Фрикционный чугун для тормозных локомотивных колодок и способ его получения


 


Владельцы патента RU 2573848:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Иркутский государственный университет путей сообщения" (RU)

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.

 

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%.

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.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам чугуна, который может быть использован в машиностроении. По одному из вариантов чугун содержит, мас.
Тормозной диск для дискового тормоза, включающий тормозную ленту, изготовленную из чугуна, включающего углерод, кремний, марганец, молибден, хром. Преимущественно тормозной диск имеет характеристики повышенной устойчивости к механической и тепловой напряженности, а также высокой устойчивости к коррозии.

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для изготовления отливок тормозных дисков. Антифрикционный чугун содержит, мас.%: углерод 3,70-3,80, кремний 1,51-1,69,марганец 0,5-0,7, медь 0,44-0,52, никель ≤0,13, хром ≤0,12, сера ≤0,13, олово 0,11-0,13, фосфор ≤0,1, железо - остальное, при этом эвтектический углеродный эквивалент, рассчитанный по формуле Cэкв.=C+Si/3, составляет 4,2-4,4, а соотношение меди к олову составляет 3,9-4,1.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к чугунам с шаровидным графитом. Чугун содержит, вес.

Чугун // 2561541
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам чугуна, который может быть использован для изготовления деталей тепловых агрегатов, печей и электроплит.

Чугун // 2560465
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам чугуна, который может быть использован в машиностроении. Чугун содержит, мас.%: углерод 2,4-3,0, кремний 1,2-1,6, марганец 0,6-0,8, хром 0,1-0,15, ванадий 2,4-3,2, рений 0,04-0,06, медь 1,6-2,0, магний 0,004-0,008, железо - остальное.
Чугун // 2557436
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам чугуна, который может быть использован для изготовления изделий, работающих в условиях трения и повышенного износа.
Чугун // 2557199
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам чугуна, который может быть использован для изготовления изделий, работающих в условиях трения и повышенного износа.

Чугун // 2557198
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам чугуна, который может быть использован для изготовления изделий, работающих в условиях трения и повышенного износа.
Чугун // 2557197
Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к составам чугуна, который может быть использован в машиностроении. Чугун содержит, мас.%: углерод 3,0-3,5; кремний 1,7-2,5; марганец 0,4-0,8; никель 0,15-0,25; хром 0,4-0,6; титан 0,15-0,3; медь 0,1-0,3; кальций 0,005-0,015; бор 0,005-0,015; ниобий 0,4-0,8; железо - остальное.
Изобретение относится к области термической обработки деталей из легированного чугуна с различной формой графита. Способ включает контроль исходной структуры, термическую обработку, азотирование, механическую обработку, при этом исходную структуру детали контролируют на содержание графита, цементита и феррита, термообработку для деталей из чугуна, содержащего в структуре графит шаровидной формы, до 10% графита нешаровидной формы и до 20% феррита, проводят путем высокого отпуска и старения, при содержании в структуре от 10 до 80% графита нешаровидной формы и от 20 до 85% феррита путем аустенизации, охлаждения со скоростью 5-15°С в секунду до температуры верхнего бейнита, изотермической выдержки, высокого отпуска и старения, а при содержании в структуре от 10 до 80% графита нешаровидной формы, от 20 до 85% феррита и до 80 % цементита путем предварительного диффузионного отжига, аустенизации, охлаждения со скоростью 5-15°С в секунду до температуры верхнего бейнита, изотермической выдержки, высокого отпуска и старения, после термообработки контролируют структуру деталей, осуществляют механическую обработку поверхности детали с припуском, обеспечивающим при последующей после азотирования механической обработке удаление слоя ε-фазы, после чего участки детали с наименьшей толщиной стенки подвергают деформационному наклепу, затем детали фосфатируют, проводят низкотемпературное азотирование, рабочую поверхность детали подвергают электрохимическому травлению, хонингуют и фосфатируют.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению отливок из высокопрочных чугунов с шаровидным графитом. .

Изобретение относится к области термической обработки и к конструктивным элементам железнодорожных грузовых тележек, в частности к конструкциям литых фрикционных клиньев из чугуна для восприятия и гашения колебаний надрессорной балки тележки грузового вагона.

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам термической обработки чугунов с шаровидным графитом. .

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и может быть использовано при производстве литых изделий, отличающихся высокими механическими свойствами, в том числе при динамическом нагружении.

Изобретение относится к технологии термообработки деталей, а именно к поверхностной закалке электрической индукцией, и используется преимущественно при изготовлении износостойких элементов фрикционного гасителя колебаний (ФГК) тележек грузовых вагонов.

Изобретение относится к области термического упрочнения лезвий почвообрабатывающих орудий и может быть использовано в сельскохозяйственном машиностроении. .
Изобретение относится к металлургии, в частности к способу получения чугуна с шаровидным графитом. .

Изобретение относится к разработке скользящих компонентов, применяющихся в компрессорах. .
Изобретение относится к области металлургии. .

Изобретение относится к области термической обработки изделий из графитизированных чугунов и может быть использовано в энергомашиностроении, двигателестроении, сельхозмашиностроении и других отраслях промышленности. Для повышения износостойкости изделий из графитизированного чугуна с ферритной матрицей осуществляют нагрев изделия токами высокой частоты и последующую закалку, при этом в качестве исходного материала используют чугун с количеством графитных включений более 200 1/мм2, а скорость индукционного нагрева составляет 400-500 град/с. 1 табл., 3 ил.
Наверх