автореферат диссертации по металлургии, 05.16.01, диссертация на тему:Создание аустенитного чугуна с заданным уровнем механических и эксплуатационных свойств для повышения ресурса фрикционных пар сухого трения

ии34Б2146

ПОПОВ Дмитрий Анатольевич

СОЗДАНИЕ АУСТЕНИТНОГО ЧУГУНА С ЗАДАННЫМ УРОВНЕМ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ФРИКЦИОННЫХ ПАР СУХОГО ТРЕНИЯ

05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

] 2 013 2::з

Курск - 2009

003462146

( у'''

/

ПОПОВ Дмитрий Анатольевич

/

СОЗДАНИЕ АУСТЕНИТНОГО ЧУГУНА С ЗАДАННЫМ УРОВНЕМ МЕХАНИЧЕСКИХ И ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ РЕСУРСА ФРИКЦИОННЫХ ПАР СУХОГО ТРЕНИЯ

05Л 6.01 - Металловедение и термическая обработка металлов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Курск-2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Воронежская государственная лесотехническая академия» на кафедре «Производство, ремонт и эксплуатация машин».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Станчев Дмитрий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Осинцев Александр Николаевич

кандидат технических наук, доцент Тригуб Владимир Борисович

Ведущая организация: ООО «Автобан-Липсцк» г. Липецк.

Зашита состоится «11» марта 2009 г. в 1300 часов па заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.105.01 при Курском государственном техническом университете по адресу: 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94, конференц-зал.

С диссертацией молено ознакомиться в библиотеке Курского государственного технического университета.

Автореферат разослан февраля 2009г.

Ученый секретарь

совета по защите докторских

и кандидатских диссертаций

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Одним из возможных путей повышения эффективности работы машин и снижения эксплуатационных затрат является увеличение ресурса быстроизнашивающихся деталей нар 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 ГОСТ 30249-97, структура которого состоит преимущественно из перлита (Пт1, Пт2), графита (ПГф1, ПГфЗ), фосфидной эвтектики (ФЭЗ, ФЭ4) и цементита (Ц2, Ц4). По сведениям ДЭПО юго-восточной железной дороги известно, что колодки из фосфористого чугуна характеризуются недостаточной износостойкостью. 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, ио мнению ряда исследователей, обусловлено воздействием фосфидной эвтектики и цементита, которые по мерс 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: 35Л, 40Х, 55Л, ЗОХНЛМ по ГОСТ 977-88, с твердостью рабочей поверхности 35.. .45НКС; реже - чугуиы 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 детали'!, в частности металлических деталей фрикционных пар сухого трения.

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

Диссертационная работа выполнена в рамках НИР Воронежской государственной лесотехнической академии 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 треиия.

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 н 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 подъемно-транспортных машин;

- осуществить металлографические, рентгеноструктурные и электронномикро-скопические 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 нагру-зочно-скоростными факторами.

Объектом исследования является аустенитный чугун предложенного химического и структурного состава, работающий в условиях сухого трения, применительно к тормозным шкивам подъемно-транспортных машин и тормозным колодкам локомотива.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. При изучении структуры материалов применяли металлографический, рентгеноструктурный и электронномик-роскопический 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.

Научная новизна.

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 выдержки при закалочной температуре на структуру и свойства аустенитного марганцовистого чугуна. Установлено, что закалка способствует аустенизации марганцовистого чугуна, измельчению его структурных составляющих и их более равномерному распределению в основе, при этом износостойкость чугун при сухом трении возрастает.

3. Экспериментально установлено, что аустенитный чугун предложенного химического состава превосходит по износостойкости фосфористый перлитный чугун и сталь 40Х в 2,7 и 2.0 раза, соответственно. Износостойкость аустенитного чугуна, полученного закалкой, была несколько меньше литого состояния, но при этом он в 1,7 раза меньше, чем фосфористый перлитный чугун изнашивал сопряженную с ним поверхность контртела.

4. Предложена математическая модель, устанавливающая связь между пагру-зочно-скоростными режимами, параметрами структуры аустенитного чугуна и его эксплуатационными свойствами при работе в условиях сухого трения. Разработан алгоритм обработки базы данных, позволяющий выбран, наиболее рациональный набор технологических приемов, обеспечивающих получение заданною уровня эксплуатационных свойств чугуна.

Практическая значимость состоит в разработке износостойкого чугуна, применение которого позволяет существенно повысить ресурс тормозных шкивов П'ГМ 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 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 «Студент, 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 по изучению влияния химического состава на структуру и свойства аустенитного чугуна; исследовании влияния термической обработки на фазовый состав и определении оптимальных режимов закалки, позволяющих получить заданные свойства аустенитного чугуна; разработке алгоритма программы, обеспечивающей совершенствование подхода при выборе технологических методов и приемов, способствующих получению заданных свойств чугуна; получении математической модели; проведении эксплуатационных испытаний; формулировки 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 объем работы составляет 177 страниц, из них 159 страниц основного текста и 18 страниц приложений. Работа включает 46 иллюстраций, 14 таблиц и 130 наименований использованных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы, сформулированы цель исследования. научная новизна и положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен аналитический обзор отечественной и зарубежной литературы по металловедению и термической обработке сталей и чугунов, используемых для фрикционных муфт и тормозов автомобильного и железнодорожного транспорта. подъемно-транспортных машин и механизмов. Произведен анализ причин их простоя во внеплановых ремонтах. Установлено, что низкая работоспособность тормозных колодок и тормозных шкивов ПТМ обусловлена чрезмерным их износом. Из литературных источников известно, что исследованиями структуры и свойств различных металлов и сплавов занимались ILA Буше. А.В Волощенко, Д.И. Станчев, П.С. Нартов, В.Н. Виноградов, Г.М. Солдатов и др. В э тих работах отмечалось, что сплавы аустенитного класса обладают ценными качествами в условиях ударного, абразивного и других видов изнашивания. а именно, способностью самоупрочняться в процессе работы от действия внешних нагрузок. Это подтверждено успешным практическим применением аустенит-ных сталей для рабочих органов горнообогательного оборудования, крестовин железнодорожных рельс, траков гусеничных тракторов и.т.п.

Таким образом, актуальной является задача создания износостойкого аустенитного чугуна и исследования его работоспособности в условиях сухого трения с целью повышения ресурса тормозных шкивов I1TM и тормозным колодок железнодорожного транспорта.

Из анализа состояния вопроса были определены цель и задачи исследования.

Во второй главе представлена методика исследования структуры и фазового состава, а также механических и эксплуатационных испытаний аустенитного чугуна в сравнении с традиционно применяемыми металлическими материалами.

Изучение физико-механических свойств металлов, в том числе, измерение твердости производили по методу Бринелля (ТОС'Г 9012-59), Роквелла на приборе ТК-2М (ГОСТ 9013-59) но шкале "В и С". Микротвердость структурных составляющих материалов определяли на приборе ПМТ-3 (ГОСТ 10717-75), Микроструктура чугунов изучалась при помощи металлографического микроскопа МИМ-7. Рентгенографирование проводили на дифрактометре ДРОН-2, анализ структуры излома металлов осуществлялся на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ). Для оптимизации расчета и анализа рентгенограмм, нами было произведено совмещение работы дифрактометра ДРОН-2 с ЭВМ. Для чего был разработан специальный прибор-контроллер (рис.1).

а)

б)

Рис. 1. Контроллер ДРОН-2 - LPT IBM: а - плата в сборе; б - схема электрическая принципиальная.

Контроллер позволяет управлять перемещением детектора и считывать измеренное значение интенсивности рентгеновского излучения на каждом шате сканирования в дискретом режиме работы днфрактометра и передавать его на ЭВМ. Обработка информации, полученной от контроллера, производилась операционной системой MS DOS. Для управления контроллером была разработана Программа-драйвер D2S.exe в среде программирования Turbo Pascal 7.0.

Лабораторные испытания на износ проводились на машине СМЦ-2 по известной схеме трения «колодка-ролик». Применительно к тормозам локомотива колодки из экспериментального аустепитного и фосфористого чугупов изнашивались о стальной ролик 50Г2, закаленный ТВЧ (52...54 ИКС); применительно к тормозам HTM ролики из экспериментального аустенитиого и эталонною (СЧ 28-48) чугупов и стати (40Х) взаимодействовали с колодкой из асбобакелитогюго фрикционного материала

В третьей главе предложен новый принцип, позволяющий обеспечить получение заданного набора механических и эксплуатационных свойств конструкционных чугупов с учетом имеющегося на конкретном предприятии оборудования и стоимости технологического процесса. Для этого были разработаны алгоритмы, по ним написана программа, которая путем аналитической обработки созданной нами базы данных, подбирает технологические методы и приемы, обсспечинаюгцис получение конструкционного чугуна с заданным уровнем эксплуатационных свойств. При работе с программным комплексом предусмотрены широкие возможности для составления задания на оптимизацию. Для каждого из выходных параметров, независимо, задается одно из нескольких возможных направлений оптимизации: максимизирование параметра, минимизирование параметра, приближение параметра к некоторому заданному значению (целевому значению), исключение параметра из участия в оптимизации.

Процесс оптимизации заключается и расчет е крит ерия оптимизации для каждого технологического процесса (ТП), содержащегося в базе данных, и выборе ТП с наилучшим критерием. Критерий оптимизации представляется в виде линейной комбинации частных критериев оптимизации с некот орыми коэффициентами:

г де / - индекс параметра Fí; к\ - относительная важность фактора (задается по результатам экспертных оценок); с1- направление оптимизации (<]= I - максимизация фактора, <:/= -1 - минимизация).

Программный комплекс также позволяет прогнозировать результаты от реализации возможного ТП. Для этого осуществляется ггеребор известных технологических процессов и проверка: по скольким факторам отличается ТП от заданного. Одновременно, содержащиеся в базе данных ТП, группируются по количеству несовпадений: первую группу составляют полностью совпадающие ТП, вторую - отличающиеся только одним фактором и.т.д. Затем в каждой группе производится усреднение значений выходных параметров:

где / - номер параметра; г - индекс перебора ТП в г руппе с числом несовпадений у; Щ - количество ТП в группе с числом несовпадений у.

После этого производится'окончательное усреднение и получение значения

ЭМ1

прогнозиру емого параметра:

^ = м<7 + + к^т + + адг,

где ко, £•(> ~ коэффициенты учета несовпадений, задающие относитель-

ные вклады каждой из групп в параметр.

4

При этом должно выполняться условие: = 1.

Для корректного прогнозирования коэффициенты должны убывать с увеличением индекса несовпадений, т. с. кц> к\> к2> к3 > кц, так как с увеличением количества несовпадений параметр Р, все сильнее отличается от истинного значения. Используемые нами далее коэффициенты были .выбраны экспертным путем: /с0 = 0,75, к\ = 0,12, к, = 0,07, ¿з = 0,04,1ц = 0,02.

При тестировании программного комплекса было установлено, что он корректно работает в рамках изначально заложенных ограничений: количество факторов от 2 до 10; количество параметров от 2 до 10; количество уровней фактора от 1 до 10; количество технологических процессов от 2 до 200; количество символов в кратком названии факторов, параметров, уровней - до 3, а в полном - до 26.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния химического состава и термической обработки на структуру и эксплуатационные свойства аустенитного чугуна при сухом трении. В качестве аустенитообразующего элемента был выбран марганец. Это объясняется тем, что аустепит, полученный на основе марганца более износостоек, склонен к фазовым превращениям, чем при использовании никеля, кроме того, ферромарганец менее дефицитный и дорогой компонент. Выбор микролегирующих карбидообразующих и улучшающих компонентов был сделан исходя из анализа экспертных оценок о влиянии этих химических элементов на заданные свойства чугуна, а также из научных работ предшествующих исследователей.

Используя возможности программного комплекса, нами был определен набор технологических методов и приемов, обеспечивающих получение аустенитного марганцовистого чугуна заданного химического состава с учетом производственных возможностей литейного цеха з-да им. Тельмана. Выплавка данного чугуна осуществлялась в индукционной печи ИСТ - 006 с основной футеровкой. В качестве шихтового материала и лигатуры использовались чушковый литейный чугун, металлический лом, катодная медь, ферросплавы молибдена, хрома, марганца и силикокальций. Размер кусков шихты составлял 5... 10 мм, что обеспечивало их полное расплавление и усвоение жидким металлом. Для компенсации выгорания углерода в .печь добавляли бой электродов. Литейные свойства марганцовистого чугуна были такими же, как и серого, отличие составляла величина усадки, которая компенсировалась установкой прибыли при получении отливок из марганцовистого чугуна. Легирование ферромарганцем производилось в печи вместе с основной металлической завалкой, а модифицирование карбидообразующими и рафшшрующими компонентами ковшовым способом, что обеспечивало их полное усвоение с минимальным угаром.

В соответствии с поставленными задачами было исследовано влияние концентрации марганца в сплаве на фазовый состав и эксплуатационные свойства аустенитного чугуна. Для этого была произведена серия плавок при которых варьировалось только содержание марганца на четырех уровнях, состав остальных компонентов, условия и режим проведения выплавки были постоянными. Микроструктура, фазовый состав и свойства полученных чугумов, приведены в табл.1.

Таблица 1

Влияние концентрации марганца на структурный состав и механические свойства марганцовистого чугуна в ли том состоянии

Содержание марганца, % Микроструктура (шлиф травленый) у/ос Твердость НВ Микротвердость, 10 ■ МПа

аустенит мартенсит карбиды

4,5 Аустенито-мартенситная смесь, мартенсит, карбиды средних и мелких размеров. Преобладает мартенсит. Крупный пластинчатый графит. 0,7 315-330 682-690 810-840

8,2 Аустенит, аустенито-мартенситная смесь, карбиды, мелкодисперный графит. Преобладание аустснита 8,5 238-250 330-350 590-650 855-870

10,5 Аустенит, незначительное количество мартенсита, карбидная сетка, мелкодисперсный графит. Преобладание аустенита. 17.5 210-225 310-325 450-470 950-1050 |

12,3 Аустенит, значительное количество крупных карбидов, распределенных неравномерно, отдельные поля ледебурита 21 242-248 320-340 - 1080-1200 _1

В результате исследования микроструктуры было отмечено, что с ростом содержания марганца в чугуне изменяется соотношение фазовых составляющих: увеличивается отношение гамма-фазы к альфа-фазе железа, возрастает количество карбидной фазы (Ре3С, Мп3С, СГ3С2) и уменьшается количество графита.

б)

Рис.2. Шлифы марганцовистого и фосфористого чугунов: а - марганцовистый * 200: до травления (слева), протравленный (справа); б - фосфористый * 200: до травления (слева), протравленный (справа)

При этом наиболее оптимальным соотношением фазовых составляющих, а также их формой и расположением отличался сплав, содержащий 10,5%Мл. Его структуру составлял преимущественно аустенит, армированный средними и мелкими

9

по величине разнородными карбидами и мелкодисперсными графитными включениями (рис.2). Относительные испытания на износ при сухом трении, проведенные с образцами из чугунов с различной концентрацией марганца, показали, что марганцовистый чугун, содержащий 10,5 % Мп, в 2,2 раза превосходил по износостойкости чугун с 4,5 % Мп.

Увеличение содержания марганца свыше 10,5 % приводило к дальнейшему повышению количества аустенитной и карбидной фаз, но при этом карбиды наблюдались в виде отдельных полей, износостойкость чугуна не возрастала. На основании этого для дальнейших исследований и испытаний был выбран химический состав чугуна %: 3.7 С; 2,8 Бк 10,5 Мп; 0,8 Сг; 0,35 Си; 0,75 Мо; 0,05 В; 0,03 8; 0,65 Р; 0,1 Са.

С, целью изучения влияния термической обработки на структурный состав и свойства аустенитного марганцовистого чугуна, предложенного химического состава, образцы (колодки) подвергали закалке с температуры нагрева 1030... 1050°С в воде.

На этапе предварительных испытаний было отмечено, что время выдержки аустенитного чугуна при температуре закалки оказывает существенное влияние на концентрацию, размер и расположение карбидной составляющей в чугуне. В связи с чем, исследовалась влияние времени выдержки, и проводился комплексный металлографический анализ образцов. В ходе проведенных исследований было установлено, что закалка марганцовистого чугуна приводила к практически полной аустенизации структуры (85...90%) и сопровождалась снижением твердости 160... 170 НВ.

' 4 ч/■-'У" Л, $

ш?

а) б)

Рис, 3. Микроструктура марганцовистого чугуна в закаленном состоянии (при выдержке 2 часа): а - шлиф до травления х500; б - шлиф протравленный *500.

Таблица 2

Влияние термической обработки на структурный состав и свойства марганцовистого чугуна

Карбид) 1 Графт Ширина ли- Микротвердость,

<и У нии, мм 10 ■ МПа

£ « в? х о г*4 о Время выдержки V. % "ж "ж 'Ъ Я !Л <1 V, % "й "Е 2 Е Е (011) » устенита мартенсита ш О ^ ю а. са и:

00 V. < л

После лнтья - 14,3 32,3 223,0 10,2 24,3 238,0 23,0 4,25 402 642 950

0,5 1,4 4,03 278,8 9,5 16,2 170,6 13,7 - 332 - 820

После закалки 1 4,1 14,2 347,3 10,4 21.8 209,7 17,8 - 340 - 841

1 3,5 12,8 365,4 13,2 32,6 246,7 18,0 - 344 - 1034

3 3,7 13,6 608,3 6,4 21,0 320,6 20,2 - 368 - 1064

4 3,3 11.1 256,0 10,4 21,8 209,7 16,3 - 320 - 1048

Увеличение времени выдержки с 0.5 ч до 2 ч вызывало измельчение карбидов и повышало их содержания в единице объема (табл. 2). Время выдержки свыше 2 ч. не вызывало существенных структурных изменений. Испытания на износ дали качественное подтверждение тому, что структурный состав чугуна, полученного закалкой, после 2-х часовой выдержки, обладает сравнительно высокой износостойкостью и оказывает слабое воздействие на сопряженную с ним поверхность контртела (сталь 50Г2). В связи с чем, для последующих лабораторных и эксплуатационных испытаний использовался марганцовистый чугун, закаленный после 2-х часовой выдержки при температуре закалки.

Сравнительные наблюдения фрактограмм поверхностей разрушения фосфористого перлитного и марганцовистого аустенитного чугунов с целью определения вида, характера взаимного расположения структурных составляющих показали, что структура аустенитного марганцовистого чугуна (рис.4, б) выгодно отличается от перлитной (рис.4, а). При рассмотрении поверхности изломов было замечено, что карбидные и графитные включения в перлитном чугуне разобщены, границы раздела их с металлической основой имели выраженный вид трещин, свидетельствовавший об отсутствии прочной связи между фазовыми составляющими, что при изнашивании является фактором, способствующим выходу карбидов на поверхность трения и их выкрашивание.

Рис. 4. СЭМ. Поверхности чугунов при различном увеличении: а - фосфористый перлитный; б - марганцовистый ауотенитный;

В отличие от фосфористого чугуна, карбиды в марганцовистом чугуне имели вязкое расположение в металлической матрице, они были либо утоплены, либо частично затянуты аустенитом, при этом в структуре практически отсутствовали трещины, наблюдаемые в перлитном чугуне. Гетерогенная структура марг анцовистого чугуна, основу которой составляет относительно вязкий аустенит, содержащий равномерно распределенные карбидные включения (рис. 2, а), несомненно, имеет сходство с композиционным составом фрикционных материалов. Такой состав чугуна в значительной степени удовлетворяет принципам формирования износостойкого материала, так как аустенит обладает способностью самоупрочняться в процессе трения, а армирующие его мелкодисперсные карбиды, выступая в роли опорной поверхности, воспринимают нагрузку и предотвращают интенсивное изнашивание металлической основы.

В пятой главе изложены результаты исследования работоспособности аустенитного марганцовистого чугуна в литом и термообработанном состоянии в условиях сухого трения. Результаты лабораторных и эксплуатационных испытаний позволили установить сравнительную износостойкость аустенитного марганцовистого чугуна и традиционных материалов, применяемых для деталей фрикционных пар, а также определит], механизм упрочнения и изнашивания аустенитного чугуна при сухом трении.

Как видно из табл.3 наибольшей износостойкостью обладал аустенитный чугун в литом состоянии (ИАЧл), как в паре со сталью 50Г2, так и с фрикционным материалом ЭМ1. Износостойкость марганцовистого чугуна в закаленном состоянии (ИАЧз) была меньше литого (ИАЧл), но при этом колодки из него почти в 2 раза меньше изнашивали сопряженные с ними стальные ролики (52...54 HRC), имитирующие колесо локомотива. В паре с фрикционным материалов ЭМ1 износ ролика из аустенитного чугуна (ИАЧл) был в 2 раза меньше, чем из стали 40Х.

Таблица 3

Результаты сравнительных испытаний на износ пары колодка-ролик

Материал Относит, износ, с Материал Относит. ИЗНОС, Е

Л» колодка ролик колодка ролик № колодка ролик колодка ролик

1 ИАЧл 50Г2 0.4 0,8 1 ЭМ1 ИАЧл 0,8 0,5

2 ИАЧз 50Г2 0.5 Г" 0,6 2 ЭМ1 ИАЧз 0,8 0,7

3 СЧФ 50Г2 1 1 1 1 3 ЭМ1 СЧ 28-48 0,7 0.8

- - - - 4 ЭМ1 40Х 1 1

Более высокая износостойкость аустенитного марганцовистого чугуна в сравнении с перлитным, объясняется интенсивным самоунрочнением рабочего слоя в процессе трения. Измерение микротвердости и рентгенографирование поверхности трения после каждого акта нагружения показали, что в ней происходит наклеп аусте-нита и превращение его в мартенсит деформации. При этом основное влияние иа рост микротвердости оказывает величина удельного давления, скорость скольжения оказывает меньшее воздействие иа структурные изменения - через фрикционный нагрев.

В процессе лабораторных испытаний производилось измерение семи параметров ( /, /:Тр, Т, Нц, Ja /Jv Д и Е) и зависимости от нагрузочно-скоростных факторов (\>,р), в результате этого были определены уравнения регрессии типа (f] = f|(p, v), доверительный интервал - 5%.

1 = 16,295 v - 1,636 р + 3,022 vp - 14,677 v2 + 0,207 р1;

к,„„ = 0,37 - 0,153v- 0,013р + 2,623 • 10"3vp + 0,04 lv2 + 5,168 • 10 V;

Т = -54,804 +183.472v + 16,2I4;> + 10,695vp - 82,1I7i>2 - 0.351 р2;

Htl = 539,742 - 38,4 lv + 37,187p - 2,575vp + 24,68v2 - 0,994p1;

Ja ¡Jy = -0,793v + 0,344p - 0,018177 + 0,414v2 -0,D11 p7;

Д = 3,683 - 0,7471' - 0.16/; + 0,044vp f 0,15v2 -+ 5,135 • 10"V ;

E = 0,52 v + 0,198/; - 0,036iy> - 6,41 • 10"' p2

где, p -- удельное давление, МПа; v - скорость скольжения, м/с; I - износ, мг; к - коэффициент трения; t - температура, °С; Hji - микротвердость, МПа, Ju /Jr - отношение интенсивностей фаз (мартенсита к аустениту); Д - ¿точность, 10"5м; Е - микронапряжения второго рода.

Полученный объем экспериментальных данных позволил анализировать зависимости вида/)(/;,/3) или f\(fi,h,j4) - неявные связи. В рамках данной работы были определены уравнения типа 7(//,„ Т) и //,,(£, Ja / Jf), связывающие износ с микротвер-достыо материала и фрикционным нагревом, а также более информативные тройные связи: к, 7) и Н„(Д, Е, Ja / Jy). Неявные зависимости тина: F; = Fj (Fk. Fj...)

I = 309.091 -1,02 + 0.309Г - 3,794-1 О^Н/ + 8,) 95 • 10"1 Я,,2 + 4,975-17'2; Ну = 547,17 -113,61 £ + 220.69(./„ /Jг) + 531■:(J,, /./,)-4,89£2 - 40,871 (./„ )2; / = -2,714 - 75,381 £ +96,529(У„ и,) - 20,566 £(.7„ /./,) +46,87£2 - 19 ,739 (./„ М, )г;

Результата эксплуатационных испытаний тормозных шкивов транспортной тележки козлового крана на ОАО «Воронсжавтодор» дали качественное подтверждение данных, полученных в лабораторных экспериментах. Тормозные шкивы, изготовленные из аусте-нитного марганцовистого чугуна, обладают более высокой износостойкостью по отношению к базовым материалам (40Х, СЧ 28-48), традиционно используемым для таких деталей. Результаты эксплутационных испытаний позволили определить экономическою эффект (ЭЭ) от внедрения аустенитного марганцовистого чугуна.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Изучено влияние содержания марганца на фазовый состав и заданные свойства аустенигного 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 ИВ. Увеличение времени выдержки вызывало измельчение карбидных и графитных составляющих, их более равномерное распределение в металлической матрице. Выдержка образцов в течение 2 часов при температуре закатки 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 2,0 ... 2,5.раза. По износостойкости закаленный аустенитный чугун несколько уступал литому, но при этом в 1,7 раза меньше изнашивал сопряженный с ним стильной ролик. Данный фага является особо значимым, так как проблема повышения ресурса металлоемкого дорогостоящего железнодорожного колеса, по-прежнему, остается одной из приоритетных задач научных исследований. В паре с фрикционным материалом износ аустенитного чугуна был в 2 и 1,8 раза меньше стали 40Х и СЧ 28-48, соответственно.

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

6. Определена математическая модель,' устанавливающая связь между1 физико-механическими параметрами марганцовистого чугуна и нагрузочно-скоростгтьшп факторами (удельным давлением, скоростью скольжения). Установлены Области'наиболее бла-

гоприятного сочетания нагрузочных режимов эксплуатации деталей из аустенитного чугуна при сухом транш, соответствующие режимам раб от 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 174254 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 95770 руб. на 1000 колодок.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах: публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России

1. Спирин, Е. А. Возможность использования марганцовистого чугуна как материала для быстроизнашивающихся деталей лесных и дорожно-строительных машин [Текст] / Е. А. Спирин, Д. А. Попов // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 181.-2007.-С. 111-115.

2. Станчев, Д. И. Износостойкий аустенитный марганцовистый чугун в условиях сухого трения применительно к тормозам подъёмно-транспортных и лесовозных машин [Текст] / Д. И. Станчев, Д. А. Попов, В. В. Шабанов // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. Вып. 185.- 2008-С. 159-166.

другие публикации

3. Станчев, Д.И. Перспективы применения специального аустенитного марганцовистого чугуна для деталей фрикционных узлов лесных машин [Текст] / Д.И. Станчев, Д.А. Попов // Актуальные проблемы развития лесного комплекса : Материалы международной научно-технической конференции ВГТУ. - Вологда, 2007. - С. 109-Ш

4. Попов, Д. А. Анализ работы фрикционных пар трения лесовозных и подъемно-транспортных машин. Возможный путь повышения их долговечности [Текст] / Д.

A. Попов // Перспективные технологии, транспортные средства и оборудование при производстве эксплуатации, сервисе и ремонте : сб. науч. тр. Вып.2 - Воронеж, 2007. -С. 41-44.

5. 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 техники : доклады Всеросс. науч.-техн. конф. / под общ. ред. чл.-корр. Российской акад. Наук В.П. Мешалкина. - Тула : Тул-ГУ, 2007.-164-166 с.

6. Станчев, Д. И. Модель оптимизации состава материала и стоимости, входящих в него компонентов [Текст] / Д. И. Станчев, Е, А. Спирин Д. А. Попов. Приоритетные направления развития науки и техники : доклады Всеросс. науч.-техн. конф. / под общ. ред. чл.-корр. Российской акад. Наук В.П. Мешалкина. - Тула : ТулГУ, 2007. -С. 166-168.

7. Попов, Д. А. Исследование влияния термической обработки аустенитного марганцовистого чугуна на его структуру и физико-механические свойства [Текст] / Д. А. Попов, Е. А. Спирин. Приоритетные направления развития науки и техники : доклады Всеросс. науч.-техн. конф. / под общ. ред. чл.-корр. Российской акад. Наук

B.П. Мешалкина. - Тула : ТулГУ, 2007. - С. 170-171.

8. Станчев, Д. И. Методика исследования явлений в поверхностных слоях трения [Текст] / Д. И. Станчев, Д. А. Попов // Математическое моделирование, компью-

терная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления. Меж. Вуз. Сб. науч. тр. Вьш.11 - Воронеж, 2006. - С.65-68.

9. Патент 2313609 Российская Федерация, МПК С22С 37/10. Износостойкий чугун [Текст] / Станчев Д. И., Попов Д. Л. ; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. лесо-техн. акад. - № 2006125249 ; заявл. 13.07.06 ; опубл. 27.12.07, Бгал. № 36. -4 с.

10. Патент 2337175 Российская Федерация, МПК С22С 37/10. Износостойкий чугун [Текст] / Станчев Д. И., Попов Д. Л. ; заявитель и патентообладатель Воронеж, гос. лссо-техн. акад. - № 2007108431 ; заявл. 06.03.07 ; опубл. 27.10.08, Бюл. № 30. - 4 с.

11. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программный комплекс для оптимизации и прогнозирования технологического процесса производства отливок из чугуна [Текст] / Д. И. Станчев, Д. А. Попов, В. В. Посметьев ; правообладатель ВГЛТА. - заявл. 2007614281; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ № 2008610110 от 9 января 2008.

12. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ. Программа для управления рентгеновским аппаратом ДРОН-2 в дискретом режиме при исследовании сплавов аустенитного класса [Текст] / Д. И. Станчев, Д. А. Попов, В. В. Посметьев ; правообладатель ВГЛТА. - заявл. 2007612500 ; зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ № 2007613545 от 15 августа 2007.

Подписано в печать 5 .02.2009. Формат 60*84 1/16 Печатных листов 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 7.

Курский государственный технический университет Издательско-нолиграфнческий центр

305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября.

Введение

1 Состояние вопроса и задачи исследования

1.1 Чугуны и стали, используемые для фрикционных пар сухого трения

1.2 Анализ работоспособности металлических элементов фрикционных пар трения (нажимйых дисков сцепления тормозных шкивов ПТМ)

1.3 Анализ работоспособности пары трения тормозная колодка - колесо железнодорожного транспорта»

1.4 Краткий обзор исследований по вопросам формирования структуры металлов при сухом трении

1.5 Обоснование целесообразности исследования аустенитных чугунов с целью использования их для металлических элементов фрикционных пар трения 31 Выводы. Цель и задачи исследования

2 Методика исследования структуры, фазового состава механических и эксплуатационных свойств экспериментальных материалов

2.1 Выбор машины трения, приспособлений и условий проведения испытаний на износ

2.1.1 Приработка образцов

2.2 Параметры процесса изнашивания и способы их исследования

2.2.1 Определение величины износа и момента трения

2.2.2 Определение шероховатости поверхности трения

2.2.3 Измерение температуры

2.2.4 Измерение твердости и микротвердости структурных составляющих исследуемых материалов

2.2.5 Металлографические исследования

2.2.6 Методика рентгеноструктурных исследований

2.2.7 Методика электронографических исследований

2.3 Методика эксплуатационных испытаний 58 2.3.1 Методика эксплуатационных испытаний тормозных шкивов ПТМ

Выводы

3 Разработка программного комплекса, обеспечивающего получение заданного набора физико-механических и эксплуатационных свойств конструкционных чугунов

3-1 Аналитическая база данных для оптимизации и прогнозировании технологии получения конструкционных чугунов

3.1.1 Обоснование целесообразности разработки аналитической базы данных для оптимизации и прогнозирования технологии производства чугунов

3.1.2 Назначение и функциональные возможности предлагаемого программного комплекса

3.1.3 Оптимизация технологического процесса производства конструкционного чугуна

3.1.4 Прогнозирование результатов от применения возможного технологического процесса производства конструкционных чугунов

3.1.5 Перспективы применения предлагаемого программного комплекса

4 Определение химического состава аустенитного чугуна и исследование влияния термической обработки на его структуру и свойства при сухом трении

4.1 Определение комплекса легирующих компонентов аустенитного чугуна

4.2 Технология получения аустенитного марганцовистого чугуна 79 4.2.1 Использование программного комплекса при определении оптимального технологического процесса получения износостойкого чугуна

4.3 Влияние содержания марганца на структуру и свойства аустенитного чугуна

4.4 Влияние термической обработки (закалки) на структуру и свойства аустенитного марганцовистого чугуна 88 Выводы

5 Результаты исследования работоспособности аустенитного марганцовистого чугуна в условиях сухого трения применительно к тормозным парам локомотива и подъемно-транспортных машин

5.1 Результаты сравнительных металлографических и электронномикроскопических наблюдений структуры исследуемых чугунов

5.1.1 Металлографический анализ шлифов исследуемых чугунов

5.1.2 Результаты электронномикроскопических наблюдений

5.2 Результаты сравнительных лабораторных испытаний исследуемых материалов в условиях сухого трения скольжения на машине трения СМЦ

5.2.1 ВлиянР1е удельных давлений на износ образцов и коэффициент трения

5.2.2 Влияние удельных давлений на температуру пары трения

5.2.3 Влияние удельных давлений на микротвердость поверхности трения экспериментальных аустенитных чугунов

5.2.4 Влияние удельных давлений на фазовый состав, микронапряжения и блочность микроструктуры экспериментальных аустенитных чугунов

5.2.5 Влияние скоростей скольжения на износ образцов и коэффициент трения

5.2.6 Влияние скоростей скольжения на температуру колодки

5.2.7 Результаты изнашивания различных чугунов и сталей, применительно к фрикционным парам трения тормозом ПТМ

5.3 Статистическая обработка результатов двухфакторного эксперимента 122 5.3.1 Аппроксимация экспериментальных данных

5.3.1.1 Методика построения уравнений регрессии

5.3.1.2 Оценка значимости коэффициентов уравнения регрессии

5.3.2.1 Влияние удельных давлений и скоростей скольжения на износ

5.3.2.2 Влияние удельных давлений и скоростей скольжения на коэффициент трения

5.3.2.3 Влияние удельных давлений и скоростей скольжения на объемную температуру колодки

5.3.2.4 Влияние удельных давлений и скоростей скольжения на микротвердость рабочей поверхности колодки

5.3.2.5 Влияние удельных давлений и скоростей скольжения на соотношение фаз мартенсита и аустенита, микронапряжения и блочность кристаллической структуры аустенитного чугуна

5.3.3 Определение областей благоприятного сочетания эксплуатационных и структурных параметров предлагаемого чугуна

5.3.3.1 Определение рациональных нагрузочно-скоростных режимов эксплуатации деталей из экспериментального чугуна

5.3.3.2 Определение рациональных параметров структуры экспериментального марганцовистого чугуна

5.3.4 Анализ неявных зависимостей

5.3.4.1 Методика получения неявных зависимостей

5.3.4.2 Связь износа с микротвердостью и температурой Т)

5.3.4.3 Неявные зависимости /(7/ц, к, Т) и HjJJ, Е, Ja / Jy) 138 5.4 Результаты сравнительных эксплуатационных испытаний и технико-экономическое обоснование применения аустенитного марганцовистого чугуна для тормозных шкивов ПТМ

5.4.1 Результаты эксплуатационных испытаний экспериментальных чугунов применительно к тормозам ПТМ

5.4.2 Результаты эксплуатационных испытаний экспериментальных чугунов применительно к тормозам локомотива

5.4.3 Оценка экономической эффективности от внедрения аустенитного марганцовистого чугуна

5.4.4 Расчет экономического эффекта от применения аустенитного марганцовистого чугуна для тормозных колодок железнодорожного транспорта

Выводы

Основные результаты работы

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 30249-97. 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 35.45HRC; реже - 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 транспорта; I

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

- 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 чугуна; исследовании влияния термической обработки на фазовый состав и определении оптимальных i режимов закалки, позволяющих получить заданные свойства аустенитного чугуна; разработке алгоритма программы, обеспечивающей совершенствование подхода при выборе технологических методов и приемов, способствующих получению заданных свойств чугуна; получении экспериментальных зависимостей; проведении эксплуатационных испытаний; формулировки 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 °С, 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 - 174254 рубля;

- по отношению к СЧ28-48 - 23354 рубля.

Экономический эффект от применения аустенитного чугуна для тормозных колодок ж.-д. транспорта взамен фосфористого перлитного составил для ИАЧ 310136 руб., для ИАЧз - 95770 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 174254 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 95770 руб. на 1000 колодок. I I i I

1. Александров, М. П. Тормоза подъёмно-транспортных машин Текст. / М. П. Александров. -М.: Машиностроение, 1976. 383 с.

2. Повышение Эффективности тормозных устройств. Свойства фрикционных материалов Текст. : сб. Науч. Тр. Под ред. В. С. Щедрова / АН СССР. Вып. 5 (1959) -М.: АН СССР, 1959.

3. Гудченко, В. М. Основы создания фрикционных материалов для напряженных тормозов Текст. / В. М. Гудченко, И. В. Крагельский // Трение и износ в машинах. — 1958.-№ 12.-С. 7-9.

4. Германчук, Ф. К. Долговечность и эффективность тормозных устройств Текст. / Ф.

5. К. Германчук. М. : Машиностроение, 1973. - 176 с.i

6. Станчев, Д. И. Конструкционные материалы для лесных машин Текст. / Д. И. Станчев. Воронеж : ВГУ, 1982. - 172 с.

7. Гречин, В. П. Износостойкие чугуны и сплавы Текст. : В. П. Гречпн. М. : Машгиз, 1961.-398 с.

8. Воронков, Б. Д. Подшипники сухого трения Текст. / Б. Д. Воронков. JT. : Машиностроение, 1968. - 140 с.

9. Крагельский, И. В. Процессы трения в тормозах авиаколес. Подбор фрикционных пар Текст. / И. В. Крагельский, Г. Е. Чупилко, А. В. Чичинадзе. М.: АН СССР, 1955. 223 с.

10. Макридин, И. П. Исследование новых элементов тормозов крановых механизмов Текст. : / И. П. Макридин, Б. М. Абакумов // сб. науч. тр. / ВНИИПТМАШ. Москва, 1969.-Вып. 4(91) С. 107-119.

11. Металловедение и термическая обработка стали и чугуна Текст. : справочник /I

12. О. Н. Альтгаузен и др.. М. : Металлургиздат, 1957. — 1204 с.

13. Александров, М. П. Тормозные устройства в машиностроении Текст. / М. П. Александров. — М. : Машиностроение, 1965. 341 с.

14. Повышение износостойкости и срока службы машин Текст. // Тезисы докладов в пяти выпусках. Вып. 3 Антифрикционные и фрикционные материалы, работающие в особых условиях. Киев, 1970. - 189 с.

15. Литовченко, Н. Н. Восстановление дисков сцепления, тормозных барабанов, дисков и шкивов электродуговой металлизацией Текст. / Н. Н. Литовченко, Г. Г. Раджабов, И. В. Денисов // Сварочное производство. 2001. - № 7. - С. 39-40.

16. Шамко, Bi Восстановление тормозных барабанов Текст. / В. Шамко, П. Веришко //<f.

17. Автомобильный {транспорт. 1992. - № 9. - С. 26.

18. Чичинадзе, А., В. Расчет, испытание и подбор фрикционных пар Текст. / А. В. Чичинадзе, Э. Д. Браун, А. Г. Гинзбург, 3. В. Игнатьева. М. : Наука, 1979. - 266 с.

19. Froad A.D., Maclcengie D. K., Hewcomb T. P. Test Carried out with a Motor Coach on Alpien Passes. Automobile Engineer, 1969, vol. 59, №12.

20. Марченко, E. А. Поведение поверхностного слоя шлифованной стали 45 в условиях сухого трения скольжения Текст. / Е.А. Марченко, Е.Ф. Непомнящий и др. // Известия

21. АН СССР. Металлы. - 1969. - №6. - С. 14-17.i ! j

22. Долецкий, В'. |А. Увеличение ресурса машин технологическими методами Текст.

23. В. А. Долецкий,iB. Н. Бунтов и др.. -М. : Металлургия, 1978. 215 с.f

24. Казаринов, В. М. Теоретические основы проектирования и эксплуатации1автотормозов Текст. / В. М. Казаринов, В. Г. Иноземцев, Ф. В. Ясенцев. М. : Транспорт, 1968.-301 с.

25. Пыжевич, JI. М. Расчет фрикционных тормозов Текст. / Л. М. Пыжевич. М. : Машиностроение, 1964. - 147 с.г

26. Крагельский, (И. В. Трение и износ Текст. / И. В. Крагельский. М. : Машиностроение! 1968.-451 с.

27. Хрущов, М. Ivl. Основные вопросы развития теории изнашивания Текст. / М. М. Хрущов : сб. [«Развитие теории трения и изнашивания». М. : АН СССР, 1957. - 394 с.

28. Чичинадзе, А'. В. Расчет и исследование внешнего трения при торможении Текст. /

29. А. В. Чичинадзе.;-' М. : Наука, 1967. 215 с.s )

30. Голего, Н1. Л. Исследование упруго-пластической деформации поверхностных слоев при трении в условиях вибросмещений Текст. : сб. «Повышение износостойкости и срока службы машин» / Н. Л. Голего, Б. П. Шелест. Киев, УкрНИИНТИ, 1970. Вып. 1. - 355 с.

31. Гороховский, Г. А. Методика и результаты исследования изнашивания элементов пары трения металл-пластмасса при сухом граничном трении Текст. /: сб. «Трение, смазка и износ деталей машин» / Г. А. Гороховский. Киев, КИГВФ, 1961. Вып. 2 - 178 с.1. V s I

32. Дьяченко,, П.4Е. Площадь фактического контакта сопряженных поверхностейi

33. Текст. / П. Е. Дьяченко, Н. Н. Толкачева, Г.А. Андреев, Т. М. Карпова. М. : АН СССР, 1963.-141 с.

34. Голего Н. Л. Исследование качественных и количественных закономерностей явлений схватывания металлов и меры борьбы с ними в машинах Текст. / Н. Л. Голего. Киев : КИГВФ, 1960. - 334 с.

35. Костецкий, Б. И. Трение, смазка и износ в машинах Текст. / Б. И. Костецкий. -Киев : Техника, 1970. 540 с.

36. Кащеев, В. Н. Процессы в зоне фрикционного контакта металлов Текст. / В. Н. Кащеев. -М. : Машиностроение, 1978.-213 с.

37. Горячева, И. Г^. Механика фрикционного взаимодействия Текст. / И. Г. Горячева —

38. М. : Наука, 2,001. Ц 478 с.1 1 ( ? ! '1.I

39. Коконин, С. С. О схватывании и вибрации дисковых авиатормозов Текст. : Тезисы докладов научно-технического совещания «Физико-химическая механика фрикционного взаимодействия» / С. С. Коконин. -М. : ИМАШ, 1971. 150 с.

40. Костецкий, Б. И. Сопротивление изнашиванию деталей машин Текст. / Б. И. Костецкий. — Киев : Машгиз, 1979. 355 с.

41. Марковский, Е. А. Изменение химического состава поверхностных слоев сплавов, деформированных трением Текст. / Е. А. Марковский, Б. А. Кириевский. в кн. Проблемы трения и изнашивания. - Киев : Техника, 1974. - № 6. - С. 105.

42. Исследование структуры фрикционного материала при трении Текст. / М.: Наука, 1972.-131 с.

43. Любарский, М. М. Металлофизика трения Текст. / М. М. Любарский. М. : Металлургия, 1976. — 176 с.

44. Криштал, М. <!А. Диффузионные процессы в железных сплавах Текст. / М. А. Криштал. М. : Металлургиздат, 1963. - 277 с.

45. Голего, Н. Л.'! Исследование качественных и количественных закономерностей явлений схватывания металлов и меры борьбы с ними в машинах Текст. / Н. Л. Голего. Киев : КИГВФ, 1960. - 284 с.

46. Костецкий, Б. И. Анализ эксплуатации фрикционных материалов тормозных устройств Текст. / Б. И. Костецкий, Ф. К. Германчук // Вестник машиностроения. -1962. -№ ю:- С. 5-7.

47. Крагельский, И. В. Коэффициенты трения Текст. / И. В. Крагельский, И. Э. Виноградова. М. : Машгиз, 1962. - 344 с.

48. Чичинадзе, А. В. Учет изменения фрикционного контакта при расчете температуры поверхности трения Текст. / А. В. Чичинадзе, 3. В. Игнатьева // Машиноведение. -1971. — № 4. — С.|11-17.

49. Чичинадзе, AI: В. Расчет и исследование температурного режима автомобильных1 Iтормозов Текст. / А. В. Чичинадзе, [и др.]. // Автомобильная промышленность. — 1972. № 7. - С. 1-4.

50. Чичинадзе, А. В. К расчету температур при переменной мощности трения Текст. / А. В. Чичинадзе, А. Г. Гинзбург // Машиноведение. 1971. - № 5. - С. 15-20.

51. Чичинадзе, А. В. Тепловая динамика трения и изнашивания фрикционных пар Текст. /

52. А. В. Чичинадзе // Проблемы машиностроения и надежности. 1996. - № 5. - С. 71-79.1