CC BY
3 Д. И. Станчев,
доктор технических наук, профессор Д. И. Попов, инженер В. В. Шабанов, инженер
износостойкий аустенитный марганцовистый чугун
в УСЛОВИЯХ СУХОГО ТРЕНИЯ ПРИМЕНИТЕЛЬНО К ТОРМОЗАМ
ПОДЪЕМНО-ТРАНСПОРТНЫХ И ЛЕСОВОЗНЫХ МАШИН
Основной объем деловой древесины, поставляемой на внутренние рынки и за рубеж, осуществляется железнодорожным (ж.-д.) транспортом грузового класса. На лесозаготовительных предприятиях используются различные виды подъемно-транспортных (ПТМ) и лесовозных машин, осуществляющие перегрузку и транспортировку древесины. Как на ж.-д. транспорте, так и на ПТМ применяются тормозные устройства колодочного типа.
Широко распространенным материалом для тормозных колодок ж.-д. транспорта и шкивов подъемно-транспортных машин остается серый перлитный чугун. Известно, что серые чугуны, в сравнении с неметаллическими фрикционными материалами, обладают сравнительно высокой износостойкостью и теплопроводностью, малой чувствительностью к наличию в контакте воды и масла, отсутствием дымности и залипанием колодки при фрикционном нагреве. Наличие в чугуне графита обеспечивает низкий износ и повреждаемость контртела, работающего с ним в паре (ж.-д. колесо).
Однако непрерывный рост потребления черных металлов и, как следствие, значительное повышение их стоимости, вызывает необходимость совершенствования физико-механических свойств чугунов, которые, как известно, определяются химическим составом сплава и набором технологических приемов его получения и последующей обработки. Улучшение таких свойств материала как износостойкость, прочность, коррозионная стойкость, позволит существенно повысить ресурс быстроизнашивающихся деталей машин, работающих при сухом трении.
Известно, что некоторые аустенитные чугуны и стали отличаются способностью самоупрочняться в процессе трения при взаимодействии с контртелом [1]. По результатам многочисленных исследований [2] установлена высокая износостойкость аустенитных чугунов в условиях трения о свободный и закрепленный абразив, а также при трении со смазочным материалом, загрязненным абразивом. В то же время практически отсутствуют данные об изнашивании такого материала в условиях сухого трения, при значительном фрикционном нагреве применительно к тормозным парам. Притом, что метастабильная гетерогенная структура аустенитного марганцовистого чугуна в наибольшей мере отвечает принципам формирования «третьего тела» при отсутствии на поверхности трения смазочного материала [3]. Кроме того, аустенит является жаропрочной металлической фазой, способной выдерживать рабочие нагрузки при температурах до 1000 °С.
На основании вышеизложенных предпосылок был разработан оптимальный химический состав аустенитного чугуна, на который получен патент от 27.12.07, № 2313609.
Особенно важным, является вопрос получения сплава с необходимым химическим составом и свойствами на конкретном литейном предприятии, используя его технологические возможности и сырье (шихта), так как, большинство подобных предприятий используют в качестве сырья до 70 % металлического лома, сортированного по химического составу. Кроме того, в едином технологическом процессе, наряду с современными, применяются устаревшие методы, технологические приемы и оборудование, что представляет определенные сложности при выборе оптимальной технологии для получения нового сплава. Для решения такой задачи нами были разработаны алгоритмы обработки базы данных, по которым написана программа, позволяющая получать материал с необходимыми свойствами, путем оптимизации технологических возможностей отдельно взятого предприятия или цеха, а также прогнозировать выходные эксплуатационные параметры от применения комбинации технологических приемов [4]. Это позволяет существенно сэкономить время и затраты, связанные с отработкой технологии и возможным браком. Программный комплекс для оптимизации и прогнозирования технологического процесса производства отливок из чугуна зарегистрирован в Едином государственном реестре программ для ЭВМ от 09.01.08, № 2008610110.
По итогам проведенных испытаний данного программного комплекса при решении конкретных технологических задач на литейном предприятии ПКФ «Флатер», программа была принята к использованию в произ-
водственном процессе данного предприятия и рекомендована к применению для литейных цехов машиностроительных и авторемонтных заводов.
Используя возможности программного комплекса, была определена оптимальная технология получения износостойкого аустенитного чугуна на литейном предприятии ПКФ «Флатер», по которой производилась его выплавка.
На следующем этапе нами были проведены испытания на износ экспериментального чугуна в сравнении с перлитным. Испытания проводились на машине трения СМЦ-2 по известной схеме «колодка - ролик». В данном случае, ролик имитировал работу ж.-д. колеса, изготавливался из стали 45Г2 и упрочнялся поверхностной закалкой ТВЧ, а колодка вытачивалась из экспериментального аустенитного (ИЧл - литое состояние, ИЧз - закаленное) и серого феррито-перлитного (СЧ20) и перлитного (СЧ30) чугунов.
Результаты испытаний, представленные на рис. 1, показывают, что с ростом удельного давления износ чугунов возрастал. Износостойкость ИЧл была самая высокая, его весовой износ был в 2,3 ... 3,7 раза меньше, чем перлитного чугуна и на 25.43 % меньше, чем ИЧз.
Параллельными определениями износа ролика было отмечено, что наименьший износ имели ролики, работавшие в паре с колодками из ИЧз, что обусловлено его меньшей твердостью по отношению к другим чугунам, так как металлическая основа аустенитного чугуна после закалки на 90 % состояла из аустенита, который, как известно, более пластичен и мягок. Основа же ИЧл состояла преимущественно из аустенитомартенситной смеси, около 50.60 % и свободного аустенита. Благодаря относительно высокой пластичности и вязкости такого чугуна, приработка происходила быстрее, при этом коэффициент трения в паре с аустенитным чугуном был немного выше, чем с серым (рис. 2) .
{ SHAPE \* MERGEFORMAT }{ SHAPE \* MERGEFORMAT }
Рис. 1. Износ колодки из различных чугунов в зависимости от удельных давлений
{ SHAPE \* MERGEFORMAT }
Рис. 2. Зависимость коэффициента трения в паре с различными чугунами от удельного давления
Результаты однофакторного эксперимента подтвердили предпосылки высоких износостойких свойств аустенитного чугуна при сухом трении.
При этом было установлено, что основными факторами, влияющими на эксплуатационные показатели, являются удельное давление и скорость скольжения. В связи с чем на основании теории планирования эксперимента [5] нами был проведен двухфакторный эксперимент, позволивший установить степень влияния удельных давлений и скоростей скольжения на эксплуатационные и физико-механические параметры аустенитного чугуна. Также были получены экспериментальные поверхности и математические зависимости (1-5), описывающие процесс изнашивания, и определены области благоприятного факторного пространства, позволяющие установить оптимальные режимы эксплуатации деталей из экспериментального аустенитного чугуна (рис. 3).
Особенностью марганцовистого чугуна с метастабильной аустенитной структурой является способность самоупрочняться не только от механического наклепа, но и от фазового превращения метастабильного аустенита в износостойкий мартенсит деформации. Поэтому представляло интерес исследование процессов, протекающих в кристаллической структуре металла при изнашивании. Для этих целей нами осуществлялись рентгеновские наблюдения за изменением фазового состава, микронапряжениями ІІ рода и блочностью микроструктуры экспериментального чугуна. На основании полученных данных была построена область благоприятного факторного пространства (рис. 4), показывающая оптимальные диапазоны изменения микронапряжений и фазового состава материла, при которых наблюдается наименьший износ и наиболее высокий коэффициент трения.
где р - удельное давление, кг/см2; v - скорость скольжения, м/с; I - износ, мг; ктр - коэффициент трения; Ημ - микротвердость, МПа; Ja /J - отношение интенсивностей фаз (мартенсита к аустениту); Е - микронапряжения второго рода.
Совместный учет конфигурации благоприятных областей в факторных пространствах I(v, р) и ктр(у, р) позволил сделать вывод, что оптимальные значения параметров v и р заключены в области сложной формы, изобра-
{ EMBED Equation.3 } { EMBED Equation.3 } { EMBED Equation.3 } { EMBED Equation.3 } { EMBED Equation.3 }
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
женной на рис. 3. Оптимальные диапазоны факторов составляют 0 м/с < v
< 0,8 м/с; 0 кг/см2 < p < 17 кг/см2.
{ EMBED Word.Picture.8 }
Рис. 3. Благоприятные области факторного пространства (заштрихованы) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня
Тот факт, что оптимальная область занимает значительную площадь факторного пространства, является важным положительным качеством предлагаемого материала. С одной стороны, это оставляет конструктору широкую свободу выбора параметров v и p. С другой стороны, это обстоятельство свидетельствует о малой чувствительности материала к условиям эксплуатации и поэтому гарантирует стабильную работу фрикционного материала при эксплуатации.
Совместный учет конфигурации благоприятных областей в факторных пространствах I(E, Jtt /J) и ктр(Е, Jtt /J) позволил сделать вывод, что оптимальные значения параметров Е и Jtt /J заключены в области приблизительно треугольной формы (рис. 4). Оптимальные диапазоны факторов составляют 0,75 < Е < 1,8; 0,1 кг/см2 < Jtt /J < 1,2 кг/см2.
{ EMBED Word.Picture.8 }
Рис. 4. Благоприятные области факторного пространства (заштрихованы) на поверхностях отклика, представленных линиями уровня
Как и в предыдущем случае, благоприятная область занимает значительную площадь факторного пространства, что свидетельствует о малой чувствительности эксплуатационных параметров к структуре материала в оптимальной области и гарантирует стабильную работу тормозных колодок, изготовленных из такого материала.
Основываясь на результатах эксперимента, можно утверждать, что высокие физико-механические свойства аустенитного чугуна при работе в условиях сухого трения позволяют рекомендовать его к использованию для металлических деталей тормозных пар (колодки ж.-д. транспорта, шкивы подъемно транспортных машин, тормозные барабаны).
Библиографический список
1. Арзамасов, Б. Н. Материаловедение [Текст]: учеб. для вузов / Б. Н. Арзама-сов, В. И. Макарова, Г. Г. Мухин и др.; под общ. ред. Б. Н. Арзамасова, Г. Г. Мухина. - 5-е изд., стер. - М.: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2003. - 648 с.
2. Станчев, Д. И. Конструкционные материалы для лесных машин [Текст] / Д. И. Станчев. - Воронеж: ВГУ, 1982. - 172 с.
3. Костецкий, Б. И. Сопротивление изнашиванию деталей машин [Текст] / Б. И. Костецкий. - Киев: Машгиз, 1979. - 355 с.
4. Станчев, Д. И. Аналитическая база данных при разработке и обосновании производства деталей машин [Текст] / Д. И. Станчев, Д. А. Попов, Е. А. Спирин // Приоритетные направления развития науки и технологий: доклады Всеросс. науч.-техн. конференции. - Тула, 2007. - С. 164-166.
5. Адлер, Ю. П. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий [Текст] / Ю. П. Адлер, Е. В. Маркова, Ю. В. Грановский. - М.: Наука, 1976. -279 с.
В статье представлены результаты испытаний на износ аустенитного марганцовистого чугуна в условиях сухого трения применительно к тормозным узлам железнодорожного транспорта, подъемно-транспортных и лесовозных машин.
* * *
The papers describes the test results of an austenitic manganese iron deterioration conditions of dry rubbing friction, when used for brake units construction of railway transport, handing and forest machines.
Файл: станчев
Каталог: C:\Documents and Settings\User\MoH документы\выпуски\185\ворды-185
Шаблон: C:\Documents and Settings\user.LAUTNER\Application
Data\Microsoft\Шаблоны\Normal.dot Заголовок: Х
Содержание:
Автор: Лена
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 02.11.2010 9:55:00
Число сохранений: 2
Дата сохранения: 02.11.2010 9:55:00
Сохранил: user
Полное время правки: 3 мин.
Дата печати: 02.11.2010 12:09:00
При последней печати
страниц: 6
слов: 1 735 (прибл.)
знаков: 9 892 (прибл.)
