СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
GREY CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым высокофосфористым чугунам для литых тормозных колодок, барабанов и устройств для изготовления литых деталей фрикционных и других механизмов трения.
Известные серые чугуны СЧ 18 и СЧ 20 (ГОСТ 1412-85) имеют в литых заготовках ферритно-перлитную структуру и низкие характеристики предела прочности при изгибе и твердости (170…241 НВ) и недостаточную стойкость в условиях фрикционного и ударно-абразивного изнашивания, поэтому все реже используются для изготовления тормозных колодок грузовых вагонов, во фрикционных механизмах трения.
Известен также серый износостойкий чугун (патент США №3423250, кл. 148-2, 1970), содержащий, мас.%:
Углерод
1,7-3,8
Кремний
Менее 2,5
Марганец
Менее 1,0
Хром
Менее 2,0
Молибден
Менее 2,0
Вольфрам
Менее 1,0
Ванадий
Менее 1,0
Железо
Остальное
Известный износостойкий чугун содержит большое количество карбидообразующих элементов (Мо, V, W, Сr и Мn), имеет в отливках высокий отбел и большие остаточные термические напряжения (65…90 МПа). Это снижает предел прочности при изгибе, стрелу прогиба, трещиностойкость, упругопластические свойства чугуна в отливках и эксплуатационную стойкость литых деталей в условиях динамических нагрузок, фрикционного и ударно-абразивного изнашивания. Литые тормозные колодки и другие фрикционные детали из этого чугуна склонны к искрению при торможении и используются только после длительной термической обработки (отжига).
Наиболее близким решением, выбранным в качестве прототипа, является серый фрикционный чугун (патент RU №2326178, МПК С22С 37/10, 2008), следующего химического состава, 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
0,002-0,01
Алюминий
0,002-0,01
Железо
Остальное
Предел прочности чугуна при изгибе 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…0,65.
Однако отмечается недостаточная ударно-усталостная долговечность чугуна в литых фрикционных изделиях (10,5…12,8 тыс. циклов), что увеличивает склонность чугуна тормозных колодок железнодорожного подвижного состава и тормозных барабанов к появлению трещин на рабочих поверхностях в процессе эксплуатации.
Задачей данного технического решения является повышение ударно-усталостной долговечности и фрикционной теплостойкости чугуна в литых изделиях.
Поставленная задача решается тем, что серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, азот, алюминий и железо, дополнительно содержит хром и бор при следующем соотношении, 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
0,012-0,03
Хром
0,010-0,08
Бор
0,002-0,01
Алюминий
0,002-0,01
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 о том, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение хрома в количестве 0,01…0,08% обусловлено существенным влиянием его на фрикционную теплостойкость, износостойкость, ударно-усталостную долговечность и прочностные свойства. При содержании хрома до 0,01% износостойкость, ударно-усталостная долговечность и фрикционная теплостойкость недостаточны. При увеличении содержания хрома более 0,08% снижаются однородность структуры, трещиностойкость и коэффициент трения.
Дополнительное введение бора оказывает модифицирующее влияние на структуру, повышая дисперсность структуры и трещиностойкость чугуна, механические и фрикционные свойства. При концентрации бора до 0,002% дисперсность структуры, твердость, трещиностойкость недостаточны. При концентрации бора более 0,01% снижаются характеристики стабильной структуры из-за образования карбидов, трещиностойкость и коэффициент трения.
Содержание углерода и кремния принято исходя из опыта производства фосфористых фрикционных чугунов с высокими характеристиками износостойкости и фрикционной теплостойкости. При увеличении концентрации углерода и кремния более 3,5% и 2,0% соответственно в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики твердости, фрикционной теплостойкости и износостойкости. При снижении их концентрации менее 2,8% и 0,8% соответственно увеличивается неоднородность структуры из-за образования карбидов и ледебурита, что снижает трещиностойкость, ударно-усталостную долговечность и коэффициент трения.
Марганец в количестве 0,3…0,8% микролегирует структуру чугуна в отливках, повышая твердость, износостойкость, фрикционную теплостойкость и эксплуатационные свойства. При концентрации его более 0,8% увеличивается отбел структуры, снижаются коэффициент трения, трещиностойкость и ударно-усталостная долговечность. При концентрации марганца менее 0,3% повышается содержание феррита в структуре, снижаются характеристики твердости, износостойкости и эксплуатационных свойств.
Фосфор и сера при концентрациях более 1,5% и 0,15% соответственно снижают механические свойства, фрикционные и эксплуатационные свойства чугуна в литых изделиях. Нижний предел концентрации серы обусловлен невозможностью при ваграночной плавке в чугунолитейных цехах, производящих тормозные колодки и другие фрикционные изделия, практически выплавлять чугун с более низким ее содержанием. При концентрации фосфора менее 1,0% снижаются показатели твердости, износостойкости, коэффициент трения и других фрикционных свойств.
В связи с дополнительным введением в чугун хрома и бора, являющихся нитридообразующими элементами, содержание азота в чугуне повышено до 0,012…0,03%. При концентрации азота более 0,03% снижаются характеристики трещиностойкости, ударно-усталостной долговечности и эксплуатационных свойств, так как нитриды начинают скапливаться по границам зерен. При концентрации азота менее 0,012% снижаются коэффициент трения, износостойкость и ударно-усталостная долговечность.
Алюминий оказывает модифицирующее и раскисляющее влияние, также связывает азот в нитриды, повышая дисперсность и однородность структуры, механические и фрикционные свойства. При увеличении содержания алюминия более 0,01% снижаются трещиностойкость и фрикционные свойства. При концентрации алюминия менее 0,002% модифицирующий эффект, трещиностойкость и фрикционные свойства снижаются.
Опытные плавки чугуна доэвтектического состава проводили в коксовых вагранках производительностью 5 т/ч с копильником. В качестве шихтовых материалов использовали передельный чугун марки ПЛ2, литейные чугуны Л3 и Л5, чугунный лом марок 16А и 17А, стальной лом группы 1А, ферромарганец ФМн75, доменный феррофосфор марок ФФ16 и ФФ18 и высокоуглеродистый феррохром марки ФХ800. При выпуске чугуна из копильника в разливочные ковши производили наномодифицирование чугуна порошком ферробора в составе экзотермических таблеток на основе алюминия и оксида железа. Заливку модифицированного чугуна с температурой 1300…1350°С производили в литейные песчано-глинистые формы для получения технологических проб, образцов для механических и фрикционных испытаний, тормозных колодок типа «Ф» и других фрикционных изделий.
В табл.1 приведены химические составы известного и предложенного серых фрикционных чугунов опытных плавок.
Механические (ГОСТ 27208-87) и фрикционные испытания проведены на цилиндрических стандартных образцах в литом состоянии без термической обработки по общепринятым методикам. Исследования микроструктуры проводили в соответствии с ГОСТ 3443-87, а трещиностойкости - на звездообразных технологических пробах.
В табл.2 приведены результаты механических и фрикционных испытаний, исследования структуры и трещиностойкости чугуна в отливках.
Как видно из табл.2, предложенный серый фрикционный чугун обеспечивает литым изделиям более высокие фрикционные свойства, трещиностойкость и ударно-усталостную долговечность, чем известный.
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов в чугунах, мас.%
1 (изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
3,3
2,6
2,8
3,2
3,5
3,7
Кремний
1,5
2,2
2,0
1,5
0,8
0,5
Марганец
0,7
0,2
0,3
0,5
0,8
0,9
Фосфор
1,2
0,7
1,0,
1,3
1,5
1,7
Сера
0,13
0,01
0,02
0,1
0,15
0,18
Азот
0,01
0,01
0,012
0,02
0,03
0,05
Хром
-
0,005
0,01
0,05
0,08
0,11
Бор
-
0,001
0,002
0,007
0,01
0,02
Алюминий
0,01
0,001
0,002
0,005
0,01
0,03
Железо
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
Таблица 2
Показатели
Свойства фрикционных чугунов для составов
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Предел прочности при растяжении, МПа
235
235
250
265
280
245
Твердость, НВ
248
282
279
260
252
240
Средний износ при сухом трении, мг/гс
18
9
10
13
15
21
Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов
12,4
11,3
13,5
17,1
16,4
10,2
Коэффициент трения
63
61
65
67
69
63
Фрикционная теплостойкость, %
100
108
118
124
128
116
Трещиностойкость (количество трещин в пробе)
12
9
7
5
3
8
Дисперсность перлита (ПД по ГОСТ 3443-87)
1,4
1,4
1,0
0,3
0,5
1,0