СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТОРМОЗНЫХ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛОДОК
ENHANCEMENT OF WEAR RESISTANCE OF LOCOMOTIVE BRAKE PADS

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к способу повышения износостойкости тормозных колодок из серого 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, изменение 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 структуры. Основные составляющие этой структуры феррит, перлит, графит, цементит, кроме того, присутствующие в чугуне примеси, образуют карбиды, а фосфор образует фосфидные эвтектики.
В соответствии с ГОСТ 30249-97 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. Твердость тормозной локомотивной колодки для чугуна марки «М», согласно ГОСТ 30249-97, должна соответствовать 229-302 НВ.
На основании анализа поставок тормозных локомотивных чугунных колодок за последние семь лет и массовых проверок твердости новых и изношенных колодок на Красноярской железной дороге за 2013 год установлено, что их брак по твердости достигает 16,3%, при этом около 4% имеют твердость на глубине 2 мм до 600 НВ (норма 230-303 НВ). В процессе эксплуатации таких колодок происходит повышенный износ поверхности катания бандажа, сопровождаемый сильным искрением при торможении. При их эксплуатации выявляется высокая степень трещинообразования, выкрошивание металла. Их структура представляет собой белый или отбеленный чугун, что свидетельствует о нарушениях технологического процесса литья. Использование «недогретого» или остывшего металла, холодных литейных форм приводит к ускоренному охлаждению чугуна и образованию свободного цементита вместо графита. До 12-13% колодок имеют твердость, заниженную иногда до 100 НВ, что приводит к повышенному расходу материала колодок. Досрочная замена колодок, сильно искрящих при торможении (особенно твердых) и сильно изношенных (очень низкой твердости), приводит к потере рабочего времени (экономическим потерям).
Большой разброс химического состава по содержанию углерода даже при правильной технологии литья приводит к существенному изменению количества цементита в структуре, который и определяет разброс параметров твердости. Рабочая поверхность колодок, как правило, отбелена и имеет повышенную твердость, что обеспечивает повышенный износ поверхности катания колеса в процессе приработки колодки, и только при полном износе отбеленной части процесс износа поверхности колеса стабилизируется.
Низкое качество поставляемых тормозных колодок приводит:
- к повышенному износу поверхности катания колес и нарушению ее формы, что в свою очередь ведет к точечному контакту в зоне трения колеса и рельсы и к ускоренному износу рельсов;
- к нештатной замене бракованных тормозных колодок, что связано с простоями на их замену и потерями ввиду неполного износа бракованных тормозных колодок.
Для повышения качества поставляемых колодок необходимо, чтобы выполнялись следующие требования к качеству тормозных локомотивных колодок:
1. Твердость колодок должна быть близкой к нижнему пределу стандарта твердости, что способствует минимальному износу бандажа.
2. Разброс твердости по колодкам должен быть минимальным, чтобы получить одинаковый износ в процессе эксплуатации, что способствует максимальной экономии материала колодок.
3. Минимальный разброс твердости по объему колодки, что способствует стабильности процесса трения при торможении.
4. Максимальное количество графита в микроструктуре, что способствует высыпанию частиц графита при износе колодки и обеспечению твердой смазки в процессе трения для устранения натиров и задиров.
При стандартных требованиях к исходному чугуну по содержанию углерода добиться стабильности твердости можно только переводом микроструктуры чугуна колодки в феррито-графитовую микроструктуру. При этом твердость феррита будет стабильной, а изменение содержания углерода приведет к количественному изменению графитовой составляющей за счет перевода цементита, связанного в перлите, в свободный графит.
Увеличение количества графита благоприятно скажется на износе трибологической пары, поскольку высыпающиеся в зону трения частички графита предотвращают схватывание и налипание металла колодки на колесо.
Ферритная металлическая матрица имеет твердость до 160 НВ, что недостаточно и может привести к повышенному износу колодок (при пониженном износе бандажа). Чтобы обеспечить твердость колодки, имеющей ферритную металлическую матрицу, в пределах 220-230 НВ необходимо иметь в составе чугуна около 2-2,5% фосфора, который легирует феррит и способствует размельчению его зерна и образованию двойной и тройной фосфидной эвтектики, имеющей твердость 400-600 НВ.
Подобного изменения свойств поставляемых тормозных локомотивных колодок можно добиться термической обработкой колодок, например отжигом. Температура отжига зависит от исходной структуры. Если имеется отбел, то чтобы перевести свободный цементит в графит, требуется отжиг при температуре 900-950°C, а при стандартной перлито-феррито-графитовой микроструктуре требуется только перевод цементита, связанного в перлите, в графит при температуре 650°C.
Известно несколько способов термической обработки отливок из серого чугуна: отжиг низкотемпературный, высокотемпературный, нормализация, закалка, отпуск. Выбор вида термической обработки зависит от требований к конечным свойствам изделий из серого чугуна.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому способу является способ термической обработки отливок из чугуна (патент РФ №2267542, кл. C21C 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°C с выдержкой 3-5 ч, ферритизирующий отжиг путем охлаждения с печью до 780-720°C, выдержки при этой температуре 2,5-3 ч и последующего медленного охлаждения с печью до 650-600°C, после чего проводят быстрое охлаждение на воздухе или в воде до комнатной температуры и осуществляют искусственное старение путем нагрева до 350-420°C с выдержкой 2-3 ч.
Недостатками данного способа являются: сложность технологического режима и его контроля, слишком большое снижение твердости (на 30-150 НВ), что снижает износостойкость тормозных колодок, повышенная стоимость, изготовление отливок осуществляется в песчано-глинистых формах.
Задачей изобретения является исправление бракованных локомотивных чугунных колодок (ГОСТ 30249-97, тип «М»), улучшение механических свойств тормозных колодок и повышение долговечности и износостойкости трибологической пары «колодка-колесо».
Для решения поставленной задачи в способе повышения износостойкости тормозных колодок из серого чугуна тормозную локомотивную колодку подвергают высокому отжигу путем нагрева до температуры 950-1000°C, выдерживают 2 часа и охлаждают вместе с печью до комнатной температуры, тем самым микроструктуру чугуна колодок изменяют на микроструктуру легированного марганцем, кремнием и фосфором феррита и свободного графита.
При такой обработке полностью снимается отбел и все внутренние напряжения, обеспечивается графитизация свободного цементита и распад цементита эвтектоидного, при этом повышенное содержание фосфора обеспечивает легирование феррита и измельчение его структуры при отсутствии хрупких фосфидных эвтектик.
Предлагаемый способ повышения износостойкости тормозных колодок осуществляется следующим образом.
Например, при проверке твердости очередной партии поступивших новых колодок на складах красноярского локомотивного депо Красноярской железной дороги за 2013 год установлено, что их брак по твердости достигает 16,3%, при этом около 4% имеют твердость на глубине 2 мм до 600 НВ (норма 230-303 НВ). Отсортированные и отбракованные по твердости колодки в условиях депо в печи нагрели до температуры 950-1000°C, выдержали 2 часа и охладили вместе с печью до комнатной температуры. В результате получили микроструктуру легированного марганцем, кремнием и фосфором феррита и свободного графита (феррито-графитовую микроструктуру) (Фиг. 1). На фотографии видны участки распавшегося на феррит и графит перлита, причем мелкие графитовые пластинки частично срослись с крупными графитовыми пластинами. На фотографии отсутствует тройная фосфидная эвтектика. Это говорит о том, что присутствующий фосфор растворился в феррите, легируя его.
Преимущество заявляемого способа повышения износостойкости тормозных локомотивных колодок заключается в упрощении технологического режима термической обработки, повышении долговечности и износостойкости тормозных колодок, снижении износа дорогостоящих бандажей колес. Совокупный экономический эффект от применения данного способа исправления брака тормозных колодок по результатам эксплуатационных испытаний составил 417839 руб. на один локомотив в год.