й аміаку, що значно здорожує технологію їх одержання і робить її трудомісткою. В основу винаходу поставлена задача, удосконалити антифрикційний сплав на основі заліза, шляхом зміни вмісту компонентів і співвідношення їх мас, забезпечити графітизацію сплаву і, за рахунок цього, значно здешевіти і поліпшити його експлуатаційні властивості. Поставлена задача вирішується тим, що в антифрикційному сплаві на основі заліза, що містить кремній, марганець, вуглець, сірку, фосфор та інше залізо, відповідно до винаходу, компоненти узяті при наступному співвідношенні мас.%: кремній 0,9-1,1 марганець 0,2-0,4 вуглець 1,3-1,5 сірка 0,03 фосфор 0,05 залізо інше. В основу винаходу поставлена задача удосконалити спосіб одержання і термообробки антифрикційного сплаву, шляхом зміни режимів виплавки і термообробки забезпечити реструктуризацію сплаву і, за рахунок цього, одержати сплав з високими експлуатаційними властивостями і значно зменшити витрати на технологію одержання і термообробки. Поставлена задача досягається тим, що в способі одержання і термообробки антифрикційного сплаву, який включає виплавку сплаву в електропечі, зливання його в ківш, заливання його в ливарну форму, о холодження сплаву до температури навколишнього середовища із наступною його термообробкою, що включає нагрівання сплаву, його витримку, о холодження з піччю, і охолодження в печі з відкритим подом до температури навколишнього середовища, відповідно до винаходу, виплавку сплаву ведуть при температурі 15401580°С, заливання сплаву у ливарну форму здійснюють при температурі 1460-1480°С, а при термообробці сплаву в термопечі піднімають температуру до 900°С, при якій сплав витримують протягом 4-х годин, охолодження сплаву з піччю здійснюють у два етапи, між якими сплав витримують протягом 5-й годин при температурі 726°С, причому на першому етапі охолодження ведуть протягом 24-х годин до температури 726°С, а на другому етапі охолодження ведуть протягом 5-й годин до температури 660°С. Найбільш сприятливою структурою антифрикційного сплаву для деталей, що працюють у вузлах тертя-ковзання, виходячи з умов високої міцності і зносостійкості, є ферито-перліто-кулястографітова стр уктура. Винахід ілюстр ується прикладами, результати досліджень яких наведені в табл. 1. Дослідженнями встановлено, що при вмісті 0,9-1,1% кремнію в антифрикційному сплаві за ви находом забезпечується графітизація сплаву. Наявність включень графіту в стр уктурі сплаву сприяє зменшенню коефіцієнта тертя, однак його кількість повинна бути невелика, тому що зі збільшенням його вмісту коефіцієнт тертя змінюється незначно, а міцності і пластичні характеристики погіршуються. Вміст 1,3-1,5% вуглецю в сплаві за винаходом сприяє збільшенню його міцності. Поява в структурі вільного вуглецю знижує коефіцієнт тертя. Вміст марганцю 0,2-0,4% сприяє підвищенню глибини прогартовування сплаву. Установлено позитивний вплив сірки на зносостійкість сплаву. Позитивний вплив сірки на антифрикційні властивості сплаву пояснюється тим, що сульфіди впливають на тертьові поверхні. Сірка сприяє збереженню стійкості перліту при графітизуючому відпалі сплаву. Вона робить також модифікуючий вплив, сприяє одержанню графіту компактної форми. Ці фактори позитивно позначаються на антифрикційних властивостях сплаву при вмісті сірки не більш 0,03%. Присутність у сплаві фосфору повинна бути не більш 0,05%, у противному випадку втрачається міцність сплаву, тому що при збільшенні вмісту фосфор у з'являються фосфоридні сполуки, що збільшують хладноламкість сплаву і сильно ліквіруючи, створюють неоднорідність структури. В табл. 2 наведені механічні властивості антифрикційного сплаву згідно із способом за винаходом отримання термообробки порівняно із відомим. Як випливає з таблиці, при зменшенні або збільшенні процентного вмісту компонентів у сплаві, показники сплаву погіршуються. Це обумовлено зміною структури, що викликане відновленням хімічної сполуки залізо-вуглець, і появою первинного чи вторинного цементиту. Цементит навіть у незначній кількості не допускається, тому що приводить до охоплення тертьових поверхонь пари тертя. Даний антифрикційний сплав вмістом компонентів і високою швидкістю графітизації забезпечує одержання ферито-перліто-графітної структури. Цей комплекс властивостей забезпечує високі механічні й антифрикційні характеристики розробленого сплаву і значне його здешевлення за рахунок виключення зі сполуки дорогих компонентів, зокрема міді. Приклад конкретного виконання способу одержання і термообробки антифрикційного сплаву Як вихідних шихтових матеріалів застосовують чавун ливарний Л5, Л6, ДСТ 4832-80 і сталевий брухт. Анти фрикційну сталь виплавляють в електродуговій печі типу ДСП-3 як з кислою, так і основною футерівкою. Металургійний чад металозавалки складає 1,5-3,0%. Процес плавки ведуть під шаром рідкого рухливого шлаку. Після повного розплавлювання шихти метал ретельно перемішують і відбирають пробу для визначення вмісту вуглецю, кремнію, марганцю. Нагрівання металу роблять до температури 1540-1580°С. Після чого, у піч уводять присадку. Як присадку використовують розкислюючу суміш у кількості 10-12 кг на 1 тонну рідкого металу. Розкислююча суміш складається з 45% кремнію і меленого коксину, і узята в співвідношенні 1:2. Коректування хімічного скла 2 38979 ду в сплаві за вуглецем, кремнієм і марганцем здійснюють присадками відповідної кількості феросплавів, а також потрібної кількості електродного бою. Під час присадки температуру сплаву витримують 1560°С. Присадки роблять з розрахунку на верхню межу вмісту ци х елементів у сплаві: кремнію 1,1, марганцю 0,4, вуглецю 1,5, сірки 0,03, фосфор у 0,05, інше залізо. Потім сплав випускають з печі в розпивочний ківш. Випуск сплаву з печі роблять у ретельно очищений і підігрітий до 600700°С ківш компактним струменем, разом зі шлаком. Температура металу в ковші перед розливанням повинна бути 1540-1580°С. Остаточне розкислення металу роблять у ковші алюмінієм з розрахунку 2 кг/т.ж.м. Заливання сплаву у форми роблять при температурі 1460-1480°С. Після затвердіння сплаву і його охолодження до температури навколишнього середовища, одержують виливки, які витягають з форм і піддають термообробці. Для чого, роблять завантаження виливків у холодну піч, в якій повільно піднімають температуру до 900°С й витримують їх при даній температурі протягом 4-х годин. Охолодження сплаву з піччю здійснюють у два етапи між якими сплав витримують протягом 5-й годин при температурі 726°С, причому на першому етапі охолодження ведуть протягом 24-х годин до температури 726°С, а на другому етапі охолодження ведуть протягом 5 годин до температури 660°С. Виплавка сплаву при температурі 1540-1580°С дає можливість рівномірно розподілитися компонентам, які складають сплав, що приводить у дійсну відповідність їх зміст, і створює сприятливі умови для подальшого рафінування і доведення до заданої сполуки. Заливка отриманого графітизованого сплаву в ливарну форму при температурі 1460-1480°С, добре заповнює форми і володіє підвищеною рідкотекучістю. Сплав виходить щільним з дрібнодисперсною структурою сорбітоподібного перліту і зі вмістом вуглецю 1,3-1,5%, кремнію 0,9-1,1. Отриманий сплав має високу твердість і не придатний до механічної обробки, тому усі виливки підлягають графітизованому відпалу. Вибір режиму термічної обробки отриманого антифрикційного сплаву визначався з умов, необхідних для розкладання карбіду заліза, стійкість якого знижується з підвищенням температури. При цьому необхідно враховува ти, що нагрівши вище Ас1- 3 викликає дифузію вуглецю у твердий розчин, так як розчинність вуглецю зростає з підвищенням температури. Установлено, що оптимальною температурою для стадії графітизації є температура 900°С, при якій сплав витримують протягом 4-х годин. Ізотермічну обробку роблять у два етапи, між якими сплав витримують протягом 5-й годин при температурі 726°С, при чому на першому етапі охолодження ведуть протягом 24-х годин до температури 726°С, а на другому етапі охолодження ведуть протягом 5-й годин до температури 660°С. Термообробка в режимі від 900°С до 600°С дозволило досягти заданої графітизації сплаву і виключити при цьому присутність шкідливої сполуки цементит. Після термообробки сплав має феритоперліто-кулясто-графітову стр уктуру. При збільшенні температури для стадії графітизації й ізотермічної обробки сплав має перлітографітну стр уктур у з невеликою кількістю цементиту і фериту, розташованого навколо включення графіту. Оптимальні значення режимів виплавки сплаву і термообробки, при яких досягнуті необхідні механічні властивості, встановлені експериментально. У результаті аналізу механічних властивостей отриманого сплаву, які приведені в табл. 1, 2 випливає, що даний антифрикційний сплав відрізняється від звичайних заевтектоїдних сплавів високою твердістю, високим значенням тимчасового опору, відносним подовженням і ударною в'язкістю. За рахунок включень компактної форми графіту і його демпферної здатності, підвищується тріщиностійкість сплаву. Пропонований спосіб одержання і термообробки є найбільш перспективним, у силу того, що включення графіту формуються в процесі кристалізації і розплаву. Це дозволить, шляхом варіювання хімічного складу одержувати сплави з заданими експлуатаційними характеристиками. Таблиця 1 Елемент Вуглець Кремній Марганець Сірка Фосфор Алюміній Мідь Відомий 0,1-0,15 0,3-0,4 0,4-0,7 0,5-1,0 1,0-1,6 0,3-0,6 6-10 Хімічний склад антифрикційних сплавів, мас.% 1 2 3 1,2 1,3 1,5 0,8 0,9 1,1 0,1 0,2 0,4 0,03 0,03 0,03 0,05 0,05 0,05 3 4 1,6 1,2 0,5 0,03 0,05 38979 Таблиця 2 Показники Тимчасовий опір при розтяганні, КГС/мм 2 Ударна в’язкість, 2КГС/мм 2 Відносне подовження, % Твердість НВ Межа міцності, кГс/мм 2 Структура 1 Властивості антифрикційного сплаву на основі заліза, мас.% 2 3 4 Відомий 40 55 60 80 40 1,4 1,8 2 3 4 2 80 2,8 90 3 110 85 5 80 10 Перлітвторинний цементит 20 Ферит-перліткулястий графіт 21 Ферит-перліткулястий графіт 16 Перлітцементит __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2001 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4 14 Ферит-перліт