СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
FRICTION GRAY CAST IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым фрикционным высокофосфористым чугунам. Может использоваться для изготовления литых тормозных колодок и других деталей механизмов трения.
Известен чугун для тормозных колодок (Патент RU 2122042, МПК C22C 37/10, 1998), содержащий, мас.%:
Углерод
2,6-3,4
Кремний
1,2-2,2
Марганец
0,3-0,8
Фосфор
2,7-3,2
Сера (не более)
0,03
Ванадий (не более)
0,1
Магний (не менее)
0,03-0,04
Алюминий
0,3-0,4
Железо
Остальное
Известный чугун обладает нестабильными характеристиками механических свойств и низкой трещиностойкостью.
Известен также серый фрикционный чугун (Патент RU 2326178, МПК C22C 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
0,002-0,01
Алюминий
0,002-0,01
Железо
Остальное
Этот фрикционный чугун имеет недостаточные характеристики прочности и ударно-усталостной долговечности, не превышающей 10,5-12,8 тыс. циклов.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является фрикционный чугун (Патент RU 2442838, МПК C22C 37/06, 2010), содержащий, мас.%:
Углерод
2,8-3,5
Кремний
0,8-2,0
Марганец
0,3-0,8
Фосфор
1,0-1,5
Хром
0,01-0,08
Сера
0,02-0,15
Азот
0,012-0,03
Бор
0,002-0,01
Алюминий
0,002-0,01
Железо
Остальное
Предел прочности при растяжении этого чугуна составляет 250-280 МПа; твердость НВ 252-279; ударно-усталостная долговечность 13,5-17,1 тыс. циклов; коэффициент трения 6,5-6,9; трещиностойкость 3-7 трещин в пробе. При изготовлении тормозных колодок отмечается недостаточная ударно-усталостная долговечность.
Задачей данного технического решения является повышение ударно-усталостной долговечности и трещиностойкости.
Поставленная задача решается тем, что серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, хром, серу, азот, бор, алюминий и железо, дополнительно содержит барий и магний, при следующем соотношении компонентов, мас%:
Углерод
2,8-3,5
Кремний
1,4-2,3
Марганец
0,3-0,8
Фосфор
1,6-3,2
Хром
0,02-0,08
Сера
0,01-0,03
Азот
0,002-0,02
Бор
0,002-0,03
Алюминий
0,01-0,03
Барий
0,02-0,05
Магний
0,01-0,03
Железо
Остальное
Существенным отличием предложенного чугуна является дополнительное введение бария и магния. Проведенный анализ предложенного решения показал, что на данный момент неизвестно техническое решение, в котором отражены указанные отличия. Кроме того, эти отличия являются необходимыми и достаточными для достижения положительного эффекта, указанного в цели изобретения. Это позволяет сделать вывод, что данные отличия являются существенными.
Дополнительное введение 0,02-0,05% бария обусловлено его химической, модифицирующей и графитизирующей способностью и значительным влиянием на дисперсность структуры металлической основы, очистку границ зерен и форму графита, что способствует повышению упругопластичных свойств чугуна, его трещиностойкости и ударно-усталостной долговечности. При концентрации бария до 0,02% модифицирующий эффект, упругопластические свойства и ударно-усталостная долговечность недостаточны. При повышении содержания бария более 0,05% увеличиваются угар, неоднородность структуры чугуна в отливках и снижаются характеристики ударной вязкости, удароустойчивости и трещиностойкости.
Введение магния в чугун в количестве 0,01-0,03% оказывает раскисляющее и модифицирующее влияние, повышает содержание в структуре сфероидизированного графита, механические и фрикционные свойства чугуна в отливках. При концентрации магния до 0,01% модифицирующий эффект, механические свойства и ударно-усталостная долговечность недостаточны, а при повышении содержания магния более 0,03% снижаются трещиностойкость, стабильность коэффициента трения и удароустойчивость.
Опытные плавки чугуна доэвтектического состава проводили в коксовых вагранках производительностью 5 т/ч с копильником. В качестве шихтовых материалов использовали литейные чугуны марок Л3 и Л5, передельный чугун марки ПЛ5, чугунный лом марок 16А и 17А, стальной лом группы 1А, ферромарганец ФМн75, доменный феррофосфор марок ФФ16 и ФФ18, феррохром ФХ800 и другие ферросплавы.
Рафинирование, раскисление и доводку чугуна по химическому составу проводили в копильнике. Модифицирование расплава производили при выпуске чугуна из копильника в разливочный ковш с использованием ферросилико-бария, порошков ферробора в составе экзотермических модифицирующих таблеток на основе кремния, магния и алюминия.
В песчано-глинистых литейных формах получали тормозные колодки типа «Ф», отливки и технологические пробы на трещиностойкость и стандартные образцы для механических и фрикционных испытаний.
В таблице 1 приведены химические составы известного и предложенного чугунов опытных плавок.
Исследование структуры (ГОСТ 3443-87), механических свойств (ГОСТ 27208-87) и эксплуатационные испытания литых изделий проведены в литом состоянии без термической обработки. Исследования на трещиностойкость проводили на звездообразных технологических пробах высотой 140 мм, а определение ударной вязкости - на образцах без надреза.
В таблице 2 приведены результаты механических и фрикционных испытаний, исследование трещиностойкости чугунов в отливках.
Как видно из таблицы 2, предложенный чугун обладает более высокими характеристиками трещиностойкости, механических и фрикционных свойств.
Таблица 1
Химические составы чугунов опытных плавок
Компоненты
Содержание компонентов, мас.% (железо - остальное)
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
3,3
2,5
2,8
3,1
3,5
3,7
Кремний
1,7
1,3
1,4
2,0
2,3
2,5
Марганец
0,4
0,2
0,3
0,5
0,8
1,0
Фосфор
1,2
1,2
1,6
2,2
3,2
3,4
Хром
0,05
0,01
0,02
0,06
0,08
0,1
Сера
0,1
0,008
0,01
0,02
0,03
0,05
Азот
0,02
0,001
0,002
0,01
0,02
0,05
Бор
0,01
0,001
0,002
0,02
0,03
0,04
Алюминий
0,01
0,006
0,01
0,02
0,03
0,05
Барий
-
0,01
0,02
0,04
0,05
0,07
Магний
-
0,005
0,01
0,02
0,03
0,05
Таблица 2
Результаты механических и фрикционных испытаний чугунов опытных плавок
Показатели
Результаты испытаний фрикционных чугунов опытных плавок
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Предел прочности при растяжении, МПа
275
312
341
380
365
332
Твердость, НВ
260
322
280
310
282
264
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
24
21
28
32
30
25
Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов
16
14
19
24
21
18
Коэффициент трения
67
59
67
70
68
65
Фрикционная теплостойкость, %
100
102
108
112
110
106
Трещиностойкость (количество трещин в пробе)
5
7
2
2
3
Средний износ при сухом трении, мг/г·с
13
10
9
7
8
11