Износостойкость чугунных тормозных дисков с оптимизированным углеродным эквивалентом

Наиболее эффективным направлением улучшения комплекса эксплуатационных свойств тормозных дисков, изготовляемых из серого чугуна, является последовательное проведение следующих мероприятий [1]:

1. Оптимизация содержания серы в чугуне для получения в структуре равномерно распределенных гетерогенных включений (трибофаз) сульфида марганца, обладающих при относительной тугоплавкости (1620°С) достаточно высокой пластичностью и вязкостью.
2. Оптимизация соотношения углерода и кремния в углеродном эквиваленте (степени эвтектичности) чугуна.

При реализации 1-го направления, повышение концентрации серы в сером перлитном чугуне Gh190 (СЧ26) до 0,12% при постоянном содержании марганца позволило повысить износостойкость тормозных дисков до 35%, снизить износ контртела (тормозных колодок) до 12% и уменьшить прирост разнотолщинности, непосредственно влияющей на отрицательный эксплуатационный эффект «вибрация при торможении», на 35% [2].

Механизм повышения износостойкости чугуна для тормозных дисков за счет введения серы до оптимальной концентрации (0,12%) связан со смазывающим действием включений сульфида марганца (рисунок). Содержание серы в чугуне ограничивается 0,12% в связи с проявлением при дальнейшем ее увеличении охрупчивающего эффекта. При этом размеры включений сульфида марганца начинают превосходить толщину графитных пластин [2].

Снижение отрицательного эксплуатационного эффекта «вибрация при торможении» с одной стороны связано, как уже отмечалось выше, со снижением прироста разнотолщинности рабочих поверхностей тормозного диска, а с другой стороны - за счет улучшения вибропоглощающих свойств чугуна.

Чугун является материалом с резко выраженной гетерогенной структурой: металлическая матрица и графитные включения. При содержании в сером чугуне серы свыше 0,04-0,05% образующиеся сфероиды сульфида марганца являются добавочной структурной составляющей, усиливающей демпфирующие свойства чугуна.

Механизм повышения демпфирующей способности чугуна с дополнительными включениями заключается в протекании локальной пластической деформации во включениях мягкой пластичной фазы - сульфида марганца, а также на межфазной границе «сульфид марганца - перлит» [3].

Микроструктура чугуна Gh190 при содержании серы 0,12%, ´500 (включения сульфида марганца показаны стрелками)

Необходимость в реализации 2-го направления была обусловлена тем, что вентилируемые тормозные диски уступают по трещиностойкости невентилируемым сплошным тормозным дискам. Из-за наличия полостей между ребрами жесткости вентилируемые тормозные диски имеют улучшенное охлаждение, однако этот же фактор, как правило, вызывает возникновение и распространение сетки трещин на рабочих поверхностях диска при недостаточных теплофизических характеристиках материала.

При разработке чугуна для тормозных дисков одним из основных требований является достижение наименьшей склонности к образованию трещин. Известно, что свойства чугуна определяются содержанием углерода и кремния, а также углеродным эквивалентом [4]:

 (1).

Серый чугун с пластинчатым графитом, имея постоянный углеродный эквивалент, обладает улучшенными теплофизическими характеристиками (теплопроводностью, коэффициентом линейного расширения) при повышенном содержании свободного графита и низком содержании кремния [5]. Вместе с тем уменьшение содержания кремния в металлической матрице позволяет ослабить процесс графитизации чугуна при нагреве и рост содержания феррита.

В диапазонах содержания углерода от 3 до 4% и кремния от 1 до 3% [6], теплопроводность чугуна l, Вт(м×К), можно определить, с достаточной степенью точности, используя следующее уравнение регрессии:

 (2).

Таким образом, повысить трещиностойкость вентилируемых тормозных дисков можно за счет улучшения теплофизических свойств чугуна с увеличением содержания углерода и снижением содержания кремния при неизменном углеродном эквиваленте. По уравнению (2) можно прогнозировать, что теплопроводность чугуна с содержанием углерода и кремния 3,7% и 1%, соответственно, может быть повышена на 30% по сравнению с содержанием этих элементов в чугуне Gh190 (СЧ26), используемом для изготовления тормозных дисков на ОАО «АВТОВАЗ», - углерода 3,35% и кремния 2,17%.

Известно, что снижение углеродного эквивалента в сером чугуне предполагает переход на более высокие марки. В данном случае при неизменных условиях ведения процесса выплавки структура серого чугуна претерпевает качественные изменения. Повышение содержания металлической основы в сером чугуне при одной и той же скорости охлаждения вызывает появление таких структурных составляющих, как вторичный цементит и ледебурит. Было установлено, что уменьшение содержания кремния с 1,30-1,62 до 0,95% при относительно постоянном содержании углерода (3,30-3,39%) кардинально изменяет морфологию графитных включений. Если изначально в чугуне преобладали равномерно распределенные (тип А) графитные включения и присутствовали розеточные (тип В) с междендритными ненаправленными (тип D), то при недостатке кремния типы графита меняются местами - типы В и D преобладают, а тип А - присутствует.

Таким образом, при проведении опытных работ было установлено, что на практике содержание кремния в отливке не должно быть ниже 1,3% во избежание появления в структуре чугуна структурно-свободного цементита (отбела). После проведения комплекса исследований на стандартных образцах Æ30´220 мм была подготовлена и реализована программа работ по отработке технологии выплавки и оптимизации углеродного эквивалента серого чугуна перлитного класса Gh190 для вентилируемых тормозных дисков.

Диапазон содержания химических элементов в отливках тормозных дисков из чугуна Gh190 (СЧ26): 3,25-3,5% С; 1,8-2,2% Si; 0,5-0,7% Mn; £ 0,1% P; 0,09-0,13% S; 0,1-0,2% Cr; 0,1-0,3% Ni; 0,2-0,5% Cu (Cu + Ni£ 0,60%).

Чугун для изготовления тормозных дисков выплавляли в индукционной среднечастотной печи. Заливка тормозных дисков производится на автоматической линии DISA с модифицированием чугуна на струю модификатором SuperseedExtra (ф. Elkem, Норвегия) фракции 0,2-0,7 мм в количестве 0,15% от металлоемкости формы. Температура выпуска расплава чугуна из печи - 1510-1530°С. Температура заливки чугуна в формы - 1400-1440°С. Шихта состояла из литейного чугуна; лома стального марок 1А, 2А, 8А-10А; возврата от нирезиста ЧП16Д7ГХШ; меди катодной, медных отходов, меди без полуды и пайки марок Мок, М1к, М2к, Моок, М1; феррохрома марок ФХ800А, Б; ФХ850А, Б; FeCr70C70Si2 или его заменителя - FeCr60C70Si2; ферромарганца марки ФМн70 или его заменителей - ФМн78, ФМн88; ферросеры ФСу30 или ее заменителей ФСу25, ФСу35; олова марки 01 и графита искусственного измельченного марки ГИИ-А. Все шихтовые материалы, кроме олова и ферросеры, давали в завалку. Ферросеру вводили в жидкий металл за 10-12 минут до выпуска чугуна, а олово - за 2-3 минуты до выпуска. Разливка чугуна велась в песчано-глинистые формы.

Целью исследований являлось изменение содержания углерода и кремния в химическом составе чугуна при неизменном углеродном эквиваленте С_Э = %С + %Si/3, без изменения содержания других элементов и процесса модифицирования. Предполагаемый оптимальный с точки зрения теплофизических характеристик химический состав чугуна должен быть следующим: 3,5-3,7% С; 1,2-1,4% Si; 0,5-0,7% Mn; £ 0,1% P; 0,09-0,13% S; 0,1-0,2% Cr; 0,1-0,3% Ni; 0,2-0,5% Cu (Cu + Ni£ 0,60%).

Фактические параметры чугуна в отливках тормозных дисков были следующими:

1. Химсостав: 3,59% С; 1,46% Si; 0,64% Mn; 0,034% P; 0,134% S; 0,12% Cr; 0,13% Ni; 0,53% Cu.
2. Твердость по Бринеллю: НВ 202-207.
3. Временное сопротивление на разрыв: s_в =286-330 МПа.

Согласно прогнозу по уравнению (2) опытные тормозные диски имеют теплопроводность на 20% больше, чем серийные.

Методика испытаний. Испытания по определению фрикционных характеристик колодок проведены в натурном узле переднего дискового тормоза модели ВАЗ-2112. Момент инерции маховых масс стенда 43,8 кг·м² , что соответствует полной массе автомобиля ВАЗ-2111 - 1580 кг (при радиусе колеса R_к = 0,281 м). На испытаниях «Fade» скорость охлаждающего воздушного потока 3,2 м/с.

При испытании на износостойкость момент инерции маховых масс стенда - 43,8 кг·м².

При испытании на трещиностойкость момент инерции маховых масс стенда 34,2 кг·м², что соответствует частичной массе автомобиля ВАЗ-2111 - 1155 кг (при радиусе колеса R_к = 0,281 м); скорость автомобиля: начальная – 162 км/ч, конечная – 81 км/ч; температура тормозного диска начальная – 100°С; среднее замедление при торможении – 7,8 м/с²; количество торможений – 300.

После приработки колодок и после завершения испытаний производился замер осевого биения поверхностей трения диска (на расстоянии 8 мм от внешнего края), замер толщины тормозных колодок и диска (для расчета износа) а также осмотр поверхностей трения диска на наличие трещин.

При фрикционных испытаниях с серийным и опытным тормозными дисками было испытано по два комплекта тормозных колодок с фрикционным материалом шифра ТИИР-240 (фирма «ТИИР», г. Ярославль), отобранных из одной партии. По результатам проведенных испытаний фрикционные характеристики тормозных колодок в паре как с серийным, так и с опытным тормозными дисками, не имеют систематических различий. Разброс характеристик носит случайный, а не закономерный характер. Средний износ тормозных колодок в паре с опытным тормозным диском (0,98 мм) ~ на 10% меньше, чем с серийным (1,08 мм). Средний износ опытного и серийного тормозных дисков различаются незначительно - различие не превышает погрешность измерения.

Объем длительных износных испытаний - два серийных и два опытных тормозных диска; с каждым тормозным диском испытывался отдельный комплект тормозных колодок. На протяжении всех испытаний систематические различия в уровне коэффициента трения, связанные с влиянием вариантов тормозных дисков, отсутствуют. Результаты сравнительного анализа износа тормозных колодок в зависимости от температуры в паре с двумя вариантами тормозных дисков показали, что износ тормозных колодок с опытным тормозным диском за все испытание в среднем на 7,3% меньше, чем с серийным тормозным диском, причем в зависимости от температуры эффект колебался от 0,4 до 11%.

При испытании на износостойкость серийного и опытного тормозных дисков замерялся только их общий износ (за весь цикл испытаний), при этом износ опытного тормозного диска (0,068 мм) получился на 11,4% меньше, чем серийного (0,077 мм). В процессе проведения испытаний производился контроль изменения разнотолщинности тормозных дисков на протяжении всего цикла. В целом разнотолщинность обоих тормозных дисков от начала до конца испытаний оставалась практически без изменений - различие не превышает погрешность измерения.

Также были проведены усталостные испытания серийных и опытных тормозных дисков по определению биения и растрескиваемости. Полученные результаты показали, что при удовлетворительной величине термического коробления по итогам испытаний на всех дисках не было обнаружено трещин, длина которых превышала бы 10 мм, а также не было обнаружено сквозных трещин.

Сравнительный анализ износа тормозных дисков (серийных и опытных) и колодок после проведения всего объема усталостных испытаний (усредненные значения по двум дискам) приведен в таблице.

Сравнительный износ элементов триботехнической пары «тормозной диск-колодка»

Анализ результатов проведённых испытаний показал, что опытные тормозные диски обладают преимуществом перед серийными по износостойкости, износу работающих с ними в паре тормозных колодок и стойкости к усталостному растрескиванию, а по остальным показателям находятся на уровне серийных дисков.

Оптимизация углеродного эквивалента чугуна заключается в правильном балансе содержания углерода и кремния. Доказано, что при увеличении содержания углерода и снижения содержания кремния повышается прочность и теплопроводность, а в результате этого и трещиностойкость чугуна без ухудшения остальных его характеристик и показателей. Механизм данного явления объясняется обеднением по кремнию силикоферрита перлита при одновременном увеличении содержания свободного графита, что благотворно влияет как на теплофизические (за счет высокой теплопроводности графита и феррита с низким содержанием кремния), так и на износно-фрикционные свойства чугуна (за счет пониженной хрупкости феррита с низким содержанием кремния и повышенного содержания свободного графита, являющегося твердой смазкой).

Выводы:

1. По результатам проведенных испытаний фрикционные характеристики колодок при работе как с серийными, так и с опытными тормозными дисками идентичны.
2. На всех испытаниях опытные диски показали меньший износ, чем серийные. В зависимости от условий испытаний преимущество составляло 10% и более. Износ колодок с опытными дисками также меньше, чем с серийными. В зависимости от условий испытаний преимущество составляло от 2,6 до 28%.
3. По степени растрескивания и величине термического коробления все тормозные диски с запасом соответствуют нормативным требованиям.
4. опытные тормозные диски показали более высокую стойкость к растрескиванию, чем серийные, и оцениваются более предпочтительно.

Список литературы

1. Болдырев Д. А. Эффективные методы повышения износостойкости деталей из серого чугуна, работающих в условиях сухого абразивного трения и теплосмен // XVI Петербургские чтения по прочности, посвященные 75-летию со дня рождения В. А. Лихачева: Сборник тезисов. - Санкт-Петербург, 2006. С. 62
2. Болдырев Д. А. Повышение работоспособности и ресурса пары трения «тормозной диск - колодка»: Автореферат на соискание ученой степени канд. техн. наук. - Тольятти, 2004. - 26 с.
3. Метод внутреннего трения в металловедческих исследованиях / Под ред. М. С. Блантера и Ю. В. Пигузова. - М.: Металлургия, 1991. - 248 с.
4. Чугун / Под ред. канд. тех. наук А. Д. Шермана и докт. тех. наук. А. А. Жукова. М.: Металлургия, 1991. - 576 с.
5. Bungardt K., Spyra W. Wärmeleitfähigkeit von legierten und unlegierten Stählen und Legierunden bei Temperaturen zwischen 20 und 700°C. Arch. Eisenhüttenwesen 26. 1971
6. Severin D., Franke U., Lampic M. Steigerung der Lebensdauer von Bremsscheiben // ATZ. 2002. №11. S. 1016-1023.