МАТЕРИАЛ ДЛЯ ВЕНЦОВ ДИСКОВЫХ ТОРМОЗОВ
MATERIAL FOR DISK BRAKE CROWN

Изобретение относится к конструктивным материалам, изготавливаемым методом черной металлургии и предназначенным для изготовления деталей дисковых тормозов, а именно венцов дискового тормоза.
Конструкция и материал дискового тормоза должны обеспечить возможность поглощения кинетической энергии, равной 18 МДж при скорости начала торможения 200 км/ч, и должен обеспечивать отсутствие термоциклических трещин при повторных торможениях.
Известен венец дискового тормоза, в котором в качестве материала использован серый чугун марки СЧХНМ, содержащий (в вес.%): углерод 2,9-3,3, марганец 0,4-0,6, кремний 1,6-2,0, хром 0,2-0,4, никель 1,2-1,5, молибден 0,5-0,8, медь 0,4-0,7, фосфор не более 0,1 и серу не более 0,1.
Недостатком известного материала является то, что его возможно использовать только для изготовления тормозных дисков подвижного состава с конструктивной максимальной скоростью до 160 км/ч.
Известен также венец дискового тормоза, в котором в качестве материала используется сталь 20Х13, содержащая (в вес.%): углерод 0,16-0,25, хром 12,0-14,0, кремния не более 0,8, марганца 0,8, фосфора не более 0,005 и серы не более 0,004.
Однако применяемая для изготовления венцов дисков сталь 20Х13 в условиях частых повторных торможений нагревается сверх расчетных температур (600°С) и испытывает структурные превращения (отпуск и даже закалку), что приводит к возникновению полей растягивающих остаточных напряжений и растрескиванию венца. К тому же известный материал имеет структуру неполной закалки с большим количеством феррита по границам зерен, загрязненность стали венцов оксидами и сульфидами соответствует 2-3 баллу.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является сталь для изготовления венцов дисковых тормозов, содержащая углерод, кремний, марганец, хром, никель, вольфрам, фосфор, серу и железо в определенном соотношении компонентов (US 4902473 А, С22С 38/22, 20.02.1990).
Недостатками данного материала являются низкие характеристики фрикционной теплостойкости и прочности при многократных нагревах и охлаждениях до температур свыше 500°С, связанные с недостаточным качеством при изготовления.
Техническим результатом, который может быть получен от использования изобретения, является повышение фрикционной теплостойкости и прочности, увеличение однородности материала, что приводит к снижению коробления и локальных перегревов.
Указанный технический результат достигается тем, что сталь для изготовления венцов дисковых тормозов содержит углерод (С), кремний (Si), марганец (Mn), хром (Сr), никель (Ni), вольфрам (W), фосфор (Р), серу (S) и железо (Fe), при следующем соотношении компонентов, вес.%:
углерод
0,16-0,25
кремний
не более 0,8
марганец
не более 0,8
хром
12,0-14,0
никель
0,2-0,5
вольфрам
не более 0,2
фосфор
не более 0,004
сера
не более 0,005
железо
остальное.
При содержании углерода менее 0,16% снижаются механические характеристики материала, при содержании углерода более 0,25% - повышаются механические свойства, однако резко снижается вязкость разрушения.
Включение в состав стали кремния более 0,8% увеличивает предел текучести, затрудняет разупрочнение стали при отпуске и снижает вязкость.
Содержание в составе материала марганца более 0,8% заметно увеличивает предел текучести, но делает сталь чувствительной к перегреву из-за роста зерна.
При содержании хрома менее 12% материал имеет однородную структуру с min неметаллическими включениями, но снижается вязкость и износостойкость стали, при увеличении хрома более 14% вязкость и износостойкость повышается, но при многократном нагреве до 500-600°С приводит к охрупчиванию материала.
Использование никеля более 0,5% приводит к повышению износостойкости и фрикционной теплостойкости, но ведет к зарождению трещин в материале, а менее 0,2% - сталь не имеет однородной структуры с высокими механическими характеристиками. При этом никель является наиболее ценным и дефицитным элементом.
Включение вольфрама более 0,2% уменьшает отпускную хрупкость материала. При этом вольфрам является остродефицитным карбидообразующим элементом.
Содержание фосфора более 0,004% приводит к снижению пластичности и вязкости разрушения, так как он упрочняет феррит, растворяясь в нем.
Сера находится в стали в виде сульфидов и располагается в структуре, как правило, по границам зерен образуя с железом эвтектику с низкой температурой плавления, поэтому включение серы более 0,005% приводит к снижению механических свойств материала и вязкости разрушения.
Далее приведен пример получения стали, предназначенной для изготовления венцов дискового тормоза.
Стальная отливка в форме диска (венец тормозного диска) была изготовлена при помощи электрошлакового переплава и отлита в стальные формы методом центробежного литья из стали, содержащей компоненты в следующем соотношении, вес.%:
С - 0,24; Si - 0,40; Mn - 0,37; Cr - 13,74; Ni - 0,27; W - 0,19; P - 0,0024; S - 0,0032; Fe - остальное.
Проведенные испытания показывают, что изготовленная сталь характеризуется комплексом физико-механических свойств, соответствующих высоким требованиям качества и обеспечивает высокую фрикционную теплостойкость и прочность деталей дисковых тормозов:
в
2
- временное сопротивление на растяжение σ=900 Н/мм;
- относительное удлинение δ не менее 12%;
- относительное сужение не менее 50%;
2
2
- ударная вязкость KCU - не менее 30 Дж/см при +20°С и не менее 15 Дж/см при -60°С;
- твердость 270 НВ.
- загрязненность стали венцов неметаллическими включениями (оксидами и сульфидами силикатами) соответствует 1 баллу.
В таблице 1 представлены примеры получения стали для венцов дисковых тормозов с различным содержанием ее компонентов.
Табл.1
№
Содержание компонентов стали, вес.%
п/п
С
Si
Mn
Cr
Ni
W
P
S
Fe
Качество
получаемой стали
Уменьшаются
1
0,13
0,4
0,39
13,0
0,3
0,18
0,002
0,003
остальное
механические характеристики
материала
Увеличивается
2
0,5
0,6
0,52
13,5
0,2
0,19
0,003
0,003
остальное
прочность, но резко снижается
вязкость
разрушения
Снижается
3
0,24
0,9
0,37
13,7
0,28
0,18
0,002
0,004
остальное
вязкость
разрушения
Однородная
структура с min
неметаллическими
включениями,
высокие вязкость
4
0,22
0,73
0,56
13,6
0,44
0,12
0,003
0,003
остальное
разрушения, износостойкость и
фрикционная
теплостойкость, а
также стойкость к
зарождению
трещин
Увеличивается
5
0,18
0,69
1,0
12,2
0,32
0,16
0,002
0,002
остальное
предел текучести, но делает сталь
чувствительной к
перегреву
Однородная
структура с min
неметаллическими
6
0,24
0,7
0,63
11,0
0,4
0,19
0,002
0,003
остальное
включениями, но
понижена вязкость
и износостойкость
стали
Высокая вязкость
и износостойкость.
Однако
7
0,2
0,4
0,38
15,5
0,27
0,17
0,003
0,002
остальное
многократный нагрев до 500-600°С приводит к
охрупчиванию
материала
Однородная
структура с min
неметаллическими
включениями,
высокие вязкость
8
0,18
0,69
0,52
13,2
0,4
0,08
0,002
0,003
остальное
разрушения, износостойкость и
фрикционная
теплостойкость, а также стойкость к
зарождению
трещин
Сталь не имеет
однородной
9
0,22
0,4
0,6
14,0
0,15
0,1
0,002
0,002
остальное
структуры с высокими
механическими
характеристиками
Повышается
износостойкость и
фрикционная
10
0,19
0,6
0,8
12,5
0,7
0,2
0,003
0,003
остальное
теплостойкость, но приводит к
зарождению
трещин в
материале
Уменьшается
11
0,2
0,44
0,6
12,5
0,34
0,4
0,003
0,002
остальное
отпускную хрупкость
материала
Неоднородная
структура с max
неметаллическими
12
0,22
0,7
0,8
13,2
0,25
0,15
0,006
0,002
остальное
включениями,
снижается
вязкость
разрушения
Неоднородная
структура с max
неметаллическими
13
0,18
0,5
0,7
13,8
0,25
0,1
0,003
0,006
остальное
включениями,
снижается
вязкость
разрушения
Представленные данные в табл. 1 показывают, что только при использовании заявленного соотношения компонентов (соответственно №4, 8) может быть получен качественный материал для изготовления венцов дисковых тормозов, который обеспечивает высокую фрикционную теплостойкость и прочность деталей дисковых тормозов, а также обеспечивает повышения износостойкости и прочностных характеристик.