СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ ФРИКЦИОННОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ТОРМОЗНОЙ КОЛОДКИ

Афонин Д.Г. (БГТУ, Брянск, РФ)

Анализ литературы последних лет показывает разногласие по вопросам рабочей температуры поверхности трения тормозной колодки для железнодорожного транспорта и необходимости присутствия структурно свободного цементита в металлической основе серого чугуна колодок. Оба вопроса являются весьма важными, поскольку определяют долговечность работы фрикционной пары "колодка - колесо" в целом и вообще целесообразность применения в качестве материала тормозной колодки серого чугуна.

Оценить тормозную эффективность и износостойкость чугунных тормозных колодок позволяют стендовые испытания. С этой целью было отобрано несколько колодок производства ОАО "Сантехлит" из СЧ и фосфористого СЧ. Испытания проводились во ВНИИЖТ по следующей методике: осевая нагрузка 14,65 тс; усилия нажатия на колодку 2 и 3 тс; диапазон начальных скоростей 50…180 км/ч; замер фрикционной температуры осуществлялся с помощью вмонтированных в тело колодок хромель-алюмелевых термопар.

Анализ полученных данных показывает следующее. При самых тяжелых условиях трения рабочая поверхность тормозной колодки не достигает температуры эвтектоидного превращения (до 5508 С), что указывает на невозможность образования каких-либо вторичных структурных составляющих в матрице чугуна. Выявлена следующая особенность. Коэффициент трения фосфористого чугуна на 30…40 % выше серого чугуна. Такая картина наиболее характерна при большем усилии нажатия на колодку. Отметим, что тормозные колодки, изготовленные из фосфористого чугуна, в сравнении с колодкой из серого чугуна в целом обладает меньшим тормозным путем и износом, что связано с достаточно высоким содержанием фосфора в чугуне (1,26 % Р). Однако недостатком серого фосфористого чугуна является его склонность к растрескиванию при быстром циклическом нагревании с последующим охлаждением вследствие присутствия массивных включений хрупкой и легкоплавкой фосфидной эвтектики.

Для определения возможных структурных изменений фрикционной поверхности и причин, их вызывающих, было отобрано несколько тормозных колодок, эксплуатировавшихся на различных локомотивах Северо-Кавказской железной дороги. Исследовался химический состав, внешний вид, микроструктура в разных по сечению местах, твердость по Бринеллю и микротвердость структурных составляющих изношенных колодок.

При первых же циклах торможения перлитная основа чугунной колодки, как более мягкая, начинает истираться, а массивные пластины твердого и хрупкого структурно-свободного цементита, трескаясь и измельчаясь, формируют по линии взаимодействия колодки с бандажом как бы слой микрорезцов, твердость которых порой превышает твердость бандажа в четыре раза. Вероятно таким же образом, но в значительно меньшей степени, действует и эвтектический цементит фосфидной эвтектики  типа ФЭ5. При последующих торможениях происходит микрорезание стального контртела с эффектом натяга его металла. Формируется новый термопластически деформированный слой с повышенной твердостью и износоустойчивостью. Геометрия фрикционной поверхности колодки изменяется и контактирование осуществляется не по всей площади круга катания, что вызывает увеличение температуры трения и поперечное растрескивание тела колодки. При наличии в колодке большого количества раковин достигается настолько большое удельное давление, что под воздействием высоких температур поверхностные слои претерпевают существенные превращения вплоть до образования мартенсита закалки, что крайне отрицательно сказывается на работоспособности фрикционной пары. Кроме того, в случае присутствия раковин может произойти откалывание кусков колодки. В этом случае колодка взаимодействует с бандажом порядка 20% своей номинальной рабочей поверхности и при новых циклах торможения на оставшуюся площадь перераспределяется все большая нагрузка с вытекающими отсюда негативными вышеописанными процессами. Таким образом, при наличии раковин в железнодорожной тормозной колодке нагрев тонких поверхностных слоев по-видимому может достигать температуры 750…9508 С и даже выше, при которой происходит аустенизация и оплавление фосфидной эвтектики, однако цементит, если он присутствует в матрице чугуна, лишь измельчается под воздействием динамической нагрузки, не оплавляясь по причине короткого по времени цикла торможения. При таких условиях формируется сложная дисперсная микроструктура, состоящая из троосто-перлита, мартенсита, цементита, а также различных химических соединений типа фосфатов и окислов.

На основании проведенного исследования можно утверждать, что серый чугун, как материал для тормозной колодки, удовлетворяет предъявляемым требованиям к этой детали, однако присутствие в чугуне тормозных колодок литейного брака в виде газовых и усадочных раковин, а также присутствие структурно-свободного или связанного в составе фосфидной эвтектики типа ФЭ5 цементита является недопустимым с точки зрения износостойкости и безопасности работы пары трения в целом. Кроме того, с нашей точки зрения улучшения эксплуатационных характеристик можно достигнуть применением экономного легирования.