Спосіб виготовлення чавунної гальмівної колодки

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано на железнодорожном транспорте для торможения подвижного состава железнодорожного транспорта. Известны способы изготовления чугунных тормозных колодок, отличающиеся между собой приемами формовки с используемыми чугунами, режимами термической обработки и др. (Патент Франции №2145607, кл. C21c11/0, №1775062, кл. C22c37/10, патент США №3767386, кл. C22c37/06, а.с. СССР №324278, кл. C 21o5/04, а.с. СССР 1275051, кл. C21 5/04). Сложности в изготовлении колодок и реализации многих предложенных способов обусловлены необходимостью изготовления объемного каркаса при использовании высокофосфористых чугунов (Патент США №3767386), проведения термической обработки (а.с. СССР №324278), строгого соблюдения химического состава чугуна по кремнию и углероду (а.с. СССР №1275051, патент Российской Федерации №2040361) и др. Недостатки этих способов изготовления тормозных колодок обусловили то, что в настоящее время наиболее распространенным способом изготовления чугунной тормозной колодки является изготовление колодки из серого чугуна, легированного фосфором, в основном, менее 0,7%, реже - 1,4% (фосфористые колодки). Этот способ изготовления является наиболее близким к заявляемому и он реализован при изготовлении колодок по ТУ32-ЦТВР-127 - 77 (прототип). Этот способ изготовления чугунных колодок включает в себя плавку чугуна (в основном в вагранке и реже в электропечах), изготовление песчаноглинистых форм с установленной спинкой-каркасом из листовой стали, заливку формы расплавом чугуна, выбивку отливок из форм при их температуре 750 - 500°C, обрубку и очистку. При плавке в вагранке, а также и в электропечах, содержание кремния и углерода в чугуне задается в таких количествах, что верхние и нижние пределы разнятся на 0,3 ... 0,5% и более. Рекомендации составов чугуна с меньшими различиями по содержанию этих элементов в большинстве случаев в производственных условиях не реализуемы. По этой причине для чугуна колодок, особенно при содержании фосфора менее 0,7%, характерен и существенный разброс по твердости, появление в структуре чугуна феррита (при верхнем уровне содержания кремния и углерода), снижение твердости до значений менее 197НВ, повышенный износ в условиях эксплуатации. Снижению твердости чугуна способствует и замедленная скорость охлаждения колодок в форме в районе температур эвтектоидного превращения (780 - 700°C) и прохождение второй стадии графитизации, образование феррита. Низкая износостойкость чугунных тормозных колодок, изготовленных этим способом, обуславливает их повышенный расход. Чугун тормозных колодок истирается в пыль на 75 80%. Количество чугуна тормозных колодок, истираемых в пыль на железных дорогах Украины, исчисляется десятками тысяч тонн, в Российской Федерации - сотни тысяч тонн. В основу изобретения поставлена задача создания способа изготовления чугунной тормозной колодки, в котором путем ускоренного охлаждения чугуна обеспечивается повышенная твердость и износостойкость колодки и за счет этого снижается расход колодок, значительно повышается экономия металла, энергетических и трудовы х ресурсов. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления чугунной тормозной колодки, содержащем плавку чугуна, изготовление формы, заливку расплава в форму, выбивку отливки согласно изобретению колодку выбивают из формы при ее температуре 950 - 800°C, охлаждают со скоростью более 1°C/с до температуры 650 - 500°C, далее замедленно охлаждают со скоростью не более 0,1°C/с до температуры 500 - 450°C или выдерживают притемпературе500 - 450°C 0,5 - 2ч с последующим охлаждением на воздухе. Ускоренное охлаждение чугуна от температуры 950 - 800°C до 650 - 500°C обеспечивает прохождение в чугуне эвтектоидного превращения без образования феррита (менее 2%), получение металлической основы со структурой высокодисперсного перлита повышенной твердости, а следовательно, в конечном итоге и более высокой твердости и износостойкости чугуна колодки. Замедленное охлаждение колодки от температуры 650 - 500°C до 500 - 450°C или выдержка при температуре 500 - 450°C не допускает формирования в отливке внутренних напряжений, могущих способствовать поломке колодок в период их эксплуатации. Пример осуществления. Чугун плавили в индукционной печи ИСТ-0,16. Формовали секционную тормозную колодку. Химический состав чугуна изменяли в пределах 1,0 - 1,5% по кремнию и 3,0 - 3,5% по углероду. Содержание марганца было в пределах 0,55 - 0,70%, фосфора - 0,2 - 0,4%. Плавку проводили порционно, т.е. после заливки части металла в формы в тигле проводилась подшихтовка для изменения химического состава чугуна, в основном, по кремнию для последующей разливки чугуна уже другого состава. При этом изменялся и состав чугуна по углероду, фосфору и марганцу. Из одного состава чугуна отливалось. две тормозные колодки, одна из которых выбивалась из формы при температуре 950 - 800°C, другая - при 700 500°C, т.е. при потемнении ее значительной части, как это проводится в соответствии с действующими технологиями, в том числе и способе-прототипе. Колодки, выбитые из формы при температуре чугуна колодки 950 - 800°C, охлаждались различным способом, целью которых было ускорить охлаждение, повысить твердость чугуна колодок. Скорость охлаждения колодки в форме определялась с помощью платинородий платиновой термопары, установленной в полость формы до заливки расплава и потенциометром, колодки, охлаждаемой после выбивки из формы по длительности остывания до потемнения колодки (~560°C) и соответствующему изменению температуры. Скорость охлаждения колодки в форме после кристаллизации чугуна до начала эвтектоидного превращения составляла ~0,3°C/с, при превращении в связи с выделением тепла она снижалась до 0,2 - 0,25°C/с. Скорость охлаждения колодки на воздухе (без обдува воздухом) составляла 0,9 - 1,1°C/с. Ускорение охлаждения проводили тремя путями: 1) направляемой струей воздуха от вентилятора; 2) обрызгиванием колодки водой; 3) погружением рабочей части колодки в воду и выдержкой до ее потемнения погруженной части. Скорость охлаждения колодки при обдуве составила 1,3 - 1,5°C/С. Испытывались те методы ускоренного охлаждения, которые могут быть реализованы в промышленных условиях при массовом производстве тормозных колодок. После прекращения охлаждения колодок в воде за счет внутреннего тепла и тепла превращения температура колодки повышалась после прекращения охлаждения в воде иногда до температур 600 - 650°C, однако условия эвтектоидного превращения в этих условиях, завершившиеся до достижения этих температур, обеспечивали получение сорбитной структуры металлической основы чугуна без образования феррита, что и обеспечивало повышенную твердость чугуна и, следовательно, и износостойкость. Колодки, ускоренно охлажденные обрызгиванием водой и в воду, после потемнения (~560°C) укладывались в нагретую до 500°C и выключенную лабораторную электропечь и охлаждались вместе с печью до ~400°C, дальнейшее охлаждение проводилось при открытой печи и на воздухе. В производственных условиях при массовом производстве тормозных колодок замедленное охлаждение может быть обеспечено путем укладки колодок в короба по 15 и более штук, что и обеспечит им замедленное охлаждение. Результаты замера твердости колодок: Разброс значений твердости для одного способа охлаждения обусловлен как изменением твердости чугуна в различных местах колодки, так и различным составом чугунов по кремнию и углероду. Способ охлаждения обрызгиванием (душированием) и в воде может обеспечить и более высокие значения твердости, однако оптимальными по многим параметрам {коэффициент трения, износостойкость и др.) являются значения близкие к 250НВ. Предложенный способ изготовления тормозных колодок обеспечивает более высокие значения твердости, а, следовательно, и износостойкости и долговечности их работы, что должно существенно сократить их потребление и производство, экономить материальные, энергетические и трудовые ресурсы.