Износно-фрикционные серые перлитные чугуны с комплексным микролегированием по кинетическому механизму для деталей «Диск переднего тормоза»

Актуальность работы заключается в разработке составов серого чугуна с пластинчатым графитом (СЧПГ) путём экономного легирования медью и оловом исходных базовых составов для деталей «диск переднего тормоза» шасси перспективных моделей автомобилей. В работе исследовали влияние изменения базового химического состава серого чугуна по углероду и кремнию и микролегирования медью и оловом на параметры его микроструктуры, прочностные свойства, трещиностойкость, износостойкость и коэффициент трения с фрикционным материалом в паре трения «диск переднего тормоза - тормозная колодка».

Ключевые слова: серый чугун с пластинчатым графитом, диск переднего тормоза, микролегирование, механические свойства, трещиностойкость, износостойкость, коэффициент трения.

Цель работы- разработка составов серых перлитных чугунов с повышенными износно-фрикционными и теплофизическими свойствами для деталей «Диск переднего тормоза» на основе изменения содержания базовых элементов - углерода и кремния и микролегирования медью и оловом.

По результатам исследований разработаны 2 химических состава серых чугунов для изготовления деталей «Диск переднего тормоза» - на основе базового чугуна Gh190 и на основе базового чугуна для отливок «Вал коленчатый». Оба химических состава отличаются от своих базовых составов содержанием меди на верхней границе нормируемого диапазона (0,4-0,5%) и олова (0,10-0,11%), характерным для чугуна Gh190B, используемого для изготовления отливок блоков цилиндров автомобилей ВАЗ. Основные достигнутые показатели по сравнению с базовым чугуном Gh190: повышенные механические, износно-фрикционные и теплофизические свойства серого чугуна на основе базового чугуна Gh190 с микролегированием медью и оловом, существенно более высокие теплофизические свойства серого чугуна на основе базового чугуна для отливок «Вал коленчатый».Эффективность использования разработанных составов серых чугунов заключается в изготовлении отливок детали «Диск переднего тормоза» в условиях цеха 11/1 ЧЛП МтП ОАО «АВТОВАЗ» из базовых химических составов чугунов без принципиального изменения основной литейной технологии.

 Введение

В настоящее время перлитная матрица нелегированного серого чугуна с пластинчатым графитом не гарантирует высоких эксплуатационных свойств деталей, работающих при высоких нагрузках и температурах. Достижение возросших требований к работоспособности и ресурсу тормозных дисков может быть реализовано путём изменения его химического состава по основным элементам - углероду и кремнию и дополнительного микролегирования СЧПГ элементами, позволяющими повысить термостабильность его исходной перлитной матрицы за счёт их кинетического влияния или твёрдорастворного упрочнения.

Таким образом, актуальность проведения НИР заключается в разработке химического состава СЧПГ для получения одной из наиболее ответственных деталей шасси «Диск переднего тормоза» с улучшенными износо-фрикционными и теплофизическими свойствами за счёт совокупного положительного эффекта от совместного влияния углерода, кремния, меди и олова в химическом составе чугуна.

Микролегирование чугуна. Особенности совместного влияния меди и олова на показатели структуры и свойств чугуна

Микролегирование – введение в металлический сплав небольших добавок легирующих элементов для изменения его свойств в нужном направлении. При решении задачи микролегирования материалов является необходимым найти оптимум, обусловленный, с одной стороны, выбором и стоимостью применяемых химических элементов, а с другой - необходимым уровнем достижения структурно-механических показателей. Микролегирующая концентрация каждого отдельно взятого элемента, характеризующая его влияние на структуру и свойства, является его индивидуальным показателем. Микролегирование эффективно влияет на строение и энергетическое состояние границ зерен, при этом в сплаве реализуются два механизма упрочнения – благодаря легированию твердого раствора и в результате дисперсионного твердения. Роль малых добавок при микролегировании проявляется преимущественно в результате воздействия на твердое состояние металла (образование твердого раствора внедрения или замещения; размер вторичных зерен; дисперсность, форму и распределение неметаллических включений: строение и тонкую структуру зерен; снижение отрицательного влияния примесей).

Наиболее рациональным и оправданным является совместное микролегирование чугуна медью и оловом. Ввиду кинетического влияния меди и олова на структурообразование чугуна, при их совместном введении в расплав чугуна, в перлите, на межфазной границе между пластинками феррита и перлита, в соответствии с диаграммой состояния «медь - олово» будут формироваться смешанные атомные слои из обоих металлов определённого фазового состава в зависимости от конкретной концентрации каждого из них.

Диаграмма состояния «медь - олово» (рис. 1) показывает фазовый состав и структуру Cu-Sn-сплавов (оловянистых бронз) и представляет собой комбинацию нескольких перитектических диаграмм следующего фазового состава: α - твёрдый раствор олова в меди; Sn - почти чистое олово (растворимость меди в олове меньше 0,01%); β - твёрдый раствор электронного типа на базе соединения Cu₅Sn, а пунктирная линия показывает процесс его упорядочения; δ - электронное соединение Cu₃₁Sn₈; γ - твёрдый раствор на базе химического соединения меди и олова; ε - электронное соединение Cu₃Sn; η - химическое соединение Cu₆Sn₅. Наиболее высоким уровнем механических свойств обладает, так называемая, колокольная бронза - сплав меди с 18-22% олова, имеющая также достаточно низкие демпфирующие свойства (внутреннее трение). Литаяструктураобразцовколокольной бронзыприведена на рис. 2.В микроструктурепреобладаютдвеструктурныесоставляющие: однаизниходнородная темногоцвета–α-фаза -твёрдыйраствороловавмеди,имеющийдендритное строение; другая -эвтектоид,образованныйкристалламиδ-фазысветло-серогоцвета всмесисмелкими включениями α-фазы–занимаетпространство междуветвямидендритов.

Таким образом, при одновременном микролегировании расплава чугуна медью и оловом ввиду идентичного кинетического механизма их влияния на формирование структуры, на межфазной границе между пластинками феррита и цементита в перлитном зерне синтезируются сплавы - бронзы различного состава в зависимости от конкретного содержания и соотношения меди и олова. Для создания на межфазной границе в перлите чугуна сплава состава Cu-20%Sn необходимо обеспечить соотношение компонентов 4:1 соответственно, при этом предполагается, что по аналогии с наиболее высоким комплексом свойств отливок из колокольной бронзы может быть достигнуто повышение основных и специальных свойств отливок из чугуна.

	Рис. 2. Микроструктура сплава Cu-20%Sn
Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов системы «медь - 30% олово»

Обозначенный подход использования для микролегирования чугуна элементов с кинетическим механизмом влияния на формирование структуры является достаточно перспективным, так как позволяет при совместной микролегирующей обработке расплава чугуна, в частности, медью, оловом, сурьмой на межфазной границе феррита и цементита в перлите могут быть получены прослойки из многокомпонентных сплавов определённых составов в зависимости от соотношения входящих в них компонентов, позволяющих управлять основными и специальными свойствами чугунов.

Получение отливок деталей 2112-3501070 «Диск переднего тормоза». Химический анализ чугунов в отливках

Образцы для определения твёрдости по Бринеллю и анализа параметров микроструктуры изготавливались из рабочих поверхностей (поверхностей трения) отливки тормозного диска. Образцы для определения временного сопротивления изготавливались из ступицы отливки тормозного диска. СЧПГ в отливках детали 2112-3501070 «Диск переднего тормоза» получали на основе исходного (Gh190) или опытного (чугун для отливок «Вал коленчатый») базового химического состава чугуна путём увеличения в нём содержания меди и олова, микролегированием прутковой бескислородной медью и прутковым оловом с последующим ковшевым графитизирующим модифицированием материалом BarinokÒ (фр. 2-6 мм, ф. Элкем, Норвегия). Учитывая специфику и особенности рассмотренных марок чугуна, в качестве опытных вариантов предполагается использовать комбинированные химические составы чугунов с использованием преимуществ базовых составов.

На первом этапе работ опытные партии отливок тормозных дисков 2112-3501070 в количестве от 3-х до 6 шт. в каждой изготавливались из чугунов на основе базового химического состава для марки Gh190 с повышенным содержанием меди и/или олова (таблица 1).

Таблица 1. Ковшевой химический состав опытных вариантов чугунов на основе марки Gh190.

Для анализа микроструктуры и определения механических свойств с каждой опытной партии предоставлялось по 1 отливке. После наполнения заливочного ковша расплавом чугуна из раздаточной печи на 1/4-1/3 объема (250-300 кг) без прерывания струи способом «под струю единой порцией» вводилась навеска графитизирующего модификатора Barinok®. Доводка расплава чугуна по химическому составу производилась в заливочном ковше (на ковш металлоёмкостью 1100 кг).

На втором этапе работ опытные партии отливок тормозных дисков 2112-3501070 в количестве по 12 шт. в каждой изготавливались из высокоуглеродистого низкокремнистого чугуна на основе базового химического состава для изготовления отливок деталей «Вал коленчатый» с повышенным содержанием меди и/или олова (таблица 2). Для анализа микроструктуры и определения механических свойств с каждой опытной партии предоставлялось по 1 отливке. После наполнения заливочного ковша расплавом чугуна из раздаточной печи на 1/4-1/3 объема (250-300 кг) без прерывания струи способом «под струю единой порцией» вводилась навеска графитизирующего модификатора Barinok®. Доводка расплава чугуна по химическому составу производилась в заливочном ковше (на ковш металлоёмкостью 1100 кг).

Таблица 2. Требуемый ковшевой химический состав опытных вариантов чугунов на основе базового чугуна для коленчатых валов.

Результаты исследований

1. Для повышения специальных свойств чугуна за счёт использования особенностей их совместного влияния на структуру чугуна рекомендованы такие элементы как углерод, кремний, олово и медь.
2. Отлиты опытные партии отливок 2112-3501070 «Диск переднего тормоза». На первом этапе опытных работ были изготовлены 4 опытных варианта из базового химического серого чугуна марки Gh190 с его комбинированным микролегированием оловом и медью. На втором этапе опытных работ были изготовлены также 4 опытных варианта из чугуна с повышенным содержанием углерода и пониженным содержанием кремния по сравнению с базовой маркой Gh190, комбинированно микролегированного оловом и медью. Из всех опытных вариантов тормозных дисков изготавливались образцы для анализа микроструктуры и определения механических свойств.
3. По результатам проведения первого этапа работ установлено, что микроструктура материала отливок полностью соответствует требованиям ТУ 4541-061-00219454-2002 к СЧПГ для тормозных дисков. Показано, что медь и олово по отдельности и в совокупности оказывают ферритоподавляющее, перлитизирующее действие на металлическую матрицу чугуна. Прочностные свойства материала отливок полностью соответствуют требованиям ТУ 4541-061-00219454-2002. Показано, что по фактически полученным прочностным свойствам чугун №1.1 в отливке соответствует марке СЧ25, а чугуны №№2.1-4.1 - марке СЧ30 (по ГОСТ 1412-85). Временное сопротивление чугунов №2.1-4.1 в отливках на 11-22%, выше, чугуна Gh190. Следует отметить преимущественное влияние на повышение прочности чугуна микролегирование его медью, в меньшей степени - оловом и в наименьшей степени - совместное микролегирование медью и оловом. Твёрдость по Бринеллю материала отливок полностью соответствует требованиям ТУ 4541-061-00219454-2002. Показано, что в большей степени на повышение твёрдости чугуна влияет его микролегирование оловом, чем медью, однако совместное микролегирование чугуна медью и оловом позволяет получить более высокие значения твёрдости, чем при его микролегировании медью или оловом в отдельности.
4. По результатам стендовых натурных испытаний тормозных дисков, изготовленных на первом этапе опытных работ, установлено, что склонность к образованию усталостных трещин тормозных дисков из базового чугуна Gh190 не соответствует требованиям методики испытаний (из-за двух трещин по 10,5 мм на одном из тормозных дисков). Усталостная прочность тормозных дисков из чугуна Gh190 с содержанием олова 0,11% (чугун 3.1) не соответствует требованиям методики испытаний (из-за двух трещин 15,5 и 12 мм – по одной на каждом из тормозных дисков). Усталостная прочность тормозных дисков из чугуна Gh190 с содержанием меди 0,57% (чугун 2.1) и с содержанием меди 0,47% и олова 0,11% (чугун 4.1) соответствует требованиям методики испытаний. С учётом дополнительных испытаний наилучшую усталостную прочность показали тормозные диски из чугуна Gh190 с содержанием меди 0,47% и олова 0,11% (чугун 4.1). Обобщенные значения коэффициента трения колодок ТИИР-240 со всеми вариантами опытных тормозных дисков практически одинаковы и в среднем на 10% выше, чем с тормозным диском из базового чугуна Gh190. По влиянию на износ колодок небольшое преимущество показали тормозные диски из чугуна Gh190 с содержанием меди 0,47% и олова 0,11% (чугун 4.1). Все три опытных варианта тормозных дисков показали практически одинаковый износ и при этом показали небольшое преимущество перед тормозными дисками из базового чугуна Gh190.
5. По результатам проведения второго этапа работ установлено, что по фактически полученным прочностным свойствам материалы №№2.2 и 3.2 фактически соответствуют марке СЧ10 (по ГОСТ 1412-85) - самой низкой из регламентируемых марок СЧПГ. Следует отметить недостаточное влияние на упрочнение металлической основы чугуна его микролегирования по отдельности медью и оловом. Получение марки СЧПГ - СЧ15 (по ГОСТ 1412-85) обеспечивается только при его совместном микролегировании медью и оловом. Твёрдость по Бринеллю, также как и временное сопротивление, соответствует требованиям к СЧПГ марки СЧ15 только материала отливок тормозных дисков №4.2. Несмотря на практически перлитную металлическую основу чугуна, его низкая твёрдость обусловлена как недостаточным упрочнением металлической основы чугуна при его микролегировании по отдельности медью и оловом, так и её интенсивным продавливанием из-за облегчения деформации сжатия при увеличении количества и размера графитных пластин, играющих роль пустот. Характерная микроструктура чугуна в опытных отливках деталей 2112-3501070 «Диск переднего тормоза» показана на рис. 3, 4.
6. По результатам стендовых натурных испытаний тормозных дисков, изготовленных на втором этапе опытных работ, установлено, что после полного объёма испытания, предусмотренного методикой (300 торможений), состояние серийного (из чугуна Gh190) и опытного (из чугуна 4.2) дисков было удовлетворительным, а различия между ними – минимальными, что затрудняло вывод о превосходстве какого-либо варианта чугуна по трещиностойкости. Для получения более контрастных результатов, на основании которых можно было бы сделать однозначный и уверенный вывод, по одному опытному и серийному диску было подвергнуто дополнительному испытанию в объёме 300 торможений, то есть данные диски прошли удвоенный объем испытаний (600 торможений). Коэффициент трения колодок с фрикционным материалом шифра ТИИР-240 с опытным тормозным диском из чугуна №4.2 при испытаниях с начальной температуры 100?С в среднем на 6% ниже, чем с серийным тормозным диском из чугуна Gh190. В остальных испытаниях коэффициент трения с опытным диском равен или превышает (до 13%) коэффициент трения с серийным диском. По влиянию на износ колодок небольшое преимущество (12%) показали серийные диски. По величине износа дисков небольшое преимущество (9-16%) показали опытные диски. Различия в результатах износно-фрикцонных испытаний опытного и серийного дисков не превышают допустимую величину разброса 20% для колодок одного шифра, вследствие чего полученные результаты являются предварительными. Для более точной сравнительной оценки износно-фрикционных свойств дисков необходимо проведение испытаний нескольких партий дисков обоих вариантов. Термоусталостная прочность опытных дисков соответствует требованиям методики испытаний и в целом выше, чем для серийных дисков (с более чем двукратным запасом).

Заключение

По результатам проведённых исследований разработаны 2 состава чугуна для изготовления отливок деталей «Диск переднего тормоза» с повышенным содержанием меди и олова:

• на основе базового химсостава для марки Gh190 (№4.1, табл. 1);
• на основе базового химсостава для изготовления отливок деталей «Вал коленчатый» (№4.2, табл. 2);

В работе показано, что по сравнению с базовым чугуном Gh190 чугун 4.1 обладает как повышенной износостойкостью, так и трещиностойкостью, а чугун 4.2 - существенно более высокой трещиностойкостью (с более чем двукратным запасом). Чугун 4.2 классифицируется как специальный высокоуглеродистый низкокремнистый серый перлитный чугун с повышенными теплофизическими свойствами. При этом для двух отливок - «Диск переднего тормоза» и «Вал коленчатый» печной химический состав чугуна в условиях чугунолитейного производства ОАО «АВТОВАЗ» является одинаковым и унифицированным.

В целом по результатам комплексных стендовых испытаний опытные диски из чугуна №4.2 показали ощутимое преимущество по трещиностойкости перед серийными дисками из чугуна Gh190. Полученные в ходе выполнения работы результаты испытаний и исследований планируются к использованию при подготовке производства для локализации изготовления в ЧЛП МтП ОАО «АВТОВАЗ» отливок «Диск переднего тормоза».