СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН Российский патент 2012 года по МПК C22C37/06 

Описание патента на изобретение RU2442838C2

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

Похожие патенты RU2442838C2

название год авторы номер документа
СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН 2012
  • Алов Виктор Анатольевич
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Епархин Олег Модестович
  • Попков Александр Николаевич
  • Вершинина Нелли Ивановна
  • Степанюк Елена Петровна
RU2514360C1
СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН 2009
  • Алов Виктор Анатольевич
  • Антропов Андрей Владимирович
  • Епархин Олег Модестович
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Куприянов Илья Николаевич
  • Емельянов Игорь Владимирович
  • Бадюкова Ульяна Сергеевна
  • Сапожников Сергей Алексеевич
RU2401318C1
СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН 2013
  • Алов Виктор Анатольевич
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Епархин Олег Модестович
  • Просветов Михаил Иванович
  • Попков Александр Николаевич
  • Туров Алексей Михайлович
RU2552820C2
СЕРЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН 2009
  • Алов Виктор Анатольевич
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Епархин Олег Модестович
  • Куприянов Илья Николаевич
  • Бадюкова Ульяна Сергеевна
  • Гунин Анатолий Викторович
  • Синякин Виктор Николаевич
  • Алов Василий Викторович
RU2409689C1
СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН 2006
  • Алов Виктор Анатольевич
  • Борц Алексей Игоревич
  • Епархин Олег Модестович
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Куприянов Илья Николаевич
  • Федин Владимир Михайлович
  • Сапожников Сергей Алексеевич
RU2326178C1
СЕРЫЙ ЧУГУН ДЛЯ МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ ЛИТЕЙНОЙ ОСНАСТКИ 2011
  • Алов Виктор Анатольевич
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Епархин Олег Модестович
  • Куприянов Илья Николаевич
  • Бадюков Михаил Сергеевич
RU2449041C1
Жаростойкий чугун 1989
  • Шарков Николай Григорьевич
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Тихонович Олег Андреевич
  • Марукович Евгений Игнатьевич
  • Шпаковский Владимир Иванович
  • Симкин Анатолий Вульфович
SU1696561A1
ИЗНОСОСТОЙКИЙ ЧУГУН 2013
  • Алов Виктор Анатольевич
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Епархин Олег Модестович
  • Попков Александр Николаевич
  • Размолодин Лев Петрович
RU2533631C1
Фосфористый чугун 1989
  • Святкин Борис Константинович
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Егорова Марина Борисовна
  • Бадюкова Светлана Михайловна
  • Цейтлин Александр Маркович
SU1686025A1
Ковкий чугун 1990
  • Карпенко Михаил Иванович
SU1721114A1

Реферат патента 2012 года СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН

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.

Формула изобретения RU 2 442 838 C2

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.%:
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

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2012 года RU2442838C2

СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН 2006
  • Алов Виктор Анатольевич
  • Борц Алексей Игоревич
  • Епархин Олег Модестович
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Куприянов Илья Николаевич
  • Федин Владимир Михайлович
  • Сапожников Сергей Алексеевич
RU2326178C1
ЧУГУН ДЛЯ ТОРМОЗНЫХ КОЛОДОК 1997
  • Коснарев А.С.
  • Попов В.Ю.
  • Котяшев А.А.
  • Поль В.Б.
  • Маторин А.С.
  • Ушаков В.Н.
  • Мякишев А.К.
RU2122042C1
Чугун 1982
  • Леках Семен Наумович
  • Шитов Евгений Иванович
  • Слуцкий Анатолий Григорьевич
  • Белый Юрий Петрович
  • Мальев Вячеслав Антонович
  • Василенко Василий Пантелеевич
  • Родионов Владимир Андреевич
  • Дворянчиков Василий Петрович
  • Стороженко Иван Васильевич
  • Рабеко Владимир Григорьевич
  • Пичугин Виктор Борисович
  • Фалитнов Альберт Иванович
  • Кисляков Алексей Кириллович
SU1065493A1
Фосфористый чугун 1989
  • Святкин Борис Константинович
  • Карпенко Михаил Иванович
  • Егорова Марина Борисовна
  • Бадюкова Светлана Михайловна
  • Цейтлин Александр Маркович
SU1686025A1
DE 102004010916 A1, 22.09.2005
Способ восстановления хромовой кислоты, в частности для получения хромовых квасцов 1921
  • Ланговой С.П.
  • Рейзнек А.Р.
SU7A1

RU 2 442 838 C2

Авторы

Алов Виктор Анатольевич

Карпенко Михаил Иванович

Епархин Олег Модестович

Просветов Михаил Иванович

Куприянов Илья Николаевич

Зайцев Владимир Егорович

Туров Алексей Михайлович

Даты

2012-02-20Публикация

2010-04-05Подача