ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН ДЛЯ ТОРМОЗНЫХ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛОДОК И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
FRICTION IRON FOR LOCOMOTIVE BRAKE PAD AND METHOD OF ITS FABRICATION

Изобретение относится к металлургии, конкретно к чугунам для тормозных локомотивных колодок и способам получения микроструктуры фрикционного чугуна.
На отечественных железных дорогах всегда остро стояла проблема ресурсообеспеченности колодочных тормозов и износа в трибологической паре «колесо-колодка», сохраняющая свою актуальность и в настоящее время.
Она требует решения технико-экономических, технологических, металловедческих, трибологических задач, связанных с выбором износостойких фрикционных чугунов, выбором конструкции оптимально приемлемой для установления на локомотив чугунных тормозных колодок, при соблюдении экологически чистых технологий производства.
Одной из задач является уменьшение изнашивания трущихся поверхностей. Тормоза локомотива работают в условиях сухого трения, потери металла от интенсивного износа при этом максимальны.
Наиболее важными показателями, определяющими нормальный износ трибологической пары «колесо-колодка», является твердость тормозной колодки, стабильность этого показателя по сечению колодки и небольшой разброс твердости по отдельным колодкам. Это определяется тем, что твердость колодки определяет величину износа, изменения твердости по сечению приводит к качественному изменению процессов трения, а большой разброс твердости по колодкам приводит к недоиспользованию материала части колодок.
Твердость тормозных чугунных колодок зависит от внутренней микроструктуры. Основные составляющие этой микроструктуры перлит, графит, цементит, фосфидные эвтектики.
В соответствии со стандартом в локомотивных колодках типа «М» допускаются отклонения в содержании углерода от 2,7 до 3,4%. Микроструктура чугуна состоит из перлита, графита, фосфидных эвтектик и цементита. Перлит имеет стабильную твердость, а изменения твердости материала определяются в основном свободным цементитом и фосфидными эвтектиками. При этом увеличение содержания углерода сказывается на количестве свободного цементита.
Известен фрикционный чугун для тормозных колодок (Патент на изобретение №1567652 (МПК С22С 37/10) 1987.04), содержащий, мас. %:
углерод 2,7-3,4,
кремний 0,5-1,0,
марганец 0,4-0,8,
фосфор 0,45-0,8,
барий 0,001-0,2,
кальций 0,001-0,15,
железо остальное.
Недостатками этого чугуна является то, что его структура состоит из перлита, графита, свободного цементита и фосфидных эвтектик, большой разброс исходного чугуна по содержанию углерода приводит к изменению состава структуры по свободному цементиту и, как следствие, к большому разбросу параметров твердости. Марганец в структуре способствует концентрации цементита, небольшие отклонения от технологического режима охлаждения приводят к уменьшению количества графита и появлению отбела. В результате неоднородности структуры в зоне трения происходит неравномерный износ поверхности тормозной колодки, образуются зоны пониженного износа (с большим содержанием свободного цементита) и повышенного износа (перлитная составляющая). Указанная неравномерность приводит к неравномерному распределению тормозных нагрузок и, как следствие, неравномерности температурных полей. В результате появляются зоны натиров, которые при малом содержании графита приводят к появлению задиров и повышенному расходу материала бандажа.
Известен чугун для тормозных локомотивных колодок по ГОСТ 30249-97, содержащий, мас. %:
углерод 2,7-3,4,
кремний 0,7-1,0,
марганец 0,4-0,9,
фосфор 0,4-0,9,
сера не более 0,20,
барий 0,05-0,2,
кальций 0,05-0,15.
Недостатками этого чугуна являются те же, что и чугуна-аналога, поскольку их составы практически идентичны. Большой разброс содержания углерода в исходном чугуне приводит к изменениям в составе количества свободного цементита, а значит и к большим изменениям твердости (по стандарту от 229 до 302 НВ). Чувствительность материала к точности выполнения режима охлаждения зачастую приводит к наличию отбела. Все это усугубляется повышенным содержанием кремния и марганца, которые способствуют концентрации перлитной и цементитной составляющих. Образующаяся структура с наличием зон повышенной и пониженной твердости (разброс твердости по сечению и площади достигает в среднем 25%) способствуют возникновению в зоне трения возвышенных участков. При этом тормозная нагрузка перераспределяется. На возвышенных участках реализуются большие удельные нагрузки и значительно повышается температура, что приводит к появлению зон натира. В условиях пониженного содержания графитной составляющей, при сухом трении в зонах натиров происходит схватывание металла бандажа и колодки, происходит повышенный износ бандажа. Так, например, износ бандажа колодками со средней твердостью по верхнему пределу стандарта на 77% больше по сравнению с износом бандажа колодками со средней твердостью по нижнему пределу стандарта. Неравномерность структуры приводит и к разрушению материала колодок. Так, например, общая длина трещин работавших колодок повышенной твердости (в пределах стандарта) на 276% больше, чем в группе колодок пониженной твердости (в пределах стандарта). Остаточный ресурс изношенных колодок повышенной твердости на 33% выше, чем колодок пониженной твердости, а поскольку смена колодок производится одновременно, то потери металла с твердыми колодками очень существенна.
Известен способ термической обработки отливок из чугуна (Патент РФ №2267542, кл. С21С 1/10), включающий отжиг, нагрев, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что термической обработке подвергают отливки из чугуна, при этом проводят гомогенизирующий отжиг при 950-1000°С с выдержкой 3-5 ч, ферритизирующий отжиг путем охлаждения с печью до 780-720°С, выдержки при этой температуре 2,5-3 ч и последующего медленного охлаждения с печью до 650÷600°С, после чего проводят быстрое охлаждение на воздухе или в воде до комнатной температуры и осуществляют искусственное старение путем нагрева до 350-420°С с выдержкой 2-3 ч.
Недостатком данного способа является: сложность технологического режима и его контроля, слишком большое снижение твердости (на 30-150НВ), что снижает износостойкость тормозных колодок, повышенная стоимость, изготовление отливок осуществляется в песчано-глинистых формах.
Задачей изобретения является получение графито-ферритовой микроструктуры фрикционного чугуна с повышенным содержанием фосфора для тормозных локомотивных колодок, обеспечивающей повышение долговечности и износостойкости трибологической пары «колесо-колодка».
Решение поставленной задачи достигается тем, что фрикционный чугун, содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, сера, барий, кальций, при этом соотношение компонентов составляет, мас. %:
углерод 2,7-3,4,
кремний 0,7-1,0,
марганец 0,4-0,9,
фосфор 2,2-2,6,
сера не более 0,20,
барий 0,05-0,2,
кальций 0,05-0,15,
и получением феррито-графитовой микроструктуры отливки фрикционного чугуна для тормозных локомотивных колодок путем термической обработки, при этом отливку подвергают высокому отжигу путем нагрева до температуры 950-1000°С, выдерживают 2 часа и охлаждают вместе с печью до комнатной температуры.
На фиг. 1 показана чугунная часть диаграммы «Железо-углерод».
На диаграмме «Железо-углерод» заштрихована область существования чугуна, применяемого для производства тормозных локомотивных колодок.
Структурообразование в чугуне зависит как от первичных процессов затвердевания, так и от вторичных процессов, происходящих в твердом состоянии, т.е. большое влияние на твердость и другие механические свойства чугуна оказывает процессы плавки, кристаллизации и охлаждение отливок.
Феррито-графитовая микроструктура с повышенным содержанием фосфора обеспечивает повышение долговечности и износостойкости трибологической пары «колесо-колодка». При этом ферритная металлическая матрица имеет твердость около 160 НВ, но зато эта твердость зависит только от состава примесей в основном фосфора, который за счет фосфидных эвтектик и прямого легирования феррита поднимает среднюю твердость структуры до 220-230 НВ. Почти весь углерод графитизируется и изменение содержания углерода в исходном чугуне сказывается только на количестве графита. Феррито-графитовая микроструктура с повышенным содержанием фосфора получается высокотемпературным графитизирующим отжигом отливок при температуре 950-960°С, выдержке около 2 часов при этой температуре и охлаждении вместе с печью.
При такой обработке полностью снимается отбел и все внутренние напряжения, обеспечивается графитизация свободного цементита и распад цементита эвтектоидного.
Преимущество заявляемого фрикционного чугуна заключается в повышении долговечности и износостойкости трибологической пары «колесо-колодка» за счет получения в отливках колодок феррито-графитовой микроструктуры, что позволяет при эксплуатации в результате выкрашивания графита обеспечивать сухую смазку.
Сравнение работы тормозных колодок с экспериментальной структурой со стандартными колодками двух групп твердости (повышенной и пониженной) показывает, что разброс твердости экспериментальной колодки по сечению и площади составил 1%, а в группах стандартных колодок - 21%. Средняя длина трещин на поверхности изношенных колодок в экспериментальной группе составила на 28% меньше, чем в группе стандартных колодок пониженной твердости, и на 383% меньше, чем в группе повышенной твердости. Износ материала колодок экспериментальной группы на 17% меньше, чем в стандартной группе пониженной твердости. Износ бандажей колес при использовании колодок с экспериментальной структурой на 93% меньше по сравнению с группой стандартных колодок пониженной твердости и на 342% меньше по сравнению с группой стандартных колодок повышенной твердости. По износу гребней колес аналогично имеем соответственно 53% и 71%.