RU2514360C1

RU2514360C1 - Gray friction iron

Info

Publication number: RU2514360C1
Application number: RU2012155446/02A
Authority: RU
Inventors: Виктор Анатольевич Алов; Михаил Иванович Карпенко; Олег Модестович Епархин; Александр Николаевич Попков; Нелли Ивановна Вершинина; Елена Петровна Степанюк
Priority date: 2012-12-19
Filing date: 2012-12-19
Publication date: 2014-04-27

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: proposed composition contains the following substances, in wt %: carbon - 2.8-3.5; silicon - 0.8-2.0; manganese - 0.3-0.8; phosphorus - 1.6-3.0; sulphur - 0.1-0.15; chromium - 0.02-0.08; nitrogen - 0.01-0.03; boron - 0.002-0.01; aluminium - 0.002-0.01; vanadium - 0.02-0.07; nickel - 0.02-0.05; cobalt - 0.01-0.03; iron making the rest.

EFFECT: higher growth resistance, dynamic hardness and longer life.

2 tbl

Description

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к серым фрикционным высокофосфористым чугунам для изготовления литых тормозных колодок и других деталей механизмов трения.The invention relates to the field of ferrous metallurgy, in particular to gray friction high phosphorus cast iron for the manufacture of cast brake pads and other parts of friction mechanisms.

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.Known gray cast iron grade SCH20 (GOST 1412-85), widely used for casting brake pads of freight cars of railway transport. In cast parts, this cast iron has a pearlite-ferrite structure and insufficient mechanical (σ _in = 186-205 MPa, hardness 170-241 HB) and operational properties.

Известен также серый фрикционный чугун (патент RU №2326178, МПК С22С 37/10, 2008), содержащий, мас.%:Also known is gray friction cast iron (patent RU No. 2226178, IPC C22C 37/10, 2008), containing, wt.%:

УглеродCarbon 2,9-3,52.9-3.5 КремнийSilicon 1,3-2,01.3-2.0 МарганецManganese 0,3-0,80.3-0.8 ФосфорPhosphorus 1,0-1,51.0-1.5 СераSulfur 0,02-0,150.02-0.15 АзотNitrogen 0,002-0,0100.002-0.010 АлюминийAluminum 0,002-0,0100.002-0.010 ЖелезоIron ОстальноеRest

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.The tensile strength of this cast iron is 445-490 MPa, the hardness of cast iron in castings is 241-279 HB, frictional heat resistance is 118-125%, the average wear during dry friction is 12-20 mg / g · s and the friction coefficient is 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.However, insufficient shock and fatigue durability of cast iron in cast friction products (10.5-12.8 thousand cycles) is noted, which increases the tendency of cast iron to crack on their working surfaces during operation.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является серый фрикционный чугун (патент RU 2442838, МПК С22С 37/06, 2011, прототип), содержащий, мас.%:The closest in technical essence and the achieved effect is gray friction cast iron (patent RU 2442838, IPC С22С 37/06, 2011, prototype), containing, wt.%:

УглеродCarbon 2,8-3,52.8-3.5 КремнийSilicon 0,8-2,00.8-2.0 МарганецManganese 0,3-0,80.3-0.8 ФосфорPhosphorus 1,0-1,51.0-1.5 СераSulfur 0,02-0,150.02-0.15 АзотNitrogen 0,012-0,0300.012-0.030 ХромChromium 0,01-0,080.01-0.08 БорBoron 0,002-0,0100.002-0.010 АлюминийAluminum 0,002-0,0100.002-0.010 ЖелезоIron ОстальноеRest

Известный чугун обладает следующими механическими и фрикционными свойствами:Known cast iron has the following mechanical and frictional properties:

Временное сопротивление при растяжении, МПаTensile strength, MPa 250-280250-280 Твердость, НВHardness, HB 25-27925-279 Средний износ при сухом трении, мг/г·сThe average wear during dry friction, mg / g · s 10-1510-15 Ударно-усталостная долговечность, тыс. цикловImpact-fatigue life, thousand cycles 13,5-17,113.5-17.1 Фрикционная теплостойкость (эталон СЧ20), %Frictional heat resistance (standard SCH20),% 118-128118-128 Коэффициент тренияCoefficient of friction 0,65-0,690.65-0.69 Трещиностойкость (количество трещинCrack resistance (number of cracks в технологической пробе)in the technological sample) 3-73-7 Динамическая прочность, Дж/см² Dynamic strength, J / cm ² 10-1310-13

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.With high characteristics of hardness and wear resistance, known cast iron has insufficient characteristics of crack resistance, dynamic strength and shock fatigue durability, which leads to the formation of cracking drums and brake pads on the working surfaces of cracks and reduce their reliability.

Задачей данного технического решения является повышение трещиностойкости, динамической прочности и ударно-усталостной долговечности чугуна в литых изделиях.The objective of this technical solution is to increase crack resistance, dynamic strength and impact fatigue durability of cast iron in cast products.

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.%:The problem is solved in that the gray friction cast iron containing carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, chromium, nitrogen, boron, aluminum and iron, additionally contains vanadium, nickel and cobalt in the following ratio, wt.%:

УглеродCarbon 2,8-3,52.8-3.5 КремнийSilicon 0,8-2,00.8-2.0 МарганецManganese 0,3-0,80.3-0.8 ФосфорPhosphorus 1,6-3,01.6-3.0 СераSulfur 0,10-0,150.10-0.15 ХромChromium 0,02-0,080.02-0.08 АзотNitrogen 0,01-0,030.01-0.03 БорBoron 0,002-0,0100.002-0.010 АлюминийAluminum 0,002-0,0100.002-0.010 ВанадийVanadium 0,02-0,070.02-0.07 НикельNickel 0,02-0,050.02-0.05 КобальтCobalt 0,01-0,030.01-0.03 ЖелезоIron ОстальноеRest

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.The analysis of the proposed technical solution showed that at the moment there are no technical solutions in which these differences would be reflected. In addition, these signs are necessary and sufficient to achieve the positive effect indicated in the purpose of the invention. This allows us to conclude that these differences are significant.

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.The additional introduction of vanadium is due to its significant effect on the impact fatigue life, frictional resistance and operational reliability of cast iron in cast products. When the content of vanadium is up to 0.02%, shock-fatigue life, frictional heat resistance and operational reliability are insufficient. When the concentration of vanadium is more than 0.07%, the content in the structure of carbides and nitrides increases, which reduces the dynamic strength and crack resistance of cast iron in cast products.

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.The additional introduction of nickel (0.02-0.05%) and cobalt (0.01-0.03%) has a microalloying effect on the structure, significantly increases the elastic-plastic properties and crack resistance of cast iron. With an increase in their concentration over the upper limits, the characteristics of hardness, wear resistance and operational reliability decrease. At a concentration of nickel up to 0.02% and cobalt up to 0.01%, the characteristics of dynamic strength and crack resistance decrease.

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.Pilot cast iron melts were carried out in coke cupola furnaces with a productivity of 5 t / h with a piggy bank. As charge materials, LZ grade cast iron, PL2 conversion cast iron, group 1A steel scrap, FMN78 ferromanganese, FF16 grade ferrophosphorus, semi-finished nickel with cobalt PNZ, high-carbon ferrochrome DX800, ferrovanadium FVd2, ferroboron and others were used as charge materials.

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.When cast iron was extracted from the piggy bank into casting ladles, the nanomodification of the melt (hybrid technology of metallothermy and self-propagating high-temperature synthesis) was performed using exothermic nitrided tablets based on aluminum metal, ferroboron, iron oxide and coal dust. Modified cast iron was poured with a temperature of 1300–1360 ° С into sand and clay foundry molds to obtain technological samples, standard samples for mechanical and friction tests, and brake shoes.

В таблице 1 приведены химические составы известного и предложенного серых чугунов опытных плавок.Table 1 shows the chemical compositions of the known and proposed gray cast iron experimental swimming trunks.

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.Mechanical and frictional tests were carried out on cylindrical standard specimens in a molten state without heat treatment according to generally accepted methods. The study of the microstructure was carried out in accordance with GOST 3443-87, crack resistance - on star-shaped technological samples with a diameter of 250 mm and a height of 140 mm. The dynamic strength was determined on samples of 10 × 10 × 55 mm without an incision, and the thermal resistance was determined upon heating to 900 ° C.

В таблице 2 приведены результаты механических и фрикционных испытаний, исследования термической стойкости, трещиностойкости чугуна в отливках.Table 2 shows the results of mechanical and frictional tests, studies of thermal resistance, crack resistance of cast iron in castings.

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.As can be seen from table 2, the proposed gray friction cast iron provides cast products with higher characteristics of dynamic strength, wear resistance, crack resistance and impact fatigue life than the known one.

Таблица 1Table 1 КомпонентыComponents Содержание компонентов, мас.% (железо - остальное)The content of components, wt.% (Iron - the rest) 1 (Изв.)1 (Izv.) 22 33 4four 55 66 УглеродCarbon 3,43.4 2,62.6 2,82,8 3,13,1 3,53,5 3,63.6 КремнийSilicon 1,81.8 0,60.6 0,80.8 1,51,5 2,02.0 2,22.2 МарганецManganese 0,50.5 0,20.2 0,30.3 0,50.5 0,80.8 0,90.9 ФосфорPhosphorus 1,21,2 1,41.4 1,61,6 2,32,3 3,03.0 3,23.2 СераSulfur 0,120.12 0,050.05 0,10.1 0,120.12 0,150.15 0,20.2 ХромChromium 0,020.02 0,010.01 0,020.02 0,050.05 0,080.08 0,10.1 АзотNitrogen 0,050.05 0,0050.005 0,010.01 0,020.02 0,030,03 0,050.05 БорBoron 0,0050.005 0,0010.001 0,0020.002 0,0070.007 0,010.01 0,030,03 АлюминийAluminum 0,0040.004 0,0010.001 0,0020.002 0,0060.006 0,010.01 0,020.02 ВанадийVanadium -- 0,010.01 0,020.02 0,050.05 0,070,07 0,10.1 НикельNickel -- 0,010.01 0,020.02 0,030,03 0,050.05 0,070,07 КобальтCobalt -- 0,0060.006 0,010.01 0,020.02 0,030,03 0,050.05

Таблица 2table 2 ПоказателиIndicators Свойства фрикционных чугунов для составов Properties of Friction Cast Iron for Compounds 1 (Изв.)1 (Izv.) 22 33 4four 55 66 Временное сопротивление при растяжении, МПаTensile strength, MPa 265265 271271 275275 286286 283283 272272 Твердость, НВ Hardness, HB 263263 278278 267267 265265 264264 262262 Средний износ при сухом трении, мг/г·сThe average wear during dry friction, mg / g · s 1313 11eleven 99 77 88 1212 Ударно-усталостная долговечность, тыс. цикловImpact-fatigue life, thousand cycles 16,516.5 17,117.1 17,517.5 18,618.6 18,218.2 17,317.3 Коэффициент тренияCoefficient of friction 0,660.66 0,640.64 0,660.66 0,670.67 0,650.65 0,630.63 Фрикционная теплостойкость, %Frictional heat resistance,% 109109 112112 118118 123123 121121 115115 Трещиностойкость (количество трещин в пробе)Crack resistance (number of cracks in the sample) 4four 33 22 1one 22 33 Термическая стойкость, циклыThermal stability, cycles 660660 675675 720720 782782 736736 708708 Динамическая прочность, Дж/см² Dynamic strength, J / cm ² 1212 1313 15fifteen 1919 18eighteen 14fourteen

Claims

Gray friction cast iron containing carbon, silicon, manganese, phosphorus, sulfur, chromium, nitrogen, boron, aluminum and iron, characterized in that it additionally contains vanadium, nickel and cobalt in the following ratio, wt.%:
Carbon 2.8-3.5 Silicon 0.8-2.0 Manganese 0.3-0.8 Phosphorus 1.6-3.0 Sulfur 0.10-0.15 Chromium 0.02-0.08 Nitrogen 0.01-0.03 Boron 0.002-0.010 Aluminum 0.002-0.010 Vanadium 0.02-0.07 Nickel 0.02-0.05 Cobalt 0.01-0.03 Iron Rest.