Д.А. Болдырев, М.М. Криштал, В.И. Полунин, Н.Б. Цалина ( ОАО «АВТОВАЗ» )
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 шести аналогов разных производителей, применяемых для различных автомобилей того же класса, что и автомобили ОАО «АВТОВАЗ». В работе оценивалось влияние состава и структуры материала тормозных дисков на его износостойкость, а также влияние материала колодок на износ тормозных дисков. Химический состав и характерные особенности исследуемых чугунов приведены в таблицах 1−3.
Таблица 1. Результаты химического анализа исследуемых чугунов.
Таблица 2. Механические характеристики исследуемых чугунов.
Таблица 3. Особенности микроструктуры исследуемых чугунов
Необходимо отметить следующее:
1. Основное отличие материалов аналогов по сравнению с материалом Gh190 сводится к тому, что они содержат в 3,0…5,5 раз больше серы (до 0,120% – табл. 1), что соответствует наличию в структуре чугунов сульфидов MnS глобулярной формы (рис. 2а) от 0,174 до 0,327%. В структуре чугуна Gh190 сульфидов практически нет (табл. 3). По остальным элементам существенных отличий не наблюдается, кроме чугуна 2, для которого следует отметить повышенное (до уровня легирующих элементов) содержание молибдена − 0,256%.
2. В структуре материалов аналогов присутствует феррит (кроме чугуна 6) (рис. 2б), количество которого составляет − от 2…6% (чугун 3) и 6…20% (чугуны 2, 4 и 5) (табл. 3). Исследованные образцы чугуна Gh190 имели чисто перлитную структуру.
3. Имеются отличия по типу графита (табл. 3, рис. 3). Для микроструктуры чугунов 1, 3 и 4 характерен графит типа ПГр1 (равномерное распределение графита). В исследованных образцах чугуна Gh190 и чугунов 2, 5 и 6 преобладает графит типа ПГр1, однако также имеется графит типов ПГр7 (розеточное распределение графита) и ПГр8 (междендритное распределение графита − без преимущественного направления). В чугуне 5 также выявлен графит типа ПГр9 (междендритное распределение графита − с преимущественным направлением).
4. Исследованные материалы аналогов по сравнению с чугуном Gh190 имеют существенно меньшую прочность на разрыв (табл. 2), что может быть обусловлено повышенным содержанием серы, оказывающей охрупчивающее воздействие. Причём по величине временного сопротивления σВ чугуны 1 и 3 соответствуют марке чугуна СЧ15 (по ГОСТ 1412-85, σВ ≥155 МПа), а чугуны 2 и 4 − марке СЧ25 (по ГОСТ 1412-85, σВ ≥250 МПа).
5. Средняя твёрдость по Бринелю чугунов 1, 3, 4, 5 и 6 ниже, а твёрдость чугуна 2 находится примерно на том же уровне, что и у чугуна Gh190 (табл. 2).
Для сравнения исследуемых чугунов по износостойкости проводились триботехнические испытания чугунных образцов с девятью материалами тормозных колодок разных производителей (табл. 4). Материал тормозной колодки представляет собой композит, состоящий из фракций различной степени дисперсности и химического состава. Из исследуемых материалов наиболее грубой структурой обладает колодка I, а наименее − колодка А.
Таблица 4. Результаты химического анализа материала тормозных колодок.
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» (рис. 1). 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%). В конце испытания определялся коэффициент трения.
рительной вероятности 80%). В конце испытания определялся коэффициент трения. Результаты весового износа чугунов (средняя оценка по результатам испытаний с девятью типами материалов тормозных накладок) и изнашивающей способности фрикционных материалов (средняя оценка по результатам испытаний с восемью типами чугунов) приведены на рис. 4, 5.
По результатам испытаний на износостойкость необходимо отметить следующее:
1. Чугун 6 обладает наилучшими триботехническими свойствами: его износ, усреднённый по всем типам колодок, в 1,8 раза меньше, чем у чугуна Gh190 (рис. 4). В целом материалы-аналоги обладают большей износостойкостью, чем чугун Gh190.
2. Материал колодки A изнашивает исследованные варианты чугунов в несколько раз интенсивнее, чем материал колодки I (рис. 5). Это обусловлено крупным размером структурных составляющих материала A, а также заниженным содержанием вводимых для повышения антифрикционных свойств свободного углерода и меди в составе компонентов материала тормозной накладки.
3. Коэффициент трения пары также практически не отличается для разных вариантов и находится в пределах 0,32…0,53 для всех исследованных комбинаций чугунов и материалов тормозных колодок.
Рис. 1. Схема проведения испытаний.
По результатам триботехнических испытаний получена регрессионная зависимость весового износа чугуна от содержания MnS (%мас) при работе в паре с материалом колодки. Так, в исследованном диапазоне для средних значений весового износа чугунов имеется высокая корреляция (R=0,96) уровня износостойкости с содержанием сульфидов: в исследованном диапазоне концентраций S и Mn с повышением массовой доли сульфидов растёт износостойкость чугунов (рис. 6).
То есть, наличие сульфида марганца в структуре серого чугуна приводит к повышению его износостойкости при работе в условиях пары трения «тормозной диск − колодка». Хотя, следует отметить, что этот эффект несколько подавляется снижением твёрдости при повышении содержания феррита (табл. 3, рис. 6).
Необходимо отметить, что добавки Mo и V в исследованном диапазоне не оказывают существенного влияния на износостойкость чугунов. При этом только для чугунов 2 и 3 содержание Mo находится на уровне легирующих элементов. В остальных случаях содержание Mo находится на уровне примесей, а содержание V находится на уровне примесей во всех случаях.
Таким образом, снижение износа тормозных дисков и улучшение эксплуатационных характеристик пары трения «тормозной диск−колодка» возможно за счёт:
− повышения уровня серы в составе чугуна до 0,120% с целью увеличения массовой доли сульфидов до 0,327% (при этом допустимо снижение прочности до уровня СЧ15 при сохранении твердости не ниже НВ190; повышение объёмной доли феррита более 6% недопустимо);
− оптимизации материала колодок (повышение дисперсности гранул наполнителя, увеличение количества медьсодержащих компонентов и свободного графита).
Рис. 2. Сульфиды (а) и феррит (б) в микроструктуре чугунов (×500).
Рис. 3. Типы графита ПГр1 (а), ПГр7 (б), ПГр8 и ПГр9 (в) в микроструктуре чугунов (×100)
Рис. 4. Весовой износ чугунных образцов в паре с образцами из тормозных колодок А−I (при доверительной вероятности 80%). Порядковые номера соответствуют номерам чугунов по табл. 1.
Рис. 5. Изнашивающая способность тормозных колодок A−I (при доверительной вероятности 80%). Порядковые номера соответствуют номерам чугунов по табл. 1.
Рис. 6. Зависимость весового износа чугунов ИВ от содержания MnS при испытаниях с материалами тормозных колодок (при доверительной вероятности 80%): ИВ=−6,6(%MnS)+4,4; коэффициент корреляции R=0,96.
Со статьей в формате PDF Вы можете ознакомиться Здесь
