Серый фрикционный чугун

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.

 

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.%:

Углерод	2,8-3,2
Кремний	1,2-1,7
Марганец	до 0,1
Фосфор	0,2-0,6
Хром	0,2-0,6
Сера	до 1,0
Железо	Остальное

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.%:

Углерод	2,8-4,2
Кремний	2,8-3,8
Марганец	0,1-1,0
Сурьма	0,07-1,0
Фосфор	0,001-0,3
Сера	0,001-0,1
Железо	Остальное

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.%:

Углерод	3,33
Кремний	2,47
Марганец	0,24
Фосфор	0,12
Сера	0,02
Азот	0,005
Железо	Остальное

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.%:

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

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 1
Компоненты	Содержание компонентов в чугунах, мас.%
1 (Изв.)	2	3	4	5	6
Углерод	3,33	2,7	2,8	3,1	3,5	3,7
Кремний	2,47	2,5	2,0	1,6	1,3	1,2
Марганец	0,24	0,24	0,3	0,5	0,8	0,9
Фосфор	0,12	0,52	1,0	1,3	1,5	1,7
Сера	0,02	0,01	0,02	0,08	0,15	0,17
Азот	0,005	0,001	0,002	0,006	0,01	0,013
Алюминий	-	0,001	0,002	0,005	0,01	0,012
Железо	Остальное	Остальное	Остальное	Остальное	Остальное	Остальное

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 2
Показатели	Свойства фрикционных чугунов для составов
1 (изв.)	2	3	4	5	6
Предел прочности при изгибе, МПа	408	416	445	490	465	440
Твердость, НВ	228	235	241	253	279	263
Средний износ при сухом трении, мг/гс	26	23	20	16	12	15
Ударно-усталостная долговечность, тыс. циклов	7,8	8,4	10,5	12,8	11,6	10,2
Коэффициент трения	0,48	0,55	0,61	0,65	0,63	0,53
Остаточные термические напряжения, МПа	12,6	8,4	6,5	5,6	7,2	8,3
Фрикционная теплостойкость, %	100	109	118	125	121	113

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

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