Спеченный антифрикционный материал на основе алюминиевой бронзы

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к спеченным антифрикционным материалам, предназначенным для изготовления подшипников скольжения, работающих в условиях ограниченной смазки. Спеченный антифрикционный материал имеет следующий состав, вес. %: Аl 8,0-8,5, FеАl₃ 5,0-6,5, Сu - остальное. Материал имеет улучшенные триботехнические характеристики при сохранении или повышении его механических свойств. 1 табл.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к спеченным антифрикционным материалам на основе алюминиевой бронзы, которые предназначены для изготовления подшипников скольжения, работающих в условиях ограниченной смазки.

Известны спеченные изделия из алюминиевой бронзы [1-2]. В частности, следующего состава, ат.%: Al - 7,0-8,0%; Сu - Остальное [1] Недостатком этого материала являются невысокие механические свойства, обусловленные низкой температурой спекания и отсутствием упрочняющей фазы, а также невысокие антифрикционные свойства. Увеличение же температуры спекания с целью повышения прочности сплава данного состава приводит к усадке прессовок, которая нежелательна [3].

Известны проведенные исследования материала аналогичного состава с использованием лигатуры, содержащей один из металлов группы Fe, Ni, Mn, Zn и Mg. Однако механические свойства полученного материала оказались также недостаточно высокие [2].

Известный спеченный антифрикционный материал на основе меди [4], близкий по технологии получения и аналогичный по составу, вес.%: Al - 10,0-12,0 Fe - 6,0-8,0 Сu - Остальное, имеет невысокие механические свойства, прежде всего пластичность. Кроме того, технологический процесс его получения усложняется необходимым доуплотнением спеченных образцов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является спеченный антифрикционный материал на основе меди следующего состава, вес.% [6]: Al - 8,0-9,0 С - 1,5-2,0
Сu - Остальное
Этот материал может дополнительно содержать Fe или Fe₃P от 4,0 до 5,0 вес. %. Но недостаточно высокие триботехнические параметры данного материала требуют поиска новых возможностей их улучшения.

Решение вышеизложенной проблемы было положено в основу предлагаемого изобретения, суть которого состоит в создании антифрикционного материала на основе спеченной алюминиевой бронзы с улучшенными триботехническими характеристиками при сохранении или повышении его механических свойств. Поставленная задача решается тем, что антифрикционный материал на основе алюминиевой бронзы имеет следующий состав, вес.%:
Al - 8,0-8,5
Сu - Остальное,
где в качестве антифрикционной составляющей дополнительно содержатся частицы алюминида FeAl₃ в количестве 5,0-6,5 вес.%.

Выбор концентрации алюминия, соответствующей по диаграмме состояния [7] области существования α-твердого раствора на основе меди, обусловлен тем, что, с одной стороны, из экономических соображений целесообразно как можно больше ввести в состав порошковой смеси более дешевого компонента, снизив таким образом долю более дорогого порошка меди. С другой стороны, известно [8], что рост механических свойств двойных медноалюминиевых сплавов напрямую зависит от концентрации алюминия в данной области, то есть чем больше вводимого алюминия, тем выше механические свойства сплава. Но необходимо учитывать, что хотя предел растворимости алюминия в меди в твердом состоянии равен 9,4 вес.% [7], все же при таком содержании алюминия в спеченном сплаве наблюдается не однофазная, а практически гетерогенная двухфазная структура α+γ₂ [8]. Поэтому предельное содержание алюминия в спеченных бронзах с однофазной структурой не должно выходить за границы области концентраций, соответствующей 8,0-8,5 вес. % Al. Рост концентрации алюминия выше данного значения приводит к выделению по границам зерен хрупкой интерметаллидной фазы, которая снижает пластичность материала, меньшее же его значение снижает механические свойства. Кроме того, с повышением концентрации алюминия в смеси при спекании в интервале температур до 1000^oC наблюдается объемный рост прессовок [9] , что также нежелательно. Для подавления такого роста в работе [10] предлагалось спекание изделий проводить под нагрузкой, что существенно усложняет технологию и повышает цену конечного продукта. Исходя из вышесказанного, и был определен состав для матрицы из алюминиевой бронзы, в которой граничные значения концентрации алюминия соответствуют 8,0-8,5 вес. %.

Известно [11], что введение в сплав инертных добавок (карбиды, бориды и т. д. ) может повысить износостойкость материала и улучшить его антифрикционные свойства. По литературным данным [12-13], интерметаллидные частицы оптимального объемного содержания также повышают триботехнические свойства материала. Поскольку из соответствующих диаграмм состояний следует, что интерметаллид FeAl₃ является насыщенным по отношению к алюминию, а железо в меди в твердом состоянии не растворяется, можно ожидать, что частицы FeAl₃ также не будут растворяться в сплаве. Поэтому введение указанных частиц в сплав не должно сказываться на составе матрицы. С другой стороны, некоторое количество меди может растворяться в интерметаллиде FeAl₃ [14], что обеспечивает прочную связь его частиц с матрицей.

Полученные нами экспериментальные результаты показали, что существует оптимальное значение объемного содержания интерметаллидных частиц для данной матрицы, которое соответствует 9-12 об.%, поскольку именно это содержание алюминида железа обеспечивает наиболее эффективный вклад в повышение триботехнических свойств материала. Уменьшение объемной концентрации интерметаллидных частиц приводит к возрастанию коэффициента трения. При этом на поверхности трения материала с малым содержанием включений могут возникать задиры. При увеличении же доли второй фазы происходит снижение несущей способности материала, возможно, из-за уменьшения его пластичности (таблица).

По своим триботехническим параметрам предлагаемый спеченный материал не уступает прототипу и превосходит его по механической прочности при сохранении достаточной пластичности. Кроме того, он имеет более низкий коэффициент трения. Новый материал не требует дополнительной станочной обработки после спекания и имеет отклонение размеров спеченных изделий в пределах разумного допуска, что снижает трудоемкость изготовления деталей из него при серийном производстве.

Пример конкретного выполнения
Для получения спеченного антифрикционного материала на основе алюминиевой бронзы готовили смеси порошков: алюминия марки ПА-4, меди марки ПМС-1 и алюминидов железа, полученных помолом хрупкого высокопористого спеченного сплава стехиометрического состава FeAl₃, что соответствует соотношению компонентов: 41 вес.% Fe марки ПЖ-4, Al - остальное. Размер частиц используемых порошков не превышал 100 мкм.

Образцы из приготовленной порошковой смеси прессовались под давлением в пределах до 270 МПа и имели исходную пористость 15-20%. Затем они спекались в вакууме порядка 10^-1 Па в интервале температур, обеспечивающих получение высоких механических свойств. Механические испытания проводились на установке "Instron-1185". Триботехнические испытания по схеме "диск-колодка" проводились на машине трения СМТ-1. Контртелом служил диск из закаленной стали 45. Результаты испытаний приведены в таблице.

Источники информации
1. А.с. СССР 1346334 4B 22 F 1/00, 3/00, C 22 C 9/01, 1984г.

2. А.с. СССР 1514817 C 22 C 9/00, 9/01, 30/00, 1988 г.

3. Савицкий А.П., Емельянова М.А., Бурцев Н.Н. Объемные изменения прессовок Cu-Al при жидкофазном спекании //Порошковая металлургия, - 1982.-N 5.- С.31-37.

4. А.с. СССР 1640190 С 22 С 9/01, 1988г.

5. Анциферов В.Н., Шацов А.А., Платонова В.Б. Оптимизация состава порошковой алюминиевой бронзы //Заводская лаборатория, 1992.-58, N 8, с.31- 32.

6. Патент РФ N 2077784 С 22 С 9/01, 1994 г.- прототип.

7. Хансен М., Андерко К. Структура двойных сплавов. - М. Металлургиздат. - 1962. -Т.1.,- 608 с.

8. Алюминиево-никелевые бронзы. Под ред. Туши Е. - М. Металлургия.-1966. -71 с.

9. Савицкий А.П. Жидкофазное спекание систем с взаимодействующими компонентами. - Новосибирск, Наука. -1991.-183 с.

10. Мирошников В.Н., Федорченко И.М. Исследование влияния пористости на прочностные свойства металлокерамических бронз // Физико-химическая механика материалов. -1966.-N 1.-С.58-60.

11. Шведков Е. Л. Самосмазывающиеся антифрикционные материалы // Порошковая металлургия. -1983. -N 6.- С.37-51.

12. Карапетян Г.X., Акопов Н.Л. и др. Износостойкие порошковые материалы с интерметаллидным упрочнением. I. Беспористые материалы антифрикционного назначения // Порошковая металлургия.-1987.-N 4.- С. 75-79.

13. Карапетян Г.X., Акопов Н.Л. и др. Износостойкие порошковые материалы с интерметаллидным упрочнением. II. Износостойкие пористые материалы //Порошковая металлургия.-1987.-N 5.- С.85-88.

14. Диаграммы состояния систем на основе алюминия и магния. Справочник. - М.Наука. - 977. -227с.

Формула изобретения

Спеченный антифрикционный материал на основе алюминиевой бронзы, отличающийся тем, что он дополнительно содержит частицы интерметаллида FеAl₃, при следующем соотношении компонентов, вес.%:
Al - 8,0 - 8,5
FеAl₃ - 5,0 - 6,5
Cu - Остальное

РИСУНКИ

Рисунок 1