К вопросу об износостойкости серых перлитных чугунов
Статьи от автора: Болдырев Д.А.УДК 669.131.6
Для изготовления тормозных дисков в ОАО «АВТОВАЗ» используют серый перлитный чугун Gh190 (литьё ОАО «АЛНАС»), соответствующий по механическим свойствам и микроструктуре марке СЧ25 (по ГОСТ 1412-85). В импортных аналогах также используют серые чугуны перлитного класса, соответствующие отечественным маркам СЧ25 и СЧ15. Однако импортные материалы имеют ряд характерных отличий по химическому составу, структуре и свойствам от материала, используемого в ОАО «АВТОВАЗ». Ниже представлены результаты комплексного исследования материалов тормозных дисков Gh190 (литьё ОАО «АЛНАС») и его семи аналогов разных производителей, применяемых для различных автомобилей того же класса, что и автомобили ВАЗ. В работе оценивалось влияние химического состава и твёрдости материала тормозных дисков на его износостойкость.
Химический состав и характерные особенности и исследуемых чугунов приведены в таблицах 1, 2.
Таблица 1. Результаты химического анализа исследуемых чугунов.
|
Чугун
|
Результаты химического анализа
|
|||||||||||||
|
C
|
Si
|
Mn
|
P
|
S
|
Cr
|
Ni
|
Cu
|
Sn
|
Mo
|
V
|
Al
|
Ti
|
Fe
|
|
|
Gh 190
|
3,30
|
2,25
|
0,61
|
0,021
|
0,011
|
0,17
|
0,09
|
0,48
|
0,004
|
0,007
|
0,002
|
0,005
|
0,020
|
основа
|
|
1
|
3,38
|
2,28
|
0,61
|
0,043
|
0,072
|
0,13
|
0,07
|
0,16
|
0,038
|
0,013
|
0,003
|
0,006
|
0,031
|
основа
|
|
2
|
3,32
|
1,98
|
0,63
|
0,036
|
0,056
|
0,25
|
0,16
|
0,16
|
0,007
|
0,316
|
0,004
|
0,004
|
0,019
|
основа
|
|
3
|
3,31
|
2,02
|
0,69
|
0,048
|
0,067
|
0,09
|
0,10
|
0,16
|
0,027
|
0,054
|
0,014
|
0,004
|
0,029
|
основа
|
|
4
|
3,22
|
2,08
|
0,71
|
0,041
|
0,041
|
0,11
|
0,07
|
0,08
|
0,009
|
0,018
|
0,012
|
0,005
|
0,021
|
основа
|
|
5
|
3,29
|
2,18
|
0,57
|
0,083
|
0,069
|
0,06
|
0,03
|
0,06
|
0,010
|
0,006
|
0,010
|
0,006
|
0,018
|
основа
|
|
6
|
3,39
|
2,02
|
0,73
|
0,032
|
0,080
|
0,16
|
0,05
|
0,16
|
0,060
|
0,019
|
0,010
|
0,011
|
0,021
|
основа
|
|
7
|
3,45
|
2,07
|
0,83
|
0,074
|
0,021
|
0,27
|
0,10
|
0,26
|
0,020
|
0,022
|
0,020
|
0,006
|
0,027
|
основа
|
Таблица 2. Характеристики исследуемых чугунов.
|
Параметр
|
Чугун
|
|||||||
|
Gh 190
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
|
|
Тип графита
|
А, (В и D)
|
А
|
А, (В и D)
|
А
|
А
|
А, (В и Е)
|
А, (В)
|
А, (В и D)
|
|
Феррит, %об
|
-
|
следы
|
<=10
|
<=5
|
<=10
|
<=15
|
-
|
<=8
|
|
НВ±4%
(число замеров)
|
225±9 (60)
|
207±8 (48)
|
221±9 (48)
|
195±8 (48)
|
204±8 (48)
|
179±7
(8)
|
206±8
(8)
|
208±8
(8)
|
|
Весовой износ, мг (при доверительной вероятности 80%)*
|
9,55±1,55
|
4,92±1,09
|
6,21±1,03
|
5,56±1,42
|
7,69±1,36
|
7,08±1,50
|
6,87±1,15
|
4,08±0,67
|
|
*) Величина износа определялась как средняя при испытаниях с тремя типами колодок (см. ниже).
|
||||||||
Для сравнения исследуемых чугунов по износостойкости проводились триботехнические испытания чугунных образцов с тремя материалами тормозных колодок - А, В и С. Материал тормозной колодки представляет собой композит, состоящий из фракций различной степени дисперсности и химического состава.
Триботехнические испытания образцов из материалов исследуемой пары трения (не менее 6 испытаний на каждый вариант) проводили на универсальной машине для испытаний на трение и износ по схеме «ролик - пластина». Из материалов тормозных колодок были изготовлены образцы в виде пластин, а из чугунов - образцы в виде роликов. Режим испытаний: нормальная нагрузка – 36 Н, линейная скорость – 6,23 м/с, время проведения одного испытания - 10 минут. Износ образцов из материалов пары трения определялся весовым способом (средняя величина износа определялась при доверительной вероятности 80%). Средняя износостойкость материала дисков принималась как усреднённая величина для различных типов колодок
По результатам триботехнических испытаний получена регрессионная зависимость (коэффициент корреляции R=1) средних значений весового износа чугуна (таблица 3) в паре с материалом колодки от его химического состава и твёрдости по Бринелю:
I=33,47-0,023HB-7,41(%C)+28,14(%Si)-69,88(%Mn)-9,21(%P)-87,62(%S)+11,86(%Cr)+
+384,97(%Ni)-37,63(%Cu)+424,78(%Sn)-112,31(%Mo)+569,90(%V)-564,99(%Al)-1581,03(%Ti)
Таблица 3. Экспериментальные и расчётные данные по износу чугунов.
|
Чугун
|
Весовой износ, мг
|
|||
|
Эксперимент
|
Расчёт
|
|||
|
IСР±DI
|
Интервал
|
IСР±DI
|
Интервал
|
|
|
Gh190
|
9,55±1,55
|
8,00…11,10
|
9,58±0,21
|
9,37…9,79
|
|
1
|
4,92±1,09
|
3,83…6,01
|
4,95±0,18
|
4,77…5,13
|
|
2
|
6,21±1,03
|
5,18…7,24
|
6,24±0,21
|
6,03…6,45
|
|
3
|
5,56±1,42
|
4,14…6,98
|
5,59±0,19
|
5,40…5,78
|
|
4
|
7,69±1,36
|
6,33…9,05
|
7,72±0,18
|
7,54…7,90
|
|
5
|
7,08±1,50
|
5,58…8,58
|
7,10±0,17
|
6,93…7,27
|
|
6
|
6,87±1,15
|
5,72…8,02
|
6,90±0,19
|
6,71…7,09
|
|
7
|
4,08±0,67
|
3,41…4,75
|
4,11±0,18
|
3,93…4,29
|
Таким образом, повышение в исследуемых пределах твёрдости чугуна позволяет снизить его износ, что обуславливает знак «-» перед значением НВ. Влияние остальных химических элементов на уровень износостойкости чугуна представлено в таблице 4.
Таблица 4. Влияние химических элементов на износостойкости чугунов.
|
Химический элемент
|
Содержание элемента в чугуне, %мас
|
Влияние элемента на износостойкость
|
|
C
|
<=3,45
|
+
|
|
Si
|
<=2,28
|
-
|
|
Mn
|
<=0,83
|
+
|
|
P
|
<=0,083
|
+
|
|
S
|
<=0,080
|
+
|
|
Cr
|
<=0,27
|
-
|
|
Ni
|
<=0,16
|
-
|
|
Cu
|
<=0,48
|
+
|
|
Sn
|
<=0,060
|
-
|
|
Mo
|
<=0,316
|
+
|
|
V
|
<=0,020
|
-
|
|
Al
|
<=0,011
|
+
|
|
Ti
|
<=0,031
|
+
|
Таким образом, снижение износа тормозных дисков и улучшение их эксплуатационных характеристик возможно за счёт:
- повышения твёрдости чугуна (не более 240НВ во избежание появления отбела);
- повышения содержания в составе чугуна таких химических элементов как С, Mn, P, S, Cu, Mo, Al и Ti и снижения Si, Cr, Ni, Sn и Vв пределах, указанных в таблице 4.