СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН
GRAY FRICTION PIG IRON

Изобретение относится к области металлургии, в частности к разработке составов серого фрикционного чугуна с высокой абразивной стойкостью для изготовления тормозных колодок, барабанов, дисков, вкладышей и других деталей механизмов трения.
Известен серый износостойкий чугун для вкладыша поршневого насоса в качестве фрикционного материала (патент Великобритании GB №902111, кл. С7А, 1962), содержащий, мас.%:
Углерод
2,0-3,5
Кремний
1,0-3,0
Марганец
0-1,5
Хром
0-0,4
Фосфор
0-0,5
Сера
0-0,3
Железо
Остальное
Известный чугун имеет низкий коэффициент трения, абразивную износостойкость и недостаточные механические свойства.
Известен также серый износостойкий чугун (патент Японии №55-5575, МПК С22С 37/06, 1980), содержащий, мас.%:
Углерод
2,8-3,2
Кремний
1,2-1,7
Марганец
до 0,1
Фосфор
0,2-0,6
Хром
0,2-0,6
Сера
до 0,2
Железо
Остальное
Этот чугун обладает недостаточными фрикционными свойствами и низким пределом прочности при изгибе. Коэффициент трения чугуна не превышает 0,45-0,50.
Наиболее близким к предложенному по достигаемому эффекту является серый фрикционный чугун (патент РФ №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
Этот чугун обеспечивает литым изделиям преимущественно перлитную
металлическую основу и следующие механические и фрикционные свойства:
Передел прочности при изгибе, МПа
445-490
Твердость, НВ
241-279
Средний износ при сухом трении, мг/г·с
19-20
Фрикционная теплостойкость, %
118-125
Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов
10,5-12,8
Недостатком чугуна является повышенная склонность к трещинообразованию, что снижает ударно-усталостную долговечность и фрикционную теплостойкость.
Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости, ударно-усталостной долговечности и фрикционной теплостостойкости.
Поставленная задача решается тем, что серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, азот, алюминий и железо, дополнительно содержит хром и кальций, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Углерод
2,8-3,6
Кремний
0,7-1,2
Марганец
0,4-1,1
Фосфор
0,51-1,5
Сера
0,02-0,15
Азот
0,002-0,01
Алюминий
0,002-0,01
Хром
0,20-0,15
Кальций
0,002-0,007
Железо
Остальное
Существенным отличием предложенного чугуна является снижение в его составе содержания кремния и дополнительное введение хрома и кальция, что способствует измельчению литой структуры чугуна и повышению трещиностойкости и фрикционных свойств.
Проведенный анализ предложенного технического решения показал, что на данный момент не известны 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.
Снижение содержания в чугуне кремния до 0,7-1,2% обусловлено тем, что он является сильным графитизирующим элементом, снижающим дисперсность структуры, ее однородность, трещиностойкость, ударно-усталостную долговечность и упруго-пластические свойства чугуна в отливках. Верхний предел концентрации кремния (1,2%) обусловлен снижением дисперсности перлита, трещиностойкости, ударной вязкости, предела прочности при изгибе и стрелы прогиба при более высоких его концентрациях. При уменьшении концентрации кремния менее 0,7% повышаются отбел, склонность к трещинам и остаточным термическим напряжениям в отливках, что приводит к снижению ударно-усталостной долговечности, упруго-пластических и эксплуатационных свойств литых фрикционных изделий.
Дополнительное введение хрома обусловлено его значительным влиянием на повышение фрикционной теплостойкости и износостойкости.
Содержание хрома в чугуне ограничено 0,15%, т.к. при более высоких его концентрациях увеличивается содержание в структуре карбидов хрома, снижаются коэффициент трения, однородность структуры, трещиностойкость и повышаются термические напряжения в отливках, что снижает упруго-пластические и эксплуатационные свойства. При концентрации хрома менее 0,02% его микролегирующий эффект недостаточен и характеристики твердости, фрикционной теплостойкости, износостойкости и эксплуатационной стойкости литых фрикционных изделий низкие.
Марганец при содержании от 0,4 до 1,1% повышает трещиностойкость, фрикционную теплостойкость и упруго-пластические свойства чугуна. При увеличении концентрации марганца более 1,1% усиливается его карбидообразующее влияние на структуру, снижаются ударно-усталостная долговечность и коэффициент трения, повышаются остаточные термические напряжения и отбел в литых изделиях. При концентрации марганца до 0,4% снижаются дисперсность и однородность структуры, трещиностойкость, ударная вязкость, упруго-пластические и другие свойства чугуна.
Фосфор в чугуне в количестве 0,51-1,5% повышает дисперсность структуры, трещиностойкость, коэффициент трения, упруго-пластические свойства и обуславливает основные фрикционные свойства в литых изделиях. Верхний предел концентрации фосфора ограничен 1,5%, т.к. при более высоких концентрациях увеличиваются остаточные термические напряжения в отливках и снижаются дисперсность и однородность структуры, фрикционная теплостойкость, термостойкость, характеристики предела прочности при изгибе. При содержании фосфора до 0,51% снижаются характеристики твердости, износостойкости, коэффициента трения и других фрикционных свойств.
Сера является поверхностно-активным элементом, усиливающим карбидообразующую способность хрома и марганца. Содержание серы в чугуне ограничено концентрацией 0,1%, так как при более высоких ее концентрациях увеличивается содержание в структуре мелких сульфидов в виде межзеренных прослоек, которые снижают однородность структуры и упруго-пластические свойства и повышают остаточные термические напряжения в отливках, что снижает эксплуатационные свойства. Нижний предел концентрации серы (0,02%) обусловлен отсутствием шихтовых материалов с низкой концентрацией серы, необходимостью усложнения процесса плавки и внепечной обработки. При этом при концентрации серы менее 0,02% ее поверхностная активность в Fe-C-Si-P-сплаве низкая и характеристики твердости, износостойкости и эксплуатационной стойкости литых фрикционных изделий недостаточны.
Дополнительное введения кальция (0,002-0,007%) обусловлено его высокой модифицирующей эффективностью и поверхностной активностью, который в этих количествах обеспечивает очистку границ зерен, повышение пластических свойств, трещиноустойчивости, стойкости в условиях теплосмен и сухого трения. Его содержание обусловлено пределами, обеспечивающими получение дисперсной и однородной структуры в отливках, высокого предела прочности при изгибе и необходимых эксплуатационных и механических свойств. При его содержании до 0,002%о не обеспечивается полная очистка границ зерен, а также стабильность структуры в процессе эксплуатации. При увеличении концентрации кальция более 0,007% снижаются фрикционная теплостойкость, эксплуатационные свойства и увеличивается его угар.
Введение алюминия в количестве 0,002-0,01% раскисляет и микролегирует расплав, измельчает структуру и способствует повышению трещиностойкости, фрикционной и термической стойкости, вязкости разрушения при сохранении эксплуатационных прочностных свойств. При концентрации его до 0,002% микролегирующий и раскисляющий эффекты его недостаточны, а свойства чугуна в отливках нестабильны.
При содержании его более 0,01% снижаются коэффициент трения, ударно-усталостная долговечность и трещиностойкость чугуна.
Содержание углерода (2,8-3,6%) и азота (0,002-0,07%) принято в обычных концентрациях, используемых при производстве серых фрикционных чугунов. При увеличении содержания углерода более 3,6% и азота более 0,01% снижаются механические и фрикционные свойства, а при их концентрации менее нижних пределов повышается содержание ледобурита в структуре, увеличивается отбел и снижаются трещиностойкость и ударно-усталостная долговечность.
Опытные плавки серых чугунов проведены в вагранках производительностью 5 т/ч с четырехтонным копильником без подогрева с использованием в качестве шихтовых металлических материалов чушковых литейных и передельных чугунов марок 16А и 17А, феррофосфора ФФ16, высокоуглеродистого феррохрома, феррмарганца ФМн78Н, возврата собственного производства и других ферросплавов. Микролегирование и модифицирование проводили с использованием алюминотермических таблеток и силикокальция непосредственно в литейном ковше при температуре 1300-1350°С. Заливку расплава производили в песчано-глинистые формы для получения тормозных вагонных колодок, фрикционных накладок, ступенчатых и решетчатых технологических проб, звездообразных проб на трещиностойкость и цилиндрических образцов для механических испытаний диаметром 30 мм. В табл.1 приведены химические составы чугунов опытных плавок.
Ударную вязкость определяли на образцах 10×10×55 мм без надреза, трещиностойкость - на звездообразных пробах высотой 140 мм, а прочностные свойства - на стандартных образцах без использования операций термической обработки в соответствии с ГОСТ 1497-84. Средний износ получен при испытании в условиях ударно-абразивного изнашивания в соответствии с требованиями с ГОСТ 23.207-79.
В табл.2 приведены механические и фрикционные свойства известного и предложенного чугунов в отливках.
Как видно из табл.2, предложенный серый чугун обладает более высокими характеристиками фрикционной теплостойкости, трещиностойкости и эксплуатационных свойств.
Таблица 1
Компоненты
Содержание компонентов в чугунах, мас.%
1 (Изв.)
2
3
4
5
6
Углерод
3,33
2,7
2,8
3,1
3,6
3,7
Кремний
1,47
0,5
0,7
1,0
1,2
1,2
Марганец
0,64
0,24
0,4
0,9
1,1
1,2
Фосфор
1,12
0,32
0,51
1,3
1,5
1,7
Сера
0,12
0,01
0,02
0,08
0,15
0,17
Азот
0,005
0,001
0,002
0,006
0,01
0,013
Алюминий
0,008
0,001
0,002
0,005
0,01
0,012
Хром
-
0,012
0,02
0,09
0,15
0,21
Кальций
-
0,001
0,002
0,005
0,007
0,02
Железо
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
Остальное
Таблица 2
Показатели
Свойства фрикционных чугунов в отливках
1 (изв.)
2
3
4
5
6
Предел прочности при изгибе, МПа
455
407
465
480
472
436
Твердость, НВ
253
287
257
269
267
249
Средний износ при сухом трении, мг/гс
16
12
10
9
11
18
Трещиностойкость, мм
32
30
24
18
16
25
Фрикционная теплостойкость, %
120
124
132
141
136
128
Ударно-усталостная долговечность, тыс.циклов
12,5
11,4
14,3
15,8
15,2
13,7
Коэффициент трения
0,63
0,58
0,66
0,68
0,69
0,60
Ударная вязкость, Дж/см<sup>2</sup>
7,8
6,2
10,4
12,6
11,8
9,4