RU2759364C1

RU2759364C1 - Composite material for friction clutch of switch electric drive

Info

Publication number: RU2759364C1
Application number: RU2021100685A
Authority: RU
Inventors: Валерий Сергеевич Фадеев; Олег Викторович Штанов; Александр Викторович Конаков; Николай Михайлович Паладин; Назим Галимзянович Гайнаншин; Сергей Александрович Злобин; Олег Викторович Довгаль; Алина Сергеевна Рябченко
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Информационные технологии" (ООО "ИнфоТех")
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2021-11-12

Abstract

FIELD: powder metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to powder metallurgy, namely, a composite sintered material based on iron for a friction clutch of a switch electric drive. The material contains silicon oxide, graphite, copper, barite, zinc stearic acid and iron at the following ratio, wt.%: silicon oxide 2-5, graphite 2-5, copper 8-13, barite 0.5-1.5, zinc stearate 0.1-0.5, iron the rest. The material has open porosity of 25-30%, Brinell hardness of 350-450 MPa, density of 5.00-5.25 g/cm³, a relative immersion depth of at least 12% and oil absorbency of 2-5% of the volume of the material. The iron matrix of the material has a coarse-grained structure with a grain size of 10-210 mcm, at least 70% of which have a size of 25-75 mcm, consists of lamellar perlite with inclusions of up to 20% of granular perlite, has intergranular and intragranular porosity. Inclusions of graphite, silicon oxide, sulfides and copper which is also distributed inside the grains are distributed along the grain boundaries.

EFFECT: invention provides a reduction in the run-in period and an increase in the stability of the friction coefficient when loading conditions change.

1 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым фрикционным материалам на основе железа, предназначенным для изготовления фрикционных элементов, используемых в узлах трения при ограниченной смазке, в частности к материалам для фрикционных дисков стрелочных электроприводов железнодорожных стрелочных переводов.The invention relates to powder metallurgy, in particular to powder friction materials based on iron, intended for the manufacture of friction elements used in friction units with limited lubrication, in particular to materials for friction discs of electric switches of railway switches.

При разработке спеченных фрикционных материалов для стрелочных электроприводов решаются две задачи - повышение износостойкости и повышение стабильности коэффициента трения. Фрикционный материал должен при кратковременных включениях фрикционной муфты, при отсутствии внешней смазки, в различных климатических зонах, в течение длительного времени эксплуатации, на менее 5 лет, обеспечивать перевод остряков стрелочного перевода с заранее заданным нормативным усилием. Номинальное значение усилия, которое должна передавать фрикционная муфта, составляет не менее 6 кН (600 кгс).When developing sintered friction materials for switch electric drives, two problems are solved - increasing the wear resistance and increasing the stability of the coefficient of friction. Friction material should, with short-term engagement of the friction clutch, in the absence of external lubrication, in different climatic zones, for a long time of operation, for less than 5 years, ensure the translation of the switch points with a predetermined standard effort. The nominal value of the force that the friction clutch must transmit is at least 6 kN (600 kgf).

Известен хромсодержащий фрикционный материал на основе железа следующего состава, вес.: хром 2-4, углерод 2-4, медь 1,5-2,5, дисульфид молибдена 4-6, железо остальное (Авторское свидетельство N 263161, С22С 33/02, 1961 г.). Недостаток данного материала - низкие механические свойства.Known chromium-containing friction material based on iron of the following composition, wt .: chromium 2-4, carbon 2-4, copper 1.5-2.5, molybdenum disulfide 4-6, iron the rest (Author's certificate N 263161, C22C 33/02 , 1961). The disadvantage of this material is its low mechanical properties.

Известен фрикционный материал на основе железа, известный из патента (RU №2220026, МПК B22F 3/16, заявка 2002120627 от 29.07.2002 г. «Способ изготовления фрикционных изделий»), имеющий фрикционные и механические свойства, удовлетворяющие материалам для фрикционных элементов, фрикционных муфт стрелочных электроприводов. Материал содержит, мас.% доли: медь - 1-3%, оксид кремния - 2-5,0%, графит - 2-5%, никель - 0,05%, остальное железо, имеет пористость 28-30% и твердость по Бринеллю НВ 380 МПа.Known friction material based on iron, known from the patent (RU No. 2220026, IPC B22F 3/16, application 2002120627 from 29.07.2002, "Method for the manufacture of friction products"), which has frictional and mechanical properties that satisfy materials for friction elements, friction clutches of electric switches. The material contains, wt%, the proportion: copper - 1-3%, silicon oxide - 2-5.0%, graphite - 2-5%, nickel - 0.05%, the rest is iron, has a porosity of 28-30% and hardness Brinell HB 380 MPa.

Недостаток данного технического решения заключается в том, что материал не оптимизирован по элементному состав и микроструктуре порошкового фрикционного материала. Данный фрикционный материал имеет непостоянный коэффициент трения, недостаточную износостойкость.The disadvantage of this technical solution is that the material is not optimized for the elemental composition and microstructure of the powder friction material. This friction material has an inconsistent coefficient of friction, insufficient wear resistance.

Для стрелочных приводов необходима стабильная работа фрикционного материала, отсутствие появления вибраций, сохранение стабильного коэффициента трения при изменением температуры при работе фрикционного материала. Это следует из технических условий на фрикционную муфту «НФТЦ 2.30.090.000.000 ТУ». Согласно п.1.1.2 данных технических условий «Муфта должна обеспечивать отклонение усилия при работе электропривода на фрикцию не более чем на ±10% от исходного значения» и п.1.1.3 «Муфта должна обеспечивать ступенчатую регулировку усилия перевода шибера в диапазоне нагрузок от 1000 до 6000 Н с шагом не более 500 Н» данные условия не всегда выполняются. Фиг. 1, 2.For switch drives, stable operation of the friction material, the absence of vibrations, and the maintenance of a stable coefficient of friction when the temperature changes during the operation of the friction material are required. This follows from the technical specifications for the friction clutch "NFTTS 2.30.090.000.000 TU". According to clause 1.1.2 of these technical conditions "The clutch should ensure the deviation of the force during the operation of the electric drive for friction by no more than ± 10% from the initial value" and clause 1.1.3 "The clutch should provide stepwise adjustment of the gate shift force in the load range from 1000 to 6000 N with a step of not more than 500 N "these conditions are not always met. FIG. 12.

Наиболее близкий известный материал фрикционный композиционный для фрикционной муфты стрелочного электропривода, содержащим, масс. доли: окись кремния - 2-5,0%, графит - 2-5%, железо и медь, имеющим открытую пористость, пропитанным маслом, при этом материал содержит медь - 10,5-17,5%, барит - 2,0-5,2%, железо - остальное, имеет открытую пористость 15-20%, твердость по Бринеллю НВ не менее 600 МПа, плотность 5,45-5,85 г/см³, относительную осадку не менее 12% и масловпитываемость - 1-4%, при этом железная матрица имеет крупнозернистую структуру с размером зерна 10-180 мкм, не менее 70% которых находится в пределах 25-75 мкм, состоит из зернистого перлита с включениями до 20% пластинчатого перлита и феррита, имеет межзеренную и внутризеренную пористость, по границам зерен распределены включения графита, окиси кремния, сульфидов, меди и цементита в виде разорванной сетки, причем медь распределена как по границе зерен, так и внутри зерен (Патент на изобретение RU №2639427 по заявке №2016126795 от 05.07.2016 г.).The closest known material is a frictional composite for a friction clutch of a switch electric drive, containing, masses. shares: silicon oxide - 2-5.0%, graphite - 2-5%, iron and copper, having open porosity, impregnated with oil, while the material contains copper - 10.5-17.5%, barite - 2.0 -5.2%, iron - the rest, has an open porosity of 15-20%, Brinell hardness HB not less than 600 MPa, density 5.45-5.85 g / cm ³ , relative slump not less than 12% and oil absorption - 1 -4%, while the iron matrix has a coarse-grained structure with a grain size of 10-180 microns, at least 70% of which is in the range of 25-75 microns, consists of granular pearlite with inclusions of up to 20% lamellar pearlite and ferrite, has intergranular and intragranular porosity, inclusions of graphite, silicon oxide, sulfides, copper and cementite in the form of a broken network are distributed along the grain boundaries, and copper is distributed both along the grain boundary and inside the grains (Patent for invention RU No. 2639427 on application No. 2016126795 dated 05.07.2016 .).

Недостаток данного технического решения заключается в длительной приработке материала для получения стабильных свойств по усилию прижатия.The disadvantage of this technical solution lies in the long running-in of the material to obtain stable properties of the pressing force.

Задача предлагаемого технического решения заключается в повышении надежности работы стрелочного электропривода и безопасности движения подвижного состава.The task of the proposed technical solution is to improve the reliability of the switch electric drive and the safety of the rolling stock.

При решении поставленной задачи достигается технический результат, заключающийся в снижении периода приработки и повышении стабильности коэффициента трения при изменении условий нагружения.When solving this problem, a technical result is achieved, which consists in reducing the running-in period and increasing the stability of the friction coefficient when changing loading conditions.

Технический результат достигается материалом композиционным для муфты фрикционной стрелочного электропривода, содержащим, масс. доли: окись кремния - (2-5)%, графит - (2-5)%, медь, барит, железо, имеющим открытую пористость, пропитанным маслом, при этом содержащим:The technical result is achieved by a composite material for the clutch of a friction switch electric drive, containing, masses. shares: silicon oxide - (2-5)%, graphite - (2-5)%, copper, barite, iron, having open porosity, impregnated with oil, while containing:

медь - 8-13%,copper - 8-13%,

барит - (0,5-1,5)%,barite - (0.5-1.5)%,

цинк стеариновокислый (0,1-0,5)%,zinc stearic acid (0.1-0.5)%,

железо - остальное,iron - the rest,

имеющим открытую пористость 25-30%, твердость по Бринеллю НВ 350-450 МПа, плотность (5,00-5,25) г/см³, относительную осадку не менее 12% и масловпитываемость - (2-5)%, при этом железная матрица имеет крупнозернистую структуру с размером зерна 10-210 мкм, с долей, около 70%, в пределах (25-75) мкм, состоит из пластинчатого перлита с включениями до 20% зернистого перлита, имеет межзеренную и внутризеренную пористость, с включениями графита, окиси кремния, сульфидов, меди, по границам зерен, медь также находится внутри зерен.having an open porosity of 25-30%, Brinell hardness HB 350-450 MPa, density (5.00-5.25) g / cm ³ , relative slump not less than 12% and oil absorption - (2-5)%, while iron matrix has a coarse-grained structure with a grain size of 10-210 microns, with a fraction of about 70%, within (25-75) microns, consists of lamellar pearlite with inclusions up to 20% granular pearlite, has intergranular and intragranular porosity, with graphite inclusions , silicon oxide, sulfides, copper, along grain boundaries, copper is also inside the grains.

Железо составляет основу фрикционного материала. Вводится в виде порошка ABC 100.30 фирмы "Hoganas" (Швеция). Благодаря высокой чистоте и отличным технологическим свойствам порошок обеспечивает высокое качество фрикционного материала. Железо является основным связующим компонентом и обеспечивает общую прочность фрикционного сплава.Iron forms the basis of the friction material. It is introduced in the form of ABC 100.30 powder from Hoganas (Sweden). Due to its high purity and excellent processing properties, the powder provides a high quality friction material. Iron is the main binder and provides the overall strength of the friction alloy.

Медь введена в виде порошка медного электролитического ПМС-1 (массовая доля меди 99,5%) ГОСТ 4960 с номинальной величиной частиц 100 мкм. Часть меди при спекании растворяется в феррите, тем самым упрочняя его и повышая сопротивление атмосферной коррозии. Основная часть меди содержится в материале в виде включений свободной меди по границам зерен и внутри зерен основной структуры, улучшая фрикционные свойства композита. Медь в составе фрикционного сплава на основе железа повышает теплопроводность и коэффициент трения за счет увеличения адгезионной составляющей коэффициента трения. При содержании менее 8% интенсифицируется схватывание ферритной основы фрикционного элемента со сталью фрикционного диска, что приводит к усилению износа, но не повышает коэффициент трения выше 0,35. При содержании свыше 13% интенсифицируется адгезионное взаимодействие медной составляющей фрикционного элемента со сталью фрикционного диска, что увеличивает коэффициент трения, но ведет к увеличенному износу фрикционного материала и нестабильности коэффициента трения.Copper was introduced in the form of electrolytic copper powder PMS-1 (copper mass fraction 99.5%) GOST 4960 with a nominal particle size of 100 microns. Part of the copper dissolves in the ferrite during sintering, thereby strengthening it and increasing its resistance to atmospheric corrosion. Most of the copper is contained in the material in the form of inclusions of free copper along the grain boundaries and within the grains of the main structure, improving the frictional properties of the composite. Copper in the iron-based friction alloy increases thermal conductivity and coefficient of friction by increasing the adhesion component of the coefficient of friction. When the content is less than 8%, the seizure of the ferrite base of the friction element with the steel of the friction disk is intensified, which leads to increased wear, but does not increase the coefficient of friction above 0.35. Above 13%, the adhesive interaction of the copper component of the friction element with the steel of the friction disk is intensified, which increases the coefficient of friction, but leads to increased wear of the friction material and instability of the coefficient of friction.

Графит карандашный - порошок черного цвета марок ГК-1, ГК-3 по ГОСТ 4404-78. Графит в процессе трения служит твердой смазкой, препятствуя молекулярному схватыванию трущихся поверхностей. Содержание в составе металлокерамического материала графита менее 2 мас.% приводит при некотором увеличении износостойкости к значительному снижению стабильности коэффициента трения. При увеличении количества графита более 5 мас.% с ростом коэффициента трения снижается износостойкость за счет снижении его прочностных характеристик.Pencil graphite - black powder grades GK-1, GK-3 in accordance with GOST 4404-78. In the process of friction, graphite serves as a solid lubricant, preventing molecular seizure of rubbing surfaces. The content of graphite in the composition of the cermet material is less than 2 wt%, with a slight increase in wear resistance, to a significant decrease in the stability of the friction coefficient. With an increase in the amount of graphite over 5 wt%, with an increase in the friction coefficient, the wear resistance decreases due to a decrease in its strength characteristics.

Оксид кремния - порошок белого цвета (Кремний (IV) оксид) по ГОСТ 9428-73. Оксид кремния в процессе трения служит абразивом, увеличивая коэффициент трения.Silicon oxide is a white powder (Silicon (IV) oxide) in accordance with GOST 9428-73. Silicon oxide serves as an abrasive during friction, increasing the coefficient of friction.

Барит (концентрат баритовый гравитационный) - порошок сульфата бария (сернокислого бария BaSO₄) по ГОСТ 4682-84. Барит обладает высокой плотностью (4300-4500 кг/м³), низкой твердостью (30-35 МПа), сравнительно небольшой абразивностью, введен в состав материала для придания материалу противозадирных свойств, Содержание в составе металлокерамического материала барита менее 0,5 мас.% приводит к незначительному увеличению износостойкости и повышению стабильности коэффициента трения. При увеличении количества барита более 1,5 мас.% снижается коэффициент трения и износостойкость за счет снижения прочностных характеристик.Barite (gravity barite concentrate) is a powder of barium sulfate (barium sulfate BaSO ₄ ) in accordance with GOST 4682-84. Barite has a high density (4300-4500 kg / m ³ ), low hardness (30-35 MPa), relatively low abrasiveness, introduced into the material to give the material extreme pressure properties, The content of barite in the composition of the cermet material is less than 0.5 wt% leads to a slight increase in wear resistance and an increase in the stability of the coefficient of friction. With an increase in the amount of barite over 1.5 wt%, the friction coefficient and wear resistance decrease due to a decrease in strength characteristics.

Цинк стеариновокислый (стеарат цинка) - белый или желтовато-белый порошок, слегка маслянистый на ощупь по ТУ 6-09-17-316-96. Это поверхностно-активное вещество, которое снижает поверхностное натяжение. Введен в состав порошковой смеси для улучшения процесса прессования Выступая в роли внутренней смазки, стеарат цинка уменьшает силы трения между частицами и способствует получения материала с минимальными значениями разброса по плотности. Содержание в составе порошковой смеси стеарата цинка менее 0,1 мас.% приводит к незначительному снижению разброса по плотности, при увеличении количества более 0,5 мас.% снижение разброса по плотности не значительно.Zinc stearic acid (zinc stearate) is a white or yellowish-white powder, slightly oily to the touch according to TU 6-09-17-316-96. It is a surfactant that lowers surface tension. Introduced into the powder mixture to improve the pressing process Acting as an internal lubricant, zinc stearate reduces friction forces between particles and helps to obtain a material with minimal density spread values. The content in the composition of the powder mixture of zinc stearate less than 0.1 wt.% Leads to a slight decrease in the spread in density, with an increase in the amount of more than 0.5 wt.%, The decrease in the spread in density is not significant.

В работах П.А. Ребиндера и Г.И. Епифанова показано, что в общем случае при трении протекают следующие процессы: 1) упругое и пластическое деформирование микронеровностей и пластическое течение в поверхностных слоях, приводящие к пластическому износу; 2) повторные микропластические деформации при периодических встречах микронеровностей, приводящие к установленному разрушению; 3) изменение механических и физических свойств поверхностных слоев металла вследствие глубокой пластической деформации (Основы триботехники: учеб. пособие / Ю.М. Лужнов, В.Д. Александров; под ред. Ю.М. Лужнова. - М.: МАДИ, 2013. - 136 с., стр. 25).In the works of P.A. Rebinder and G.I. Epifanov, it is shown that in the general case the following processes occur during friction: 1) elastic and plastic deformation of microroughnesses and plastic flow in the surface layers, leading to plastic wear; 2) repeated microplastic deformations during periodic encounters of microroughnesses, leading to established destruction; 3) change in the mechanical and physical properties of the surface layers of the metal due to deep plastic deformation (Fundamentals of tribotechnics: textbook / Yu.M. Luzhnov, V.D. Aleksandrov; edited by Yu.M. Luzhnov. - M .: MADI, 2013 . - 136 p., P. 25).

Из данных работ можно определить, какими свойствами должен обладать фрикционный материал, чтобы иметь высокую износостойкость и стабильный коэффициент трения. Составляющие фрикционного материала должны обладать высоким сопротивлением пластическому течению поверхностных слоев, противостоять усталостному разрушению межзеренных границ порошкового материала, иметь высокую теплопроводность, для быстрого отвода тепла в глубь основы, снижая тем самым изменения механических и физических свойств поверхностных и подповерхностных слоев зоны контакта фрикционного материала. Условия взаимодействия фрикционного материала с металлическим диском фрикционной муфты стрелочного электропривода имеют при этом ряд особенностей.From these works, it is possible to determine what properties the friction material should have in order to have high wear resistance and a stable coefficient of friction. The components of the friction material must have a high resistance to plastic flow of the surface layers, resist fatigue destruction of grain boundaries of the powder material, have high thermal conductivity, for rapid heat removal into the depth of the base, thereby reducing changes in the mechanical and physical properties of the surface and subsurface layers of the contact zone of the friction material. The conditions for the interaction of the friction material with the metal disc of the friction clutch of the switch electric drive have a number of features.

Фрикционный период работы при переводе стрелки стрелочным электроприводом длится до 5 сек. Направление движения контактируемых тел меняется на противоположное после каждого цикла перевода. Процесс фрикции начинается, практически, без смазки и заканчивается при ограниченной смазке. Процесс изнашивания в таких условиях работы теория трения относит к первой стадии изнашивания (Основы триботехники: учеб. пособие / Ю.М. Лужнов, В.Д. Александров; под ред. Ю.М. Лужнова. - М.: МАДИ, 2013. - 136 с., стр. 89). Известно, что продолжительность данной стадии составляет незначительную долю от времени работы фрикционной пары, но по величине износа эта стадия соизмерима с величиной износа в период установившегося износа. В этот период происходят процессы изменения геометрии поверхностей трения и физико-химических свойств фрикционного материала. На площадях контактирования возникают очень высокие давления и температуры и, как следствие, высокие градиенты напряжений и температур. При их действии, а также в результате взаимодействия с окружающей средой (воздухом, смазкой и т.д.) в зоне трущихся тел происходят значительные деформационные процессы, диффузионные процессы, меняются молекулярные взаимодействия, свободная поверхностная энергия и др., в десятки раз ускоряется протекание химических реакций, реализуются одновременно несколько механизмов разрушения поверхностного слоя. В таких жестких условиях эксплуатации фрикционный материал фрикционной муфты стрелочного перевода должен иметь структуру, которая способна работать практически без притирки контактных поверхностей с сохранением постоянным усилий переда стрелок. Это означает, что материал по всему объему должен иметь равномерно распределенные мягкие составляющие, так и твердые, по твердости превышающие твердость контртела, иметь различную структуру и размер зерен.The frictional period of operation when moving the arrow with an electric switch drive lasts up to 5 seconds. The direction of movement of the contacted bodies is reversed after each translation cycle. The friction process starts practically without lubrication and ends with limited lubrication. The process of wear in such working conditions the theory of friction refers to the first stage of wear (Fundamentals of tribotechnics: textbook / Yu.M. Luzhnov, V.D. Aleksandrov; edited by Yu.M. Luzhnov. - M .: MADI, 2013. - 136 p., P. 89). It is known that the duration of this stage is an insignificant fraction of the operating time of the friction pair, but in terms of the amount of wear, this stage is commensurate with the amount of wear during the period of steady wear. During this period, the processes of changing the geometry of the friction surfaces and the physicochemical properties of the friction material take place. Very high pressures and temperatures occur in the contact areas and, as a result, high stress and temperature gradients. During their action, as well as as a result of interaction with the environment (air, lubricant, etc.), significant deformation processes, diffusion processes occur in the zone of rubbing bodies, molecular interactions, free surface energy, etc. change, the flow is accelerated tens of times chemical reactions, several mechanisms of destruction of the surface layer are realized simultaneously. In such harsh operating conditions, the friction material of the friction clutch of the turnout switch must have a structure that is capable of operating practically without lapping the contact surfaces while maintaining constant forces in front of the switches. This means that the material throughout the volume should have uniformly distributed soft components, and hard ones, which in hardness exceed the hardness of the counterbody, have a different structure and grain size.

Причинно-следственные связи предлагаемого материала, его структуры и физических свойств с техническим результатом, снижении периода приработки и повышении стабильности коэффициента трения при изменении условий нагружения заключаются в разнородной структуре материала по фазовому составу и физико-механическим свойствам. В материале имеются твердые фазы зернистого и пластинчатого перлита, мягкие фазы феррита и меди, твердые включения оксида кремния, мягкие включения графита. Такая сложная структура позволяет сохранять стабильность фрикционных свойств, коэффициента трения в условиях постоянного прирабатывания трущихся тел. Материал имеет высокую твердость и относительно высокую плотность, что повышает его износостойкость. Пропитка маслом до 5% объема материала позволяет значительно уменьшить окислительные процессы в материале и в зоне контакта.Causal relationships of the proposed material, its structure and physical properties with the technical result, a decrease in the running-in period and an increase in the stability of the friction coefficient when changing loading conditions are in the heterogeneous structure of the material in terms of phase composition and physical and mechanical properties. The material contains hard phases of granular and lamellar pearlite, soft phases of ferrite and copper, hard inclusions of silicon oxide, soft inclusions of graphite. Such a complex structure allows maintaining the stability of the frictional properties, the coefficient of friction under conditions of constant running-in of rubbing bodies. The material has high hardness and relatively high density, which increases its wear resistance. Oil impregnation of up to 5% of the material volume can significantly reduce oxidative processes in the material and in the contact zone.

Предлагаемое сочетание ингредиентов позволили создать зернистую структуру с размером зерна 10-210 мкм, не менее 70% которых находится в пределах 25-75 мкм, состоящую из пластинчатого и зернистого перлита, имеющего межзеренную и внутизеренную пористость, с распределенными по границам зерен включениями графита, окиси кремния, сульфидов, меди, причем медь имеется и внутри зерен. Наличие открытой пористости 15-30% позволяет пропитывать материал маслом до 5% от объема материала. Данного количества масла достаточно для того, чтобы контактная поверхность оставалась покрытой тонким слоем масла при работе фрикционных элементов в составе фрикционной муфты стрелочного электропривода не менее 5 лет. Твердость по Бринеллю НВ НВ 350-450 МПа, плотность (5,00-5,25) г/см³, относительная осадка не менее 12% позволяют путем осадки крепить фрикционные элементы в фрикционном диске. Значительное снижение по твердости НВ сравнению с прототипом, позволило практически без притирки получать низкий разброс усилий при движении шибера по сравнению с прототипом, Таблица сравнение с прототипом (фиг. 6).The proposed combination of ingredients made it possible to create a granular structure with a grain size of 10-210 microns, at least 70% of which is in the range of 25-75 microns, consisting of lamellar and granular perlite having intergranular and intragrain porosity, with inclusions of graphite, oxide distributed along the grain boundaries silicon, sulfides, copper, and copper is also present inside the grains. The presence of an open porosity of 15-30% allows the material to be impregnated with oil up to 5% of the volume of the material. This amount of oil is sufficient for the contact surface to remain covered with a thin layer of oil during the operation of the friction elements as part of the friction clutch of the electric switch drive for at least 5 years. Brinell hardness HB HB 350-450 MPa, density (5.00-5.25) g / cm ³ , relative sediment not less than 12% allow the friction elements to be fixed in the friction disk by upsetting. A significant decrease in hardness HB in comparison with the prototype made it possible to obtain, practically without lapping, a low spread of efforts during the movement of the gate in comparison with the prototype, Table comparison with the prototype (Fig. 6).

Исследование основной структуры порошкового фрикционного композиционного материала, изготовленного по предлагаемому техническому решению, проводили в соответствии с ГОСТ 8233-56 «Сталь. Эталоны микроструктуры» и ГОСТ 5639-82 «Стали и сплавы. Методы выявления и определения величины зерна» на микрошлифе, приготовленном по стандартной методике, на поверхности образца, на электронном микроскопе МЕТАМ РВ-21-2. В качестве травителя для выявлении структуры образцов применяется стандартный реактив - 4% раствор азотной кислоты в этиловом спирте. Анализ размера зерна проводится при помощи программы ImageExpert Pro 3. Нетравленная поверхность шлифа представляет собой равномерно распределенные поры, включения меди и графита, неметаллические включения. После травления поверхности шлифа (в течение 1-2 секунд) микроструктура образца представляет собой зерна размером от 10 до 180 мкм.The study of the basic structure of the powder friction composite material manufactured according to the proposed technical solution was carried out in accordance with GOST 8233-56 “Steel. Microstructure standards "and GOST 5639-82" Steels and alloys. Methods for detecting and determining the grain size "on a microsection prepared according to the standard method, on the surface of the sample, on an electron microscope METAM PB-21-2. A standard reagent, a 4% solution of nitric acid in ethyl alcohol, is used as an etchant to identify the structure of the samples. The grain size analysis is carried out using the ImageExpert Pro 3 program. The non-etched surface of the section is represented by evenly distributed pores, inclusions of copper and graphite, and non-metallic inclusions. After etching the surface of the microsection (within 1-2 seconds), the microstructure of the sample is represented by grains ranging in size from 10 to 180 μm.

На фиг. 1 и 2 представлены копии титульного листа на технические условия и требования к материалу (для экспертизы). На фиг. 3 представлена структура материала при увеличении х100 до травления, на фиг. 4 представлена структура материала при увеличении х400 после травления, на фиг. 5 представлена структура материала при увеличении х630 после травления. На фиг. 3, 4, 5 показано: 1 - пластинчатый перлит, 2 - участок зернистого перлита, 3 - включения графита, 4 - поры, 5 - включения меди, 6 - сульфиды. Микроструктура материала, равномерное распределение включений графита (1), меди (2), пор (3), шлиф без травления, увеличение х100, таблица - сравнение с прототипом - фиг. 6.FIG. 1 and 2 provide copies of the title page for technical specifications and material requirements (for examination). FIG. 3 shows the structure of the material at a magnification of x100 before etching, FIG. 4 shows the structure of the material at a magnification of x400 after etching; FIG. 5 shows the structure of the material at 630 magnification after etching. FIG. 3, 4, 5 show: 1 - lamellar pearlite, 2 - area of granular pearlite, 3 - graphite inclusions, 4 - pores, 5 - copper inclusions, 6 - sulfides. Microstructure of the material, uniform distribution of inclusions of graphite (1), copper (2), pores (3), thin section without etching, magnification x100, table - comparison with the prototype - Fig. 6.

Механические испытания проводили на специальном стенде с электроприводом СП-6. Фрикционная муфта оснащалась фрикционными элементами, спеченными из порошков двух составов, один по варианту прототипа и второй по предлагаемому варианту. Максимальное усилие для перевода рабочего шибера и удержания шибера в рабочем положении при замыкании стрелочного привода кН (кгс), развиваемое электроприводом постоянного тока типа МСП-0,25 при номинальном напряжении 160 В, было не менее 6 кН (600 кгс), что соответствовало нормативной документации на стрелочный привод типа СП-6. Электродвигатель через соединительную муфту, редуктор, фрикционную муфту и зубчатое зацепление колеса и зубьев шибера передавал усилие на шибер. Шибер упирался в датчик силы. Измеряли, одновременно, силу тока при работе электродвигателя на фрикцию, при выдвинутом шибере, и усилие на датчике, которое создавал шибер в процессе фрикции.. Усилия нагружения фрикционной муфты проводили с помощью тарельчатых пружин. Тарельчатые пружины сжимали с помощь нагрузочной гайки. Нагрузку осуществляли ступенчато, после каждого испытания, увеличивая по одному шагу. По условию эксперимента один шаг нагрузочной гайки создавал усилие на шибере не более 1 кН (100 кгс). С каждым шагом общая нагрузка сжатия фрикционных дисков увеличивалась. Процесс фрикции проводили в течение 10 сек, фиксировали усилие на шибере в зависимости от шага нагружения, фиксировали минимальные и максимальные значения силы, определяли разброс значений силы от среднего значения.Mechanical tests were carried out on a special stand with an SP-6 electric drive. The friction clutch was equipped with friction elements sintered from powders of two compositions, one according to the variant of the prototype and the second according to the proposed variant. The maximum force for moving the working gate and holding the gate in the working position when the switch drive is closed kN (kgf), developed by a DC electric drive of the MSP-0.25 type at a rated voltage of 160 V, was not less than 6 kN (600 kgf), which corresponded to the standard documentation for switch drive type SP-6. The electric motor through the coupling, the gearbox, the friction clutch and the gearing of the wheel and the teeth of the gate transmitted the force to the gate. The gate rested against the force sensor. Measured, at the same time, the current strength during the operation of the electric motor for friction, with the gate extended, and the force on the sensor, which was created by the gate in the process of friction .. The forces of loading the friction clutch were carried out using Belleville springs. The Belleville springs were compressed using a load nut. The load was carried out stepwise, after each test, increasing one step at a time. According to the conditions of the experiment, one step of the loading nut created a force on the gate of no more than 1 kN (100 kgf). With each step, the total compression load of the friction discs increased. The friction process was carried out for 10 seconds, the force on the gate was recorded depending on the loading step, the minimum and maximum values of the force were recorded, and the spread of the force values from the average value was determined.

Положительный эффект на износостойкость и стабильность коэффициента трения оказывает различная зернистость основы с размером зерна порядка 10-210 мкм. Участки цементита дополнительно упрочняют матрицу, повышая общую износостойкость материала. Медные включения в железной основе и по границам зерен повышают теплопроводность материала. Выходя на поверхность трения по мере износа материала, медь обеспечивает схватывание со сталью неподвижного диска, повышая общий коэффициент трения за счет адгезионной составляющей. Фрикционный наполнитель, оксид кремния, выходя на поверхность фрикционного материала в процессе трения, обеспечивает повышение коэффициента трения за счет деформационной составляющей. При этом, будучи достаточно мелкими (средний диаметр зерен 10-15 мкм), частицы фрикционного наполнителя упрочняют матрицу фрикционного материала, повышая износостойкость. Также в состав матрицы фрикционного материала входит свободный графит. Выходя из пор материала в процессе трения, графит создает в зоне трения защитную пленку, препятствующую чрезмерному износу контртела, кроме того, пленка вносит дополнительный вклад в стабилизацию коэффициента трения, снижает износ контртела. Материал пропитан маслом, которое препятствует проникновению влаги в поры сплава, стабилизируя работу фрикционного элемента в различных климатических условиях.A positive effect on the wear resistance and stability of the coefficient of friction has a different grain size of the base with a grain size of the order of 10-210 microns. Sections of cementite additionally strengthen the matrix, increasing the overall wear resistance of the material. Copper inclusions in the iron base and along the grain boundaries increase the thermal conductivity of the material. Coming to the friction surface as the material wears out, copper provides adhesion to the steel of the stationary disk, increasing the overall coefficient of friction due to the adhesive component. The friction filler, silicon oxide, emerging on the surface of the friction material during friction, provides an increase in the coefficient of friction due to the deformation component. At the same time, being small enough (average grain diameter 10-15 microns), the particles of the friction filler strengthen the matrix of the friction material, increasing the wear resistance. Free graphite is also part of the friction material matrix. Leaving the pores of the material in the process of friction, graphite creates a protective film in the friction zone that prevents excessive wear of the counterbody, in addition, the film makes an additional contribution to the stabilization of the coefficient of friction, reduces wear of the counterbody. The material is impregnated with oil, which prevents moisture from penetrating into the pores of the alloy, stabilizing the operation of the friction element in various climatic conditions.

Стабильность коэффициента трения оценивали по проценту разброса значений усилий при фрикции муфты. Из представленных значений на фиг. 6 (Таблица) видно, что усилия на шибере от усилия нагружения муфты (чем больше значение шага, тем больше сжатие тарельчатых пружин и сжатие фрикционных дисков муфты) возрастают. Однако разброс значений усилий при сжатии пружины показывает, что предлагаемый материал более стабилен, чем материал прототипа. Проведенные испытания на износостойкость показали, что фрикционные элементы из предлагаемого материала работают без предварительной притирки по сравнению с прототипом, которые требуют притирки фрикционных дисков для получения стабильных результатов по передаче крутящих моментов, и позволяет значительно сократить работу по установке фрикционных муфт.The stability of the coefficient of friction was assessed by the percentage of spread in the values of the forces during friction of the clutch. From the values shown in FIG. 6 (Table), it can be seen that the forces on the gate from the load force of the clutch (the larger the step value, the more the compression of the Belleville springs and the compression of the clutch friction discs) increase. However, the spread in the values of the forces during compression of the spring shows that the proposed material is more stable than the material of the prototype. The tests for wear resistance showed that the friction elements made of the proposed material work without preliminary lapping in comparison with the prototype, which require lapping of the friction discs to obtain stable results on the transmission of torque, and can significantly reduce the work of installing the friction clutches.

Подготовлена опытная партия фрикционных элементов для установки в фрикционные муфты для проведения производственных испытаний на различных железных дорогах РФ.A pilot batch of friction elements has been prepared for installation in friction clutches for production tests on various railways of the Russian Federation.

Claims

Composite sintered material based on iron for a friction clutch of a switch actuator, having open porosity, impregnated with oil and containing silicon oxide, graphite, copper, barite and iron, characterized in that it additionally contains zinc stearic acid in the following ratio, wt%:

silicon oxide 2-5 graphite 2-5 copper 8-13 barite 0.5-1.5 zinc stearic acid 0.1-0.5 iron rest

has an open porosity of 25-30%, an HB Brinell hardness of 350-450 MPa, a density of 5.00-5.25 g / cm ³ , a relative slump of at least 12% and an oil absorption capacity of 2-5% of the material volume, while the iron matrix has a coarse-grained structure with a grain size of 10-210 microns, at least 70% of which have a size of 25-75 microns, consists of lamellar pearlite with inclusions of up to 20% granular pearlite, has intergranular and intragranular porosity, and graphite inclusions are distributed along the grain boundaries, silicon oxide, sulfides and copper, which is also distributed within the grains.