ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН ДЛЯ ТОРМОЗНЫХ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛОДОК И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК C22C37/10 C21D5/00 

Описание патента на изобретение RU2573848C1

Изобретение относится к металлургии, конкретно к чугунам для тормозных локомотивных колодок и способам получения микроструктуры фрикционного чугуна.

На отечественных железных дорогах всегда остро стояла проблема ресурсообеспеченности колодочных тормозов и износа в трибологической паре «колесо-колодка», сохраняющая свою актуальность и в настоящее время.

Она требует решения технико-экономических, технологических, металловедческих, трибологических задач, связанных с выбором износостойких фрикционных чугунов, выбором конструкции оптимально приемлемой для установления на локомотив чугунных тормозных колодок, при соблюдении экологически чистых технологий производства.

Одной из задач является уменьшение изнашивания трущихся поверхностей. Тормоза локомотива работают в условиях сухого трения, потери металла от интенсивного износа при этом максимальны.

Наиболее важными показателями, определяющими нормальный износ трибологической пары «колесо-колодка», является твердость тормозной колодки, стабильность этого показателя по сечению колодки и небольшой разброс твердости по отдельным колодкам. Это определяется тем, что твердость колодки определяет величину износа, изменения твердости по сечению приводит к качественному изменению процессов трения, а большой разброс твердости по колодкам приводит к недоиспользованию материала части колодок.

Твердость тормозных чугунных колодок зависит от внутренней микроструктуры. Основные составляющие этой микроструктуры перлит, графит, цементит, фосфидные эвтектики.

В соответствии со стандартом в локомотивных колодках типа «М» допускаются отклонения в содержании углерода от 2,7 до 3,4%. Микроструктура чугуна состоит из перлита, графита, фосфидных эвтектик и цементита. Перлит имеет стабильную твердость, а изменения твердости материала определяются в основном свободным цементитом и фосфидными эвтектиками. При этом увеличение содержания углерода сказывается на количестве свободного цементита.

Известен фрикционный чугун для тормозных колодок (Патент на изобретение №1567652 (МПК С22С 37/10) 1987.04), содержащий, мас. %:

углерод 2,7-3,4,

кремний 0,5-1,0,

марганец 0,4-0,8,

фосфор 0,45-0,8,

барий 0,001-0,2,

кальций 0,001-0,15,

железо остальное.

Недостатками этого чугуна является то, что его структура состоит из перлита, графита, свободного цементита и фосфидных эвтектик, большой разброс исходного чугуна по содержанию углерода приводит к изменению состава структуры по свободному цементиту и, как следствие, к большому разбросу параметров твердости. Марганец в структуре способствует концентрации цементита, небольшие отклонения от технологического режима охлаждения приводят к уменьшению количества графита и появлению отбела. В результате неоднородности структуры в зоне трения происходит неравномерный износ поверхности тормозной колодки, образуются зоны пониженного износа (с большим содержанием свободного цементита) и повышенного износа (перлитная составляющая). Указанная неравномерность приводит к неравномерному распределению тормозных нагрузок и, как следствие, неравномерности температурных полей. В результате появляются зоны натиров, которые при малом содержании графита приводят к появлению задиров и повышенному расходу материала бандажа.

Известен чугун для тормозных локомотивных колодок по ГОСТ 30249-97, содержащий, мас. %:

углерод 2,7-3,4,

кремний 0,7-1,0,

марганец 0,4-0,9,

фосфор 0,4-0,9,

сера не более 0,20,

барий 0,05-0,2,

кальций 0,05-0,15.

Недостатками этого чугуна являются те же, что и чугуна-аналога, поскольку их составы практически идентичны. Большой разброс содержания углерода в исходном чугуне приводит к изменениям в составе количества свободного цементита, а значит и к большим изменениям твердости (по стандарту от 229 до 302 НВ). Чувствительность материала к точности выполнения режима охлаждения зачастую приводит к наличию отбела. Все это усугубляется повышенным содержанием кремния и марганца, которые способствуют концентрации перлитной и цементитной составляющих. Образующаяся структура с наличием зон повышенной и пониженной твердости (разброс твердости по сечению и площади достигает в среднем 25%) способствуют возникновению в зоне трения возвышенных участков. При этом тормозная нагрузка перераспределяется. На возвышенных участках реализуются большие удельные нагрузки и значительно повышается температура, что приводит к появлению зон натира. В условиях пониженного содержания графитной составляющей, при сухом трении в зонах натиров происходит схватывание металла бандажа и колодки, происходит повышенный износ бандажа. Так, например, износ бандажа колодками со средней твердостью по верхнему пределу стандарта на 77% больше по сравнению с износом бандажа колодками со средней твердостью по нижнему пределу стандарта. Неравномерность структуры приводит и к разрушению материала колодок. Так, например, общая длина трещин работавших колодок повышенной твердости (в пределах стандарта) на 276% больше, чем в группе колодок пониженной твердости (в пределах стандарта). Остаточный ресурс изношенных колодок повышенной твердости на 33% выше, чем колодок пониженной твердости, а поскольку смена колодок производится одновременно, то потери металла с твердыми колодками очень существенна.

Известен способ термической обработки отливок из чугуна (Патент РФ №2267542, кл. С21С 1/10), включающий отжиг, нагрев, охлаждение и отпуск, отличающийся тем, что термической обработке подвергают отливки из чугуна, при этом проводят гомогенизирующий отжиг при 950-1000°С с выдержкой 3-5 ч, ферритизирующий отжиг путем охлаждения с печью до 780-720°С, выдержки при этой температуре 2,5-3 ч и последующего медленного охлаждения с печью до 650÷600°С, после чего проводят быстрое охлаждение на воздухе или в воде до комнатной температуры и осуществляют искусственное старение путем нагрева до 350-420°С с выдержкой 2-3 ч.

Недостатком данного способа является: сложность технологического режима и его контроля, слишком большое снижение твердости (на 30-150НВ), что снижает износостойкость тормозных колодок, повышенная стоимость, изготовление отливок осуществляется в песчано-глинистых формах.

Задачей изобретения является получение графито-ферритовой микроструктуры фрикционного чугуна с повышенным содержанием фосфора для тормозных локомотивных колодок, обеспечивающей повышение долговечности и износостойкости трибологической пары «колесо-колодка».

Решение поставленной задачи достигается тем, что фрикционный чугун, содержит углерод, кремний, марганец, фосфор, сера, барий, кальций, при этом соотношение компонентов составляет, мас. %:

углерод 2,7-3,4,

кремний 0,7-1,0,

марганец 0,4-0,9,

фосфор 2,2-2,6,

сера не более 0,20,

барий 0,05-0,2,

кальций 0,05-0,15,

и получением феррито-графитовой микроструктуры отливки фрикционного чугуна для тормозных локомотивных колодок путем термической обработки, при этом отливку подвергают высокому отжигу путем нагрева до температуры 950-1000°С, выдерживают 2 часа и охлаждают вместе с печью до комнатной температуры.

На фиг. 1 показана чугунная часть диаграммы «Железо-углерод».

На диаграмме «Железо-углерод» заштрихована область существования чугуна, применяемого для производства тормозных локомотивных колодок.

Структурообразование в чугуне зависит как от первичных процессов затвердевания, так и от вторичных процессов, происходящих в твердом состоянии, т.е. большое влияние на твердость и другие механические свойства чугуна оказывает процессы плавки, кристаллизации и охлаждение отливок.

Феррито-графитовая микроструктура с повышенным содержанием фосфора обеспечивает повышение долговечности и износостойкости трибологической пары «колесо-колодка». При этом ферритная металлическая матрица имеет твердость около 160 НВ, но зато эта твердость зависит только от состава примесей в основном фосфора, который за счет фосфидных эвтектик и прямого легирования феррита поднимает среднюю твердость структуры до 220-230 НВ. Почти весь углерод графитизируется и изменение содержания углерода в исходном чугуне сказывается только на количестве графита. Феррито-графитовая микроструктура с повышенным содержанием фосфора получается высокотемпературным графитизирующим отжигом отливок при температуре 950-960°С, выдержке около 2 часов при этой температуре и охлаждении вместе с печью.

При такой обработке полностью снимается отбел и все внутренние напряжения, обеспечивается графитизация свободного цементита и распад цементита эвтектоидного.

Преимущество заявляемого фрикционного чугуна заключается в повышении долговечности и износостойкости трибологической пары «колесо-колодка» за счет получения в отливках колодок феррито-графитовой микроструктуры, что позволяет при эксплуатации в результате выкрашивания графита обеспечивать сухую смазку.

Сравнение работы тормозных колодок с экспериментальной структурой со стандартными колодками двух групп твердости (повышенной и пониженной) показывает, что разброс твердости экспериментальной колодки по сечению и площади составил 1%, а в группах стандартных колодок - 21%. Средняя длина трещин на поверхности изношенных колодок в экспериментальной группе составила на 28% меньше, чем в группе стандартных колодок пониженной твердости, и на 383% меньше, чем в группе повышенной твердости. Износ материала колодок экспериментальной группы на 17% меньше, чем в стандартной группе пониженной твердости. Износ бандажей колес при использовании колодок с экспериментальной структурой на 93% меньше по сравнению с группой стандартных колодок пониженной твердости и на 342% меньше по сравнению с группой стандартных колодок повышенной твердости. По износу гребней колес аналогично имеем соответственно 53% и 71%.

Похожие патенты RU2573848C1

название год авторы номер документа
СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ТОРМОЗНЫХ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛОДОК 2014
  • Климов Анатолий Александрович
  • Стручков Алексей Валентинович
  • Хацкевич Денис Сергеевич
  • Денисов Роман Александрович
RU2575505C2
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 1982
  • Воробьева Элла Леонидовна
  • Головатый Александр Терентьевич
  • Кочевых Сергей Владимирович
  • Асташкевич Борис Михайлович
  • Клепач Петр Яковлевич
  • Яковлев Евгений Александрович
  • Сухарников Юрий Иванович
  • Левинтов Борис Львович
SU1063856A1
ЧУГУН 1993
  • Ерохин Е.И.
  • Полянский В.П.
  • Горшенков А.Н.
RU2048583C1
Фрикционный чугун для тормозных колодок 1987
  • Ларин Тимофей Васильевич
  • Асташкевич Борис Михайлович
  • Яковлев Евгений Афанасьевич
  • Абашкин Игорь Валентинович
  • Шоташвили Яков Михайлович
  • Гудков Владимир Сергеевич
  • Карноухов Алексей Георгиевич
  • Теплухин Александр Алексеевич
SU1567652A1
Чугун 2020
  • Габец Денис Александрович
  • Марков Андрей Михайлович
RU2733940C1
ЧУГУН 2002
  • Зиновьев Ю.А.
  • Колпаков А.А.
  • Селихов В.А.
  • Ильина О.В.
  • Зуев М.П.
  • Орлов С.А.
RU2218441C1
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
СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ЗАГОТОВОК ИЗ СЕРОГО ПЕРЛИТНОГО ЧУГУНА 2002
  • Качурина Т.В.
  • Ерохина В.И.
  • Покровский Ю.К.
  • Михальков Н.С.
  • Пырикова Л.И.
RU2230799C2
Чугун 1982
  • Воробьева Элла Леонидовна
  • Клепач Петр Яковлевич
  • Головатый Александр Терентьевич
  • Филиппенков Анатолий Анатольевич
  • Кочевых Сергей Владимирович
  • Колычева Лидия Георгиевна
  • Сухарников Юрий Иванович
  • Левинтов Борис Львович
  • Пирожников Владимир Романович
SU1077945A1

Иллюстрации к изобретению RU 2 573 848 C1

Реферат патента 2016 года ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН ДЛЯ ТОРМОЗНЫХ ЛОКОМОТИВНЫХ КОЛОДОК И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к получению тормозных локомотивных колодок из фрикционного чугуна. Для повышения долговечности и износостойкости трибологической пары «колесо-колодка» тормозную колодку получают из фрикционного чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, барий, кальций, железо и примеси, путем термической обработки, включающей нагрев в печи до температуры 950-1000°С, выдержку в течении 2 часов и охлаждение вместе с печью до комнатной температуры с обеспечением феррито-графитовой микроструктуры. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Формула изобретения RU 2 573 848 C1

1. Тормозная локомотивная колодка из фрикционного чугуна, содержащего углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, барий, кальций, отличающаяся тем, что она имеет феррито-графитовую микроструктуру, а чугун содержит указанные компоненты при следующем соотношении, мас.%:
углерод 2,7-3,4 кремний 0,7-1,0 марганец 0,4-0,9 фосфор 2,2-2,6 сера не более 0,20 барий 0,05-0,2 кальций 0,05-0,15 железо и неизбежные примеси остальное

2. Способ получения тормозной локомотивной колодки из фрикционного чугуна по п. 1, включающий термическую обработку путем нагрева тормозной колодки в печи до температуры 950-1000°C с выдержкой в течение 2 часов и охлаждения вместе с печью до комнатной температуры с обеспечением феррито-графитовой микроструктуры.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2016 года RU2573848C1

Фрикционный чугун для тормозных колодок 1987
  • Ларин Тимофей Васильевич
  • Асташкевич Борис Михайлович
  • Яковлев Евгений Афанасьевич
  • Абашкин Игорь Валентинович
  • Шоташвили Яков Михайлович
  • Гудков Владимир Сергеевич
  • Карноухов Алексей Георгиевич
  • Теплухин Александр Алексеевич
SU1567652A1
ЧУГУН, СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ И СПОСОБ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ОТЛИВОК ИЗ НЕГО 2004
  • Сильман Григорий Ильич
  • Камынин Виктор Викторович
  • Харитоненко Сергей Александрович
RU2267542C1
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
SU 388452 A, 15.04.1988
CN 102206784 A, 05.10.2011
US 4482396 A1, 13.11.1984.

RU 2 573 848 C1

Авторы

Климов Анатолий Александрович

Стручков Алексей Валентинович

Хацкевич Денис Сергеевич

Денисов Роман Александрович

Даты

2016-01-27Публикация

2014-07-24Подача