СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН Российский патент 2008 года по МПК C22C37/10 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к серым высокофосфористым чугунам для литых фрикционных изделий с низкими термическими напряжениями и повышенными механическими и эксплуатационными свойствами.

Известен высокофосфористый серый фрикционный чугун (патент Японии №55-5575, МПК С22С 37/06, 1980), содержащий, мас.%:

Углерод2,8-3,2Кремний1,2-1,7Марганецдо 0,1Фосфор0,2-0,6Хром0,2-0,6Серадо 1,0ЖелезоОстальное

Литые изделия из этого чугуна имеют крупнозернистую структуру и высокие остаточные термические напряжения и требуют дополнительной термообработки. Низкие характеристики удароустойчивости и коэффициента трения не обеспечивает фрикционным изделиям высоких эксплуатационных свойств.

Известен также серый фрикционный чугун (патент ЧССР №210564, МПК С22С 37/10, 1982), содержащий, мас.%:

Углерод2,8-4,2Кремний2,8-3,8Марганец0,1-1,0Сурьма0,07-1,0Фосфор0,001-0,3Сера0,001-0,1ЖелезоОстальное

Твердость чугуна в отливках составляет 170...220 НВ. Высокие концентрации кремния, углерода и сурьмы в известном чугуне снижают коэффициент трения, ударно-усталостную долговечность и другие механические и эксплуатационные свойства таких литых изделий, как тормозные колодки электричек, тормозные барабаны.

Наиболее близким технологическим решением, выбранным в качестве прототипа, является серый фрикционный чугун (Марукович Е.И., Карпенко М.И. Износостойкие сплавы. - М.: Машиностроение, 2005. - С.231) следующего химического состава, мас.%:

Углерод3,33Кремний2,47Марганец0,24Фосфор0,12Сера0,02Азот0,005ЖелезоОстальное

Этот чугун обеспечивает литым фрикционным изделиям преимущественно перлитную металлическую основу с остаточными термическими напряжениями от 12,5 до 14 МПа и твердостью от 218 до 228 НВ. Предел прочности чугуна при изгибе составляет 400...410 МПа, а средний весовой износ при сухом трении 25...30 мг/гс. Коэффициент трения чугуна - 0,47...0,5. Тормозные колодки и другие фрикционные изделия из такого чугуна получают в песчано-глинистых литейных формах и термической обработке не подвергают. Отмечается недостаточная ударно-усталостная долговечность чугуна в литых фрикционных изделиях (7...8 тыс. циклов).

Задачей данного технического решения является снижение остаточных термических напряжений и повышение механических и фрикционных свойств чугуна в литых изделиях.

Поставленная задача решается тем, что серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, азот и железо, дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Углерод2,9-3,5Кремний1,3-2,0Марганец0,3-0,8Фосфор1,0-1,5Сера0,02-0,15Азот0,002-0,01Алюминий0,002-0,01ЖелезоОстальное

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 алюминия в чугун оказывает модифицирующее влияние, связывает азот в нитриды, повышая дисперсность структуры, механические и эксплуатационные свойства. При увеличении содержания алюминия более 0,01% увеличивается угар, неоднородность структуры и снижаются фрикционные свойства и удароустойчивость. При концентрации алюминия менее 0,002% модифицирующий эффект, механические и эксплуатационные свойства снижаются.

Содержание углерода и кремния принято исходя из опыта производства фосфористых фрикционных чугунов для отливок с низкими остаточными термическими напряжениями, мелкозернистой перлитной структурой и высокими характеристиками износостойкости в условиях сухого трения и ударно-усталостной долговечности. При увеличении концентрации углерода и кремния соответственно выше 3,5% и 2,0% в структуре повышается содержание феррита и свободного графита, что снижает характеристики прочности, твердости, ударно-усталостной долговечности износостойкости и фрикционных свойств. При снижении их концентрации соответственно ниже 2,9% и 1,3% повышаются остаточные термические напряжения и содержание ледобурита в структуре, снижаются коэффициент трения и удароустойчивость.

Повышение содержания фосфора в чугуне до 1,0...1,5% обусловлено существенным влиянием на повышение коэффициента трения, твердости и износостойкости чугуна. При содержании фосфора до 1,0% твердость, коэффициент трения и другие фрикционные свойства недостаточны. А при увеличении его концентрации более 1,5% снижаются характеристики удароустойчивости, ударной вязкости, ударно-усталостной долговечности и износостойкости.

Сера и азот при концентрации более 0,15% и 0,01% соответственно снижают механические, фрикционные и эксплуатационные свойства чугуна в литых изделиях. Нижние пределы концентрации серы и азота обусловлены невозможностью при ваграночной плавке в существующих чугунолитейных цехах, производящих тормозные колодки, барабаны и другие фрикционные литые изделия, практически выплавлять чугун с более низким их содержанием.

Повышение концентрации марганца до 0,3...0,8% обусловлено его высоким микролегирующим влиянием на структуру и повышение механических и фрикционных свойств. При увеличении концентрации марганца более 0,8% увеличиваются остаточные напряжения и отбел и снижается коэффициент трения, а при снижении концентрации марганца менее 0,3% повышается содержание в структуре феррита и снижаются механические и эксплуатационные характеристики чугуна.

Опытные плавки доэвтектического состава производили в коксовых вагранках производительностью 5 т/ч с копильником. В качестве шихтовых материалов использовали передельные чугуны марок ПЛ1 и ПЛ2, литейные чугуны Л3 и Л5, чугунный лом марок 16А и 17А, стальной лом группы 1А, ферромарганец ФМн 75 и доменный феррофосфор марок ФФ16 и ФФ18. При выпуске чугуна из копильника температура металла составляла 1380...1410°С. Экзотермические таблетки на основе алюминия и измельченный ферросилиций вводили на дно ковша перед заливкой чугуна. Заливку модифицированного чугуна с температурой 1300-1340°С производили в литейные песчано-глинистые формы для получения технологических проб, образцов для механических и фрикционных испытаний, тормозных колодок типа «Ф», рекомендованных НИИЖТом для моторвагонного подвижного состава, тормозных барабанов и других фрикционных литых заготовок. В табл.1 приведены химические составы известного и предложенного чугунов опытных плавок.

Исследования микроструктуры чугунов показали, что при использовании составов 3, 4 и 5 в стандартных 30 мм образцах и отливках тормозных колодок содержалось от 85 до 96% перлита дисперсностью ПД 0,5...ПД 1,4 с пластинчатым графитом длиной от ПГд 45 до ПГд 180, имеющим форму ПГф 2 и ПГф 4 (по ГОСТ 3443-87). В строении фосфидной эвтектики преобладали формы ФЭ 3 и ФЭ 4. Цементита и ледобурита в структуре этих чугунов не обнаружено. В отливках из чугунов составов 1, 2 и 6 содержание ледобурита достигало 10...20%, а структура в отливках была более крупнозернистой.

Таблица 1КомпонентыСодержание компонентов в чугунах, мас.%1 (Изв.)23456Углерод3,332,72,83,13,53,7Кремний2,472,52,01,61,31,2Марганец0,240,240,30,50,80,9Фосфор0,120,521,01,31,51,7Сера0,020,010,020,080,150,17Азот0,0050,0010,0020,0060,010,013Алюминий-0,0010,0020,0050,010,012ЖелезоОстальноеОстальноеОстальноеОстальноеОстальноеОстальное

Остаточные термические напряжения определяли на решетчатых технологических пробах. Механические (по ГОСТ 27208-87) и фрикционные испытания проведены на стандартных образцах в литом состоянии без термической обработки по общепринятым методикам. Результаты механических и фрикционных испытаний чугуна в отливках приведены в табл.2.

Таблица 2ПоказателиСвойства фрикционных чугунов для составов1 (изв.)23456Предел прочности при изгибе, МПа408416445490465440Твердость, НВ228235241253279263Средний износ при сухом трении, мг/гс262320161215Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов7,88,410,512,811,610,2Коэффициент трения0,480,550,610,650,630,53Остаточные термические напряжения, МПа12,68,46,55,67,28,3Фрикционная теплостойкость, %100109118125121113

Как видно из табл.2, предложенный чугун обеспечивает литым изделиям более высокие механические и фрикционные свойства, чем известный.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к серым высокофосфористым чугунам. Может использоваться для литых фрикционных изделий с низкими термическими напряжениями и повышенными механическими и эксплуатационными свойствами. Чугун содержит, 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. Полученный чугун обладает низкими остаточными термическими напряжениями и высокими механическими и фрикционными свойствами. 2 табл.

Серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, азот и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод2,9-3,5кремний1,3-2,0марганец0,3-0,8фосфор1,0-1,5сера0,02-0,15азот0,002-0,01алюминий0,002-0,01железоостальное