Результат интеллектуальной деятельности: СЕРЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ ЧУГУН

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к серым фрикционным высокофосфористым чугунам для изготовления литых тормозных колодок и других деталей механизмов трения.

Известен серый чугун марки СЧ20 (ГОСТ 1412-85), широко используемый для литья тормозных колодок грузовых вагонов железнодорожного транспорта. В литых деталях этот чугун имеет перлитно-ферритную структуру и недостаточные механические (σ_в=186-205 МПа, твердость 170-241 НВ) и эксплуатационные свойства.

Известен также серый фрикционный чугун (патент RU №2326178, МПК С22С 37/10, 2008), содержащий, мас.%:

Предел прочности этого чугуна 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 - 0,61-0,68.

Однако отмечается недостаточная ударно-усталостная долговечность чугуна в литых фрикционных изделиях (10,5-12,8 тыс. циклов), что увеличивает склонность чугуна к появлению трещин на их рабочих поверхностях в процессе эксплуатации.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является серый фрикционный чугун (патент RU 2442838, МПК С22С 37/06, 2011, прототип), содержащий, мас.%:

Известный чугун обладает следующими механическими и фрикционными свойствами:

При высоких характеристиках твердости и износостойкости известный чугун обладает недостаточными характеристиками трещиностойкости, динамической прочности и ударно-усталостной долговечности, что приводит к образованию на рабочих поверхностях тормозных барабанов и колодок трещин в процессе эксплуатации и снижению их надежности.

Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости, динамической прочности и ударно-усталостной долговечности чугуна в литых изделиях.

Поставленная задача решается тем, что серый фрикционный чугун, содержащий углерод, кремний, марганец, фосфор, серу, хром, азот, бор, алюминий и железо, дополнительно содержит ванадий, никель и кобальт при следующем соотношении компонентов, 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, что данные отличия являются существенными.

Дополнительное введение ванадия обусловлено существенным влиянием его на ударно-усталостную долговечность, фрикционную стойкость и эксплуатационную надежность чугуна в литых изделиях. При содержании ванадия до 0,02% ударно-усталостная долговечность, фрикционная теплостойкость и эксплуатационная надежность недостаточны. При концентрации ванадия более 0,07% повышается содержание в структуре карбидов и нитридов, что снижает динамическую прочность и трещиностойкость чугуна в литых изделиях.

Дополнительное введение никеля (0,02-0,05%) и кобальта (0,01-0,03%) оказывает микролегирующее влияние на структуру, существенно повышает упруго-пластические свойства и трещиностойкость чугуна. При увеличении их концентрации более верхних пределов снижаются характеристики твердости, износостойкости и эксплуатационной надежности. При концентрации никеля до 0,02% и кобальта до 0,01% снижаются характеристики динамической прочности и трещиностойкости.

Опытные плавки чугуна проводили в коксовых вагранках производительностью 5 т/ч с копильником. В качестве шихтовых материалов использовали литейные чугуны марок ЛЗ, передельный чугун марки ПЛ2, стальной лом группы 1А, ферромарганец ФМн78, доменный феррофосфор марки ФФ16, полуфабрикатный никель с кобальтом ПНЗ, высокоуглеродистый феррохром ДХ800, феррованадий ФВд2, ферробор и другие ферросплавы.

При выпуске чугуна из копильника в разливочные ковши производили наномодифицирование расплава (гибридная технология металлотермии и самораспространяющегося высокотемпературного синтеза) с использованием экзотермических азотированных таблеток на основе металлического алюминия, ферробора, оксида железа и угольной пыли. Заливку модифицированного чугуна с температурой 1300-1360°С производили в литейные песчано-глинистые формы для получения технологических проб, стандартных образцов для механических и фрикционных испытаний и тормозных колодок.

В таблице 1 приведены химические составы известного и предложенного серых чугунов опытных плавок.

Механические и фрикционные испытания проводили на цилиндрических стандартных образцах в литом состоянии без термической обработки по общепринятым методикам. Исследование микроструктуры проводили в соответствии с ГОСТ 3443-87, трещиностойкости - на звездообразных технологических пробах с диаметром 250 мм и высотой 140 мм. Динамическую прочность определяли на образцах 10×10×55 мм без надреза, а термическую стойкость - при нагреве до 900°С.

В таблице 2 приведены результаты механических и фрикционных испытаний, исследования термической стойкости, трещиностойкости чугуна в отливках.

Как видно из таблицы 2, предложенный серый фрикционный чугун обеспечивает литым изделиям более высокие характеристики динамической прочности, износостойкости, трещиностойкости и ударно-усталостной долговечности, чем известный.