СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
GRAY FRICTION IRON

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к серым фрикционным высокофосфористым чугунам для изготовления литых тормозных колодок и других деталей механизмов трения.
в
Известен серый чугун марки СЧ20 (ГОСТ 1412-85), широко используемый для литья тормозных колодок грузовых вагонов железнодорожного транспорта. В литых деталях этот чугун имеет перлитно-ферритную структуру и недостаточные механические (σ=186-205 МПа, твердость 170-241 НВ) и эксплуатационные свойства.
Известен также серый фрикционный чугун (патент RU №2326178, МПК С22С 37/10, 2008), содержащий, мас.%:
Углерод
2,9-3,5
Кремний
1,3-2,0
Марганец
0,3-0,8
Фосфор
1,0-1,5
Сера
0,02-0,15
Азот
0,002-0,010
Алюминий
0,002-0,010
Железо
Остальное
Предел прочности этого чугуна составляет 445-490 МПа, твердость чугуна в отливках - 241-279 НВ, фрикционная теплостойкость - 118-125%, средний износ при сухом трении - 12-20 мг/г·с и коэффициент трения - 0,61-0,68.
Однако отмечается недостаточная ударно-усталостная долговечность чугуна в литых фрикционных изделиях (10,5-12,8 тыс. циклов), что увеличивает склонность чугуна к появлению трещин на их рабочих поверхностях в процессе эксплуатации.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является серый фрикционный чугун (патент RU 2442838, МПК С22С 37/06, 2011, прототип), содержащий, мас.%:
Углерод
2,8-3,5
Кремний
0,8-2,0
Марганец
0,3-0,8
Фосфор
1,0-1,5
Сера
0,02-0,15
Азот
0,012-0,030
Хром
0,01-0,08
Бор
0,002-0,010
Алюминий
0,002-0,010
Железо
Остальное
Известный чугун обладает следующими механическими и фрикционными свойствами:
Временное сопротивление при растяжении, МПа
250-280
Твердость, НВ
25-279
Средний износ при сухом трении, мг/г·с
10-15
Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов
13,5-17,1
Фрикционная теплостойкость (эталон СЧ20), %
118-128
Коэффициент трения
0,65-0,69
Трещиностойкость (количество трещин
в технологической пробе)
3-7
Динамическая прочность, Дж/см<sup>2</sup>
10-13
При высоких характеристиках твердости и износостойкости известный чугун обладает недостаточными характеристиками трещиностойкости, динамической прочности и ударно-усталостной долговечности, что приводит к образованию на рабочих поверхностях тормозных барабанов и колодок трещин в процессе эксплуатации и снижению их надежности.
Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости, динамической прочности и ударно-усталостной долговечности чугуна в литых изделиях.
Поставленная задача решается тем, что серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, азот, бор, алюминий и железо, дополнительно содержит ванадий, никель и кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,8-3,5
Кремний
0,8-2,0
Марганец
0,3-0,8
Фосфор
1,6-3,0
Сера
0,10-0,15
Хром
0,02-0,08
Азот
0,01-0,03
Бор
0,002-0,010
Алюминий
0,002-0,010
Ванадий
0,02-0,07
Никель
0,02-0,05
Кобальт
0,01-0,03
Железо
Остальное
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент неизвестны технические решения, в которых были бы отражены указанные отличия. Кроме того, указанные признаки являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение ванадия обусловлено существенным влиянием его на ударно-усталостную долговечность, фрикционную стойкость и эксплуатационную надежность чугуна в литых изделиях. При содержании ванадия до 0,02% ударно-усталостная долговечность, фрикционная теплостойкость и эксплуатационная надежность недостаточны. При концентрации ванадия более 0,07% повышается содержание в структуре карбидов и нитридов, что снижает динамическую прочность и трещиностойкость чугуна в литых изделиях.
Дополнительное введение никеля (0,02-0,05%) и кобальта (0,01-0,03%) оказывает микролегирующее влияние на структуру, существенно повышает упруго-пластические свойства и трещиностойкость чугуна. При увеличении их концентрации более верхних пределов снижаются характеристики твердости, износостойкости и эксплуатационной надежности. При концентрации никеля до 0,02% и кобальта до 0,01% снижаются характеристики динамической прочности и трещиностойкости.
Опытные плавки чугуна проводили в коксовых вагранках производительностью 5 т/ч с копильником. В качестве шихтовых материалов использовали литейные чугуны марок ЛЗ, передельный чугун марки ПЛ2, стальной лом группы 1А, ферромарганец ФМн78, доменный феррофосфор марки ФФ16, полуфабрикатный никель с кобальтом ПНЗ, высокоуглеродистый феррохром ДХ800, феррованадий ФВд2, ферробор и другие ферросплавы.
При выпуске чугуна из копильника в разливочные ковши производили наномодифицирование расплава (гибридная технология металлотермии и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза) с использованием экзотермических азотированных таблеток на основе металлического алюминия, ферробора, оксида железа и угольной пыли. Заливку модифицированного чугуна с температурой 1300-1360°С производили в литейные песчано-глинистые формы для получения технологических проб, стандартных образцов для механических и фрикционных испытаний и тормозных колодок.
В таблице 1 приведены химические составы известного и предложенного серых чугунов опытных плавок.
Механические и фрикционные испытания проводили на цилиндрических стандартных образцах в литом состоянии без термической обработки по общепринятым методикам. Исследование микроструктуры проводили в соответствии с ГОСТ 3443-87, трещиностойкости - на звездообразных технологических пробах с диаметром 250 мм и высотой 140 мм. Динамическую прочность определяли на образцах 10×10×55 мм без надреза, а термическую стойкость - при нагреве до 900°С.
В таблице 2 приведены результаты механических и фрикционных испытаний, исследования термической стойкости, трещиностойкости чугуна в отливках.
Как видно из таблицы 2, предложенный серый фрикционный чугун обеспечивает литым изделиям более высокие характеристики динамической прочности, износостойкости, трещиностойкости и ударно-усталостной долговечности, чем известный.
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов, мас.% (железо - остальное)
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
3,4
2,6
2,8
3,1
3,5
3,6
Кремний
1,8
0,6
0,8
1,5
2,0
2,2
Марганец
0,5
0,2
0,3
0,5
0,8
0,9
Фосфор
1,2
1,4
1,6
2,3
3,0
3,2
Сера
0,12
0,05
0,1
0,12
0,15
0,2
Хром
0,02
0,01
0,02
0,05
0,08
0,1
Азот
0,05
0,005
0,01
0,02
0,03
0,05
Бор
0,005
0,001
0,002
0,007
0,01
0,03
Алюминий
0,004
0,001
0,002
0,006
0,01
0,02
Ванадий
-
0,01
0,02
0,05
0,07
0,1
Никель
-
0,01
0,02
0,03
0,05
0,07
Кобальт
-
0,006
0,01
0,02
0,03
0,05
Таблица 2
Показатели
Свойства фрикционных чугунов для составов
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Временное сопротивление при растяжении, МПа
265
271
275
286
283
272
Твердость, НВ
263
278
267
265
264
262
Средний износ при сухом трении, мг/г·с
13
11
9
7
8
12
Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов
16,5
17,1
17,5
18,6
18,2
17,3
Коэффициент трения
0,66
0,64
0,66
0,67
0,65
0,63
Фрикционная теплостойкость, %
109
112
118
123
121
115
Трещиностойкость (количество трещин в пробе)
4
3
2
1
2
3
Термическая стойкость, циклы
660
675
720
782
736
708
Динамическая прочность, Дж/см<sup>2</sup>
12
13
15
19
18
14