Создание аустенитного чугуна с заданным уровнем механических и эксплуатационных свойств для повышения ресурса фрикционных пар сухого трения

Актуальность темы

Одним из возможных путей повышения эффективности работы машин и снижения эксплуатационных затрат является увеличение ресурса быстроизнашивающихся деталей пар трения. К числу таких узлов можно отнести фрикционные пары автомобильного и железнодорожного транспорта, подъёмно-транспортных машин (ПТМ) и механизмов, обеспечивающие передачу тормозного или крутящего момента.

В частности, для изготовления металлических тормозных колодок локомотивов используется серый фосфористый чугун по ГОСТ 30 249–97. По сведениям ДЭПО юго-восточной железной дороги известно, что колодки из фосфористого чугуна характеризуются невысоким ресурсом. К примеру, отмечено, что на двойном плече Москва-Минск колодки изнашиваются до предельного размера и подвергаются замене, при этом в результате износа истирается 160 кг серого чугуна, применительно к одному вагону (пассажирский состав). Учитывая масштабы отрасли, можно утверждать, что убытки, вызванные малым ресурсом колодок, и простоями по их замене приводят к существенному повышению эксплуатационных расходов. Кроме того, колодки из фосфористого чугуна вызывают повышенный износ и повреждение сопряженного с ними колеса, что, по мнению ряда исследователей, обусловлено воздействием фосфидной эвтектики и цементита, которые по мере истирания перлита оказываются в зоне фрикционного контакта.

Подобная ситуация наблюдается при эксплуатации тормозных пар (ПТМ), где металлический тормозной шкив транспортной тележки взаимодействует с фрикционной накладкой. По данным лесозаготовительных предприятий было установлено, что при интенсивной сезонной эксплуатации козловых кранов замена шкивов производиться через 50.70 рабочих смен. Низкий ресурс шкивов вызывает необходимость их ремонта или замены, что приводит к увеличению эксплуатационных расходов. Для изготовления шкивов используют стали 35JI, 40Х, 55Л, 30XHJIM по ГОСТ 977–88, с твердостью рабочей поверхности 35.45HRCреже — чугуны не ниже марки СЧ 28−48 по ГОСТ 1412–85.

Как показывает практика, существует объективная необходимость совершенствования состава и свойств конструкционных материалов, в особенности тех, у которых структура является основным фактором, обеспечивающим эффективность и долговечность работы сопряженных деталей, в частности металлических деталей фрикционных пар сухого трения.

Вопросами исследования структуры и свойств чугунов и сталей при различных условиях трения посвящено множество научных работ. В некоторых трудах отмечалось, что сплавы аустенитного класса обладают ценными качествами в условиях ударного, абразивного н других видов изнашивания, в частности, способностью самоупрочняться в процессе работы от действия внешних нагрузок. Это подтверждено практическим применением аустенитиых сталей для рабочих органов горнообогательного оборудования, крестовин железнодорожных рельс, траков гусеничных тракторов и.т.п.

В результате литературного обзора, анализа экспертных оценок, изучения режимов и условий эксплуатации фрикционных пар сухого трения было установлено, что целесообразным является исследование свойств аустенитного чугуна применительно к тормозным парам железнодорожного транспорта и ПТМ.

Немаловажным является вопрос выбора технологии получения чугуна необходимого качества на производственной базе литейного предприятия. Известно, что физико-механические свойства сплава определяют входные факторов, из которых основными являются: шихтовый материал, плавильный агрегат, способ модифицирования жидкого металла, способ разливки в литейные формы и последующего упрочнения заготовок. Эти условия формируют выходные параметры материала в том числе, механические и эксплуатационные характеристики.

В этой связи, необходимо изучить и разработать практические рекомендации по организации производства чугунов с заданными физико-механическими свойствами на имеющемся технологическом оборудовании конкретного предприятия.

Настоящая работа посвящена созданию износостойкого аустенитного чугуна и исследованию его работоспособности в литом и термообработанном (закаленном) состояниях в условиях сухого трения для повышения ресурса тормозных колодок железнодорожного транспорта и тормозных шкивов ПТМ машнн.

Диссертационная работа выполнена в рамках НИР Воронежской государственной лесотехнической академии (ВГЛТА) по научному направлению кафедры производства, ремонта и эксплуатации машин «Совершенствование материалов, технологий производства, ремонта и эксплуатации машин (2006. 2010 гг.)».

Цель работы — повышение ресурса тормозных шкивом подъёмно-транспортных машин и тормозных колодок железнодорожного транспорта путем создания износостойкого чугуна и исследование его работоспособности в условиях сухого трения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи;

— провести анализ существующих материалов, традиционно применяемых для металлических деталей фрикционных пар сухого трения, а также технологических методов и приемов, способствующих повышению износостойкости тормозных шкивов ПТМ и тормозных колодок железнодорожного транспорта, оценить их преимущества и недостатки;

— разработать программный комплекс, позволяющий оптимизировать набор технологических методов и приемов, обеспечивающих получение заданного уровня механических и эксплуатационных свойств конструкционного чугуна, учитывая производственные возможности (сырьё, оснащение) предприятия, а также стоимость технологии;

— разработать химический состав и технологию получения аустенитного чугуна, исследовать влияние термической обработки на состояние его структуры и свойства при сухом трении;

— провести испытания на износ при сухом трении аустенитного чугуна в литом и термообработанном состоянии в сравнении с фосфористым чугуном и СЧ 28−48, сталью 40Х применяемыми, соответственно, для тормозных колодок железнодорожного транспорта и тормозных шкивов подъем по-транспортных машин;

— осуществить металлографические, рентгеноструктурные и электронномикроскопические исследования аустенитного чугуна в целях объяснения механизма его упрочнения и изнашивания при сухом трении;

— определить математические зависимости, устанавливающие связь между эксплуатационными, структурными параметрами марганцовистого чугуна и нагрузочно-скоростиыми факторами.

Объект и методы исследования.

Объектом исследований является аустентггный чугун предложенного химического и структурного состава, работающий в условиях сухого трения, применительно к тормозным шкивам подъемно-транспортных машин и тормозным колодкам локомотива. Для достижения поставленной цели использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. При изучении структуры материалов применяли металлографический, рентгеноструктурный и электронномикроскопический способы. Теоретические исследования выполнены с использованием методов математического планирования эксперимента. Экспериментальная проверка основных теоретических положений проводилась на модельных образцах с применением лабораторных машин, а также на натурных образцах в условиях эксплуатации. Обработка результатов осуществлялась методами математической статистики при компьютерной поддержке.

Научные положения, выносимые на защиту:

— результаты исследования влияния марганца на структуру и свойства аустенитного чугуна при сухом трении;

— результаты исследования влияния термической обработки на структуру и свойства аустенитного марганцовистого чугуна при сухом трении;

— программный комплекс, обеспечивающий совершенствование подхода при выборе технологии получения требуемых свойств конструкционного чугуна с учетом имеющегося на предприятии сырья и оборудования;

— результаты исследования работоспособности аустенитного марганцовистого чугуна в литом и закаленном состоянии в условиях сухого трения применительно к фрикционным парам тормозов подъёмно-транспортных машин и железнодорожного транспортаI.

— аналитические зависимости, устанавливающие связь между структурными t параметрами аустенитного чугуна и нагрузочно-скоростными режимами его эксплуатации, а также неявные зависимости, определяющие взаимосвязь параметров между собойi.

— результаты эксплуатационных испытаний и технико-экономическое I I обоснование целесообразности применения в качестве материала для' тормозных шкивов ПТМ и тормозных колодок железнодорожного траспорта износостойкого аустенитного марганцовистого чугуна.

Научная новизна. J.

1 Разработан износостойкий аустенитный чугун нового химического состава, позволяющий существенно повысить ресурс тормозных шкивов подъемно-транспортных машин и тормозных колодок железнодорожного транспорта.

2 Экспериментально изучено влияние закалки с различным временем I выдержки при закалочной температуре на структуру и свойства аустенитного марганцовистого чугуна. Установлено, что закалка способствует аустенизации I марганцовистого чугуна, измельчению его структурных составляющих и их более равномерному распределению в основе, при этом износостойкость чугун (при сухом трении возрастает. J",.

3 Экспериментально установлено, что аустенитный чугун предложенного химического состава превосходит по износостойкости фосфористый ' перлитный чугун и сталь 40Х в 2,5 и 1,8 раза, соответственно. Износостойкость аустенитного чугуна, полученного закалкой, была несколько меньше литого состояния, но при этом он в 1,8. 2 раза меньше, чем фосфористый перлитный чугун! изнашивал сопряженную с ним поверхность контртела.

4 Предложена математическая модель, устанавливающая связь между Нагрузочно-скоростными режимами, параметрами структуры аустенитного чугуна и его эксплуатационными свойствами при работе в условиях сухого трения. h.

Разработан алгоритм обработки базы данных, позволяющий выбрать наиболее i ! рациональный набор технологических приемов, обеспечивающих получение заданного уровня эксплуатационных свойств чугуна., S.

Практическая ценность состоит в разработке износостойкого чугуна, I применение которого позволяет существенно повысить ресурс тормозных шкивов ПТМ и колодок железнодорожного транспорта. По итогам сравнительных эксплуатационных испытаний тормозных шкивов, аустенитный марганцовистый чугун был принят к использованию на ОАО «Воронежавтодор» г.' Воронеж.

Разработанный программный комплекс по результатам успешной апробации был.

11 внедрен в технологический процессе литейного предприятия ООО ПКФ «Флатер» г. Воронеж.

Результаты исследований были адаптированы и внедрены в учебный процесс ВГЛТА для студентов специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство», а также могут быть рекомендованы научным работникам, технологам и аспирантам, занимающимся совершенствованием свойств конструкционных материалов.

Достоверность научных положений обеспечена корректной постановкой задач исследования, обоснованным объёмом экспериментального Материала, позитивными результатами лабораторных и эксплуатационных испытаний. Достоверность результатов работы подтверждается отсутствием противоречий с данными других исследователей. Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной лесотехнической академии (2005 — 2008 гг.), II международной научно-практической конференции 1 «Студент, I специалист, профессионал ССП — 07» (Москва, 2007), Всероссийской научно-технической конференции «Приоритетные направления развития науки и технологий» (Тула, 2007) — Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития лесного комплекса» (Вологда, 2007).

Личное участие автора состоит в проведении экспериментов по1 изучению I влияния марганца на структуру и свойства аустенитного чугунаисследовании влияния термической обработки на фазовый состав и определении оптимальных i режимов закалки, позволяющих получить заданные свойства аустенитного чугунаразработке алгоритма программы, обеспечивающей совершенствование подхода при выборе технологических методов и приемов, способствующих получению заданных свойств чугунаполучении экспериментальных зависимостейпроведении эксплуатационных испытанийформулировки выводов. Публикации.

Основное содержание диссертации изложено в 12 печатных работах, в том числе в 8 статьях, 2 из которых — в издании, рекомендованном ВАК России, двух патентах на изобретение, двух свидетельствах о регистрации программы. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов по работе, списка использованных источников и приложений. Общий.

Выводы.

1 В условиях сухого трения в паре «чугун-сталь» наибольшей износостойкость обладает аустенитный марганцовистый чугун со структурой в состоянии отливки. Его весовой износ был в 2,0.2,5 раза меньше, чем у перлитного чугуна СЧФ. Наименьшее изнашивание экспериментального чугуна наблюдается в диапазоне низких и средних удельных давлений до 1,5 МПа. Однако при выборе оптимальных режимов работы пары трения необходимо учитывать совместное влияние скорости скольжения и удельного давления, так как оба фактора вызывают появление и развитие третьего — фрикционного нагрева.

2 Влияние температуры на изнашивание пары трения имеет неоднозначный характер. Незначительный фрикционный нагрев, до температуры 150 °C, стимулирует образование окисной пленки, облегчает деформационное упрочнение аустенита, при снятии нагрузки объемная температура интенсифицирующая диффузионные процессы, частично снижает напряжения, накопленные в поверхностном слое в процессе трения. С другой стороны, рост температуры приводит к размягчению поверхности трения, т. е. к снижению металлической связи и, как следствие, более легкому отделению частиц металла друг от друга — износу.

3 Наблюдения за изменением коэффициента трения в процессе изнашивания при варьировании удельным давлением и скоростью скольжения показали, что рост скорости скольжения вызывает снижение коэффициента трения, на всем интервале, в то время как удельное давление приводит к его снижению только до некоторого значения, после которого наблюдается его рост. В общем случае, коэффициент трения в паре с аустенитным чугуном был несколько выше, чем с перлитным, его изменения носили стабильный характер. Основной причиной, вызывающей интенсивный рост коэффициента трения при высоких удельных давлениях, является разрушение окисной пленки от действия давления и температуры, размягчающей основу. При этом возникают очаги схватывания, которые приводят к росту силы трения.

4 Высокая, в сравнении с эталонными материалами, износостойкость экспериментальных чугунов объясняется их гетерогенной структурой.

Метастабильный аустенит чугуна ИЧл в процессе трения упрочняется не столько за счет механического наклепа, сколько от фазового превращения аустенита в мартенсит деформации, прочность и износостойкость которого выше, чем мартенсита закалки.

5 Эксплуатационные испытания тормозных шкивов транспортной тележки козлового крана ККС-10 дали качественное подтверждение результатов исследований, проведенных в лабораторных условиях, и показали, что тормозные шкивы, изготовленные из экспериментального марганцовистого чугуна как в литом так закаленном состоянии, обладают сравнительно высокой износостойкостью по отношению к традиционно используемых для таких деталей стали 40Х и СЧ28−48. В результате эксплуатационных испытаний тормозных колодок локомотива было установлено, что износостойкость ИАЧл и ИАЧз была соответственно в 2,4 и 2,1 раза выше, чем фосфористого чугуна СЧФ, что является весомым основанием для расчета технико-экономической целесообразности внедрения аустенитного чугуна.

6 Получены результаты расчета экономической эффективности от применения экспериментального аустенитного марганцовистого чугуна взамен конструкционных сталей и серого перлитного чугуна. Годовой экономический эффект от применения ИЧл при условной годовой программе 1000 шкивов* составил:

— по отношению к стали 40Х — 174 254 рубля;

— по отношению к СЧ28−48 — 23 354 рубля.

Экономический эффект от применения аустенитного чугуна для тормозных колодок ж.-д. транспорта взамен фосфористого перлитного составил для ИАЧ 310 136 руб., для ИАЧз — 95 770 руб. при условной годовой программе 1000 колодок.

1 Изучено влияние содержания марганца на фазовый состав и заданные свойства аустенитного чугуна и установлено, что содержание марганца 9,5. 10,5% в чугуне обеспечивает формирование структурного состава, отличающегося наибольшей износостойкостью при сухом трении;

2 Исследовано влияние термической обработки (закалки), с различным временем выдержки при закалочной температуре, на структуру и свойства марганцовистого чугуна. Было установлено, что закалка приводит к практически полной его аустенизации (80.95%) и как следствие, существенному снижению твердости до 160. 170 НВ. Увеличение времени выдержки вызывало измельчение карбидных и графитных составляющих, их более равномерное распределение в металлической матрице. Выдержка образцов в течение 2 часов при температуре закалки наиболее благоприятно влияет на соотношение фазового состава, размер, форму и распределение карбидных и графитных включений, что вызывает повышение его износостойкости при сухом трении.

3 Разработан программный комплекс, обеспечивающий совершенствование традиционного подхода при создании чугунов с заданным набором физико-механических свойств. Производственные испытания программы показали, что она эффективно работает в рамках первоначально заложенных данных, в связи с чем, была внедрена в технологический процесс литейного предприятия.

4 По итогам сравнительных лабораторных испытаний на износ установлено, что износостойкость марганцовистого чугуна как в литом так и закаленном состоянии превосходила серый фосфористый чугун в среднем 2,2. 2,5 раза. По износостойкости закаленный аустенитный чугун несколько уступал литому, но при этом в 1,8. 2 раза меньше изнашивал сопряженный с ним стальной ролик. Данный факт является особо значимым, так как проблема повышения ресурса металлоемкого дорогостоящего ж.-д. колеса, по-прежнему, остается одной из приоритетных задач научных исследований. В связи с чем, рекомендуем проведение дополнительных стендовых и эксплуатационных испытаний закаленного марганцовистого чугуна применительно к тормозной паре колодка — железнодорожное колесо. В паре с фрикционным материалом износ аустенитного чугуна был в 2 и 1,8 раза меньше, чем сталь 40Х и СЧ 28−48, соответственно.

5 Установлено, что высокая износостойкость марганцовистого чугуна в литом состоянии объясняется его более совершенной структурой, состоящей из метастабильного аустенита, упрочненного мелкодисперсными карбидами, равномерно распределенными в металлической матрице. В процессе трения поверхность образцов упрочнялась от наклепа аустенита и превращения его в мартенсит деформации.

6 Получены уравнения регрессии, определяющие связь между физико-механическими параметрами марганцовистого чугуна и нагрузочно-скоростными факторами (удельным давлением, скоростью скольжения). Установлены области наиболее благоприятного сочетания нагрузочных режимов эксплуатации деталей из аустенитного чугуна при сухом трении, соответствующие режимам работы тормозных шкивов ПТМ.

7 Эксплуатационные испытания качественно подтвердили результаты лабораторных исследований. При этом экономический эффект от использования марганцовистого чугуна (после литья) для тормозных шкивов ПТМ взамен стали 40Х составил 174 254 руб. при условной годовой программе 1000 шкивов. Предполагаемый экономический эффект от использования марганцовистого чугуна в закаленном состоянии для тормозных колодок локомотива, взамен серого фосфористого чугуна, составил 95 770 руб. на 1000 колодок. I I i I.