Full Text

Износостойкость материалов пар трения зависит от внешнего силового воздействия, внешних условий, характера взаимодействия трибологических пар, микроструктуры материалов и многих других факторов. На основании анализа существующих методик фрикционно-износных испытаний [1-4] и в соответствии с физической моделью износа, теорией моделирования и материаловедения нами была выбрана физическая модель износа в трибологической паре «бандаж колеса локомотива - гребневая тормозная чугунная колодка», базирующаяся на строении материалов колеса и тормозной колодки. Материал бандажа имеет сравнительно однородную микроструктуру эвтектоидной или доэвтектоидной стали перлито-ферритного или чисто перлитного состава. Ферритная часть микроструктуры легирована хромом, который обеспечивает повышенную твердость бандажа до 400 НВ. В данном случае главным является однородность материала, которая обеспечивает равномерность износа по всей поверхности трения. Материал тормозной колодки имеет сложное строение: перлит + + цементит + тройная фосфидная эвтектика + графит[1]. При этом состав элементов данной микроструктуры может сильно изменяться в зависимости от флуктуации химического состава и технологических режимов производства, что подтверждается большим разбросом твердости колодок даже в одной партии, имеющим по требованиям стандарта 229-303 НВ. Массовые обследования поставляемых на Красноярскую железную дорогу тормозных локомотивных колодок показывают, что реальный разброс их твердости составляет от 100 до 600 НВ [5]. В основе физической модели износа лежит процесс трения скольжения криволинейных поверхностей, который представляет собой сложный физико-химический механизм, состоящий из нескольких видов износа: 1. Нормальный абразивный износ, возникающий в результате сухого трения между металлическими телами, разделенными пленками антифрикционного состава вторичных структур, образующихся в процессе трения. 2. Патологический износ, сопровождающийся разрушением разделительных пленок и схватыванием первого и второго рода, приводящий к разрушению поверхности более пластичного материала бандажа колеса. Материал тормозной колодки можно упрощенно представить как мягкую основу, в которую включены твердые абразивные частицы, изнашивающие металл бандажа, и мягкие антифрикционные частицы графита, которые обеспечивают тонкую разделительную пленку между трущимися телами. Твердость перлита может варьироваться в пределах 200-230 НВ, т.е. значительно ниже твердости бандажа, поэтому он изнашивается значительно быстрее твердых цементитных включений, образуя выемки между ними. Поскольку графитовые пластины расположены между кристаллами твердых включений (рис. 1), в перлите смазка поверхности трения обеспечивается поступлением слущенных частичек графита из перлитной составляющей. Фосфидная эвтектика, состоящая из цементита, карбида фосфора и феррита, тяготеет к зернам цементита, образуя вместе с ним крупные блоки высокой твердости (см. рис. 1). Рис. 1. Схема взаимодействия тормозной колодки и бандажа Такое строение само по себе уже не является оптимальным, так как в процессе износа более пластичной перлитной составляющей эти блоки выступают, перераспределяя нагрузки в зоне трения. На выступах реализуются большие удельные давления, что приводит к повышению температуры на них, этот процесс усугубляется малой теплопроводностью цементита. В конечном итоге термоциклическая нагрузка приводит к растрескиванию материала и выкрашиванию его наиболее твердой части. Это явление подтверждается исследованиями Д.Г. Афонина [1]. В работах [6-11] предложены тормозные колодки с увеличенной износостойкостью, влияние на износ материала колес эксплуатационными исследованиями не установлено. При длительных процессах торможения, сопровождающихся повышением температуры, особенно в зонах с повышенным удельным давлением, происходит схватывание металла колодки с металлом бандажа, т.е. износ становится патологическим. Это подтверждается макроанализом поверхностей износа (рис. 2), на которых имеются синие пятна (зоны перегрева) и навар металла колеса. а б Рис. 2. Виды износа бандажа колесной пары: а - фрагмент поверхности износа тормозной колодки (видны синие пятна и трещины по границам синих пятен); б - фрагмент тормозной колодки с наваром на поверхности Анализ физической модели трибологического процесса в паре колесо - колодка дает возможность представить несколько вариантов износа бандажа и колодки: 1. Колодка имеет половинчатый состав, в котором присутствуют крупные образования твердых включений и отмечено почти полное отсутствие графита (почти весь углерод находится в связанном состоянии). Перлит представляет собой прослойку между этими блоками. Такая структура тормозной колодки обеспечивает трение без разделительной пленки, как результат, повышенное термоциклическое растрескивание и повышенное образование навара на ее поверхности. Это подтверждается исследованиями в работе [12], где указывается, что колодки с повышенной твердостью в среднем имеют на 176 % большую суммарную длину трещин и на 33 % больший ресурс, по сравнению с колодками минимальной твердости (в пределах стандарта), 27 % колодок имеют на поверхности навар металла бандажа (рис. 2, б). 2. Колодка имеет сравнительно небольшие включения твердой составляющей, которые распределены неравномерно по объему. В такой микроструктуре достаточно много графита, но строение графитовой части однообразно и выделяющиеся частички в зоне трения не обеспечивают постоянной разделительной пленки, так как твердые блоки выступают над поверхностью перлита и на них пленка не удерживается. Термоциклическое растрескивание резко снижено (почти в три раза по сравнению с твердыми колодками), но навар почти не снижается (25 % колодок [12]). 3. Колодка имеет пониженную твердость по сравнению со стандартной, ее структура представляет собой почти 100%-ный перлитный состав с очень небольшими включениями твердой фазы. Такая структура имеет равномерный износ, полное отсутствие термоциклического растрескивания. В таком чугуне твердые частички, имея малую глубину залегания, в процессе износа перлитной основы выворачиваются оттуда и силой давления колодки вдавливаются в поверхность бандажа, где удерживаются достаточно длительное время, чтобы успеть процарапать глубокие борозды на поверхности колодки. В результате наблюдается повышенный износ тормозной колодки с глубокими бороздами на поверхности износа (рис. 3). Кроме того, в данном случае следует ожидать и повышенный износ рельсов. Рис. 3. Фрагмент поверхности трения тормозной колодки со структурой третьего типа Улучшить трибологические функции тормозных локомотивных колодок, по нашему мнению, возможно переводом сложной нестабильной структуры исходного серого чугуна, имеющего большой разброс по твердости, в более стабильную Ф + Г, где феррит имеет одинаковую твердость как в партии колодок, так и по объему каждой колодки [13-16]. Но феррит имеет твердость в пределах 160 НВ, что исключает его применение ввиду ускоренного износа. Для увеличения твердости колодок до 220-230 НВ и обеспечения ее стабильности по партии колодок и по объему каждой из них предложен режим термической обработки, который обеспечивает перевод стандартной микроструктуры в Ф + Г с одновременным перемещением Mn, Si и P, присутствующих в составе чугуна в кристаллическую структуру феррита, т.е. осуществление его легирования [13, 14]. Такую микроструктуру можно получить путем высокотемпературного графитизирующего отжига отливок с температуры 950-1000 °С, выдержки около 2 ч при этой температуре и охлаждения вместе с печью. При такой обработке полностью снимается набел и все внутренние напряжения, обеспечивается графитизация свободного цементита и распад цементита эвтектоидного. Данная термическая операция рассчитана на нагрев в диапазоне 950-1000 °С из следующих соображений: 1. Нижняя температурная граница определяет достаточную интенсивность процесса преобразования структуры. 2. Верхняя температурная граница ограничивает нежелательные рост зерна аустенита и процесс сфероидизации графитных включений. В данном случае определяющим фактором структурного преобразования является время выдержки в заданном температурном диапазоне, достаточном для полного желаемого преобразования. Для исследования превращений графита в структуре чугуна тормозных колодок при термической обработке нами были проведены металлографические исследования, которые предполагали решение следующих задач: 1. Подтвердить правильность предлагаемого режима термообработки тормозных колодок. 2. Исследовать полученные графитовые структуры и сравнить их со структурами принятого стандарта. Для выполнения поставленных задач были получены четыре колодки, обработанные при температуре 950-980 °С. Для сравнения экспериментальных колодок со стандартными были отобраны четыре колодки с твердостью, близкой к нижней границе стандарта. Полученные из колодок стандартной группы пониженной твердости нетравленые микрошлифы показывают, что в их микроструктуре графит имеет пластинчатое строение, количество пластин зависит от твердости: верхние фотографии соответствуют твердости колодок около 240 НВ, нижние - около 220 НВ (рис. 4). Рис. 4. Микроструктуры с выявленным расположением графита (не травлено, × 60) в образцах стандартной мягкой группы Полученные из колодок экспериментальной группы, имеющих феррито-графитовое строение с твердостью около 230 НВ, обработанных при температуре 950-980 °С, нетравленые микрошлифы показывают, что графит в их микроструктуре пластинчатого строения, имеются пластины с размытыми краями (рис. 5). Приведенные микроструктуры дают представление о характере температурной обработки: пластины увеличены по сравнению с графитом стандартных колодок мягкой группы. Размытость границ графита показывает присоединение к ним вторичного графита, выделяющегося из аустенитных зерен при охлаждении. Для проведения количественного сравнительного анализа размеров графитовых пластин в чугунах стандартных колодок мягкой группы (220-240 НВ) и в чугунах экспериментальной группы, близкой по твердости (230 НВ), полученных по технологии [13, 14], использована программа «Цито 2,0», которая разработана для исследований биологических клеток. Данная программа позволяет производить измерения микроскопических включений в металлах. Рис. 5. Микроструктуры с выявленным расположением графита (не травлено, × 60) в образцах экспериментальной группы В процессе количественного анализа измерялись длина, ширина и площадь графитовых пластин. Результаты исследований методом математической статистики приведены в виде гистограмм распределения с их основными характеристиками: математическим ожиданием М, среднеквадратичным отклонением s и коэффициентом вариации g (рис. 6-8) и таблицы. а б Рис. 6. Гистограммы распределения длин пластин графита в чугунах: а - со стандартной структурой пониженной группы твердости; б - с экспериментальной структурой а б Рис. 7. Гистограммы распределения толщин пластин графита в чугунах: а - со стандартной структурой пониженной группы твердости; б - с экспериментальной структурой а б Рис. 8. Гистограммы распределения площадей пластин графита в чугунах: а - со стандартной структурой пониженной группы твердости; б - с экспериментальной структурой Статистические показатели размерных характеристик графитовых пластин в чугунах тормозных колодок со стандартной и экспериментальной структурами, имеющих сравнимую твердость 220-240 НВ Тип структуры Длина графитовых пластин, мкм Толщина графитовых пластин, мкм Площадь графитовых пластин, мкм2 Стандартная М = 49,3 М = 3,46 М = 123 σ = 30,1 σ = 3,3 σ = 95 γ = 61 % γ = 95,4 % γ = 77,2 % Экспериментальная М = 53,8 М = 7,55 М = 197 σ = 37 σ = 4,2 σ = 144,5 γ = 69 % γ = 55,6 % γ = 73,4 % Заключение Анализ сравнительных данных, приведенных в таблице, подтверждает правильность выбранного направления по изменению графитной части структуры тормозной колодки. Предложенная термическая обработка с температуры 950-980 °С позволяет получить желаемые изменения размерных характеристик графитовых пластин без изменения их формы строения. Так, например, длина пластин увеличилась на 9 %; толщина пластин - на 118 %; площадь пластин - на 60 % в среднем.

About the authors

A. A Klimov

Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, Branch of Irkutsk State University of Railway Transport

A. V Struchkov

Reshetnev Siberian State University of Saence and Technology

V. B Bondarik

Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, Branch of Irkutsk State University of Railway Transport

V. P Ilyinsky

Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, Branch of Irkutsk State University of Railway Transport

S. V Domnin

Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, Branch of Irkutsk State University of Railway Transport

V. P Kirpichenko

Krasnoyarsk Institute of Railway Transport, Branch of Irkutsk State University of Railway Transport

References

Statistics

Views

Abstract - 23

PDF (Russian) - 8

Refbacks

• There are currently no refbacks.