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.%:
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.%:
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.%:
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.
название | год | авторы | номер документа |
---|---|---|---|
СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН | 2012 |
|
RU2514360C1 |
СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН | 2009 |
|
RU2401318C1 |
СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН | 2013 |
|
RU2552820C2 |
СЕРЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН | 2009 |
|
RU2409689C1 |
СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН | 2006 |
|
RU2326178C1 |
СЕРЫЙ ЧУГУН ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛИТЕЙНОЙ ОСНАСТКИ | 2011 |
|
RU2449041C1 |
Жаростойкий чугун | 1989 |
|
SU1696561A1 |
ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН | 2013 |
|
RU2533631C1 |
Фосфористый чугун | 1989 |
|
SU1686025A1 |
Ковкий чугун | 1990 |
|
SU1721114A1 |
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к серым высокофосфористым чугунам. Может использоваться для изготовления литых фрикционных изделий. Чугун содержит, 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. Чугун обладает высокими ударно-усталостной долговечностью и фрикционной теплостойкостью. 2 табл.
Серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, азот, алюминий и железо, отличающийся тем, что дополнительно содержит хром и бор при следующем соотношении компонентов, мас.%:
СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН | 2006 |
|
RU2326178C1 |
ЧУГУН ДЛЯ ТОРМОЗНЫХ КОЛОДОК | 1997 |
|
RU2122042C1 |
Чугун | 1982 |
|
SU1065493A1 |
Фосфористый чугун | 1989 |
|
SU1686025A1 |
DE 102004010916 A1, 22.09.2005 | |||
Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов | 1921 |
|
SU7A1 |
Авторы
Даты
2012-02-20—Публикация
2010-04-05—Подача