Антифрикционный материал романит-н, способ его получения и элемент узла трения

 

Изобретение относится к антифрикционным материалам, получаемым порошковой металлургией, применяющимся в элементах узлов трения машин, механизмов, оборудования и в токосъемных элементах. Предложен антифрикционный материал, содержащий, мас.%: феррофосфор - 0,5-5,4; железо - 10,91-26,25; графит - 0,16-5,16; гранулы - 2,0-24,0; медь - остальное. Материал выполнен в виде спеченных порошков с локализованными включениями гранул. Гранулы имеют размер 0,4-1,6 мм и содержат меди 37,0-60,0 мас.%; графит - остальное. Материал получают гранулированием смеси порошков меди и графита с последующим смешением гранул с порошками феррофосфора, меди, графита и железа. Полученную шихту формуют и спекают. Описан элемент узла трения с напеченным слоем полученного антифрикционного материала. Техническим результатом являются высокая механическая прочность, износостойкость, низкий коэффициент трения, способность образовывать на поверхности материала разделительные пленки, предотвращающие износ контактирующей пары. 3 с. и 6 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к антифрикционному материалу, способу его получения и элементу узла трения, выполненному с использованием антифрикционного материала. Более подробно изобретение относится к антифрикционным материалам, получаемым методом порошковой металлургии, которые применяются в машиностроении в элементах узлов трения, различных машин, механизмов и оборудования, а также в токосъемных элементах.

В патенте РФ 2049687 описан антифрикционный материал и способ получения антифрикционного материала в виде спеченных порошков фосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Фосфор - 0,48-1,20 Железо - 9,6-12,00 Цинк - 2,4-16,00 Графит - 10,5-25,00 Медь - Остальное При этом 10-21 мас.% графита и 9,0-15, 0 мас.% меди входят в материал в виде гранул размером 0,4-2,0 мм.

Недостатком описанного материала и способа его получения является низкая механическая прочность получаемого антифрикционного материала, так как входящий в состав этого материала цинк не позволяет поднять температуру спекания выше 820^oС из-за интенсивного испарения цинка, а для получения материала на медной основе с высокими механическими свойствами, содержащего 9,6-12,0 мас.% железа, температура спекания не должна быть ниже 1000^oС.

Наиболее близкое решение известно из заявки на выдачу патента Украины 2000063789 от 27.06.2000, где описан антифрикционный материал элемента узла трения и способ получения антифрикционного материала в виде спеченных порошков фосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих дисульфид молибдена, медь и графит, при следующем содержании компонентов в материале, мас.%: Фосфор - 0,33-1,35 Железо - 11,08-30,30 Графит - 0,16-5,16
Гранулы - 2,0-24,0
Медь - Остальное
при этом гранулы имеют размер 0,4-1,6 мм и дополнительно содержат дисульфид молибдена при следующем содержании компонентов в теле гранул, мас.%:
Дисульфид молибдена - 0,01-23,0
Медь - 14,0-37,0
Графит - Остальное
Данный способ включает получение гранул путем гранулирования первой смеси порошков, содержащей порошки графита, дисульфида молибдена и меди, смешивания гранул со второй смесью порошков, содержащей порошки фосфора, железа, графита и меди, формования и спекания полученной шихты.

Недостатком данного способа получения антифрикционного материала и элемента узла трения является низкая механическая прочность антифрикционного материала, которая обусловлена тем, что входящий в состав этого материала фосфор не позволяет поднять температуру спекания выше 900^oС из-за интенсивного образования медно-фосфористой эвтектики при температуре свыше 707^oС и образования жидкой фазы. При увеличении температуры спекания выше 900^oС скорость образования жидкой фазы будет в несколько раз превышать скорость образования твердого раствора фосфора в α-железе и скорость растворения фосфора в меди по растворному механизму. Т.е. происходит образование большого количества участков содержащих жидкую фазу, что, в свою очередь, приводит к вздутиям, образованию пузырей, которые разрывают антифрикционный материал, нарушают целостность структуры антифрикционного материала и в конечном счете приводят к разрушению антифрикционного материала.

Для получения антифрикционного материала на медной основе с высокими механическими свойствами, содержащего 11,08-30,30 мас.% железа, температура спекания не должна быть ниже 1000^oС.

Кроме того, как показывает опыт, введение дисульфида молибдена в гранулы значительно снижает антифрикционные свойства материала.

Во время трения температура в зоне контакта достигает 800^oС, а дисульфид молибдена, несмотря на введение в гранулы, коксуется уже при температуре свыше 400^oС, что резко ухудшает антифрикционные свойства материала из-за ухудшения процесса образования разделительной пленки на сопрягаемой поверхности.

В основу изобретения поставлена задача создать антифрикционный материал в виде спеченных порошков феррофосфора Fе₃Р, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, путем подбора соотношения вышеперечисленных компонентов, что позволяет получить антифрикционный материал, который обладает высокой механической прочностью, износостойкостью, низким коеффицентом трения и обеспечивает образование на поверхности материала разделительных пленок, предотвращающих износ контактирующей пары.

Другой задачей изобретения является создание способа получения антифрикционного материала с вышеперечисленными характеристиками.

Еще одной задачей изобретения является создание элемента узла трения, включающего несущий элемент с напеченным слоем антифрикционного материала, который обладает высокой механической прочностью, износостойкостью, низким коеффицентом трения и обеспечивает образование на поверхности материала разделительных пленок, предотвращающих износ контактирующей пары.

Поставленная задача решается тем, что в антифрикционный материал в виде спеченных порошков железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, дополнительно включен феррофосфор, содержащий 25 - 65% фосфора, при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:
Феррофосфор - 0,5-5,4
Железо - 10,91-26,25
Графит - 0,16-5,16
Гранулы - 2,0-24,0
Медь - Остальное
При этом гранулы имеют размер 0,4-1,6 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас.%:
Медь - 37,0-60,0
Графит - Остальное
Другая задача решается тем, что в известном способе получения антифрикционного материала, включающем получение гранул путем гранулирования первой смеси порошков, содержащей порошки графита и меди, смешивание гранул со второй смесью порошков, содержащей порошки железа, графита и меди, формование и спекание полученной шихты, первую смесь порошков при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Порошок меди - 37,0-60,0
Порошок графита - Остальное
гранулируют, например, путем пропускания между калиброванными валками прокатного стана, с получением гранул размером 0,4 - 1,6 мм, гранулы смешивают со второй смесью порошков, которая дополнительно содержит порошки феррофосфора, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Феррофосфор - 0,65-5,52
Железо - 14,36-26,79
Графит - 0,21-5,26
Медь - Остальное
при соотношении компонентов, мас.%:
Гранулы - 2,0-24,0
Вторая смесь порошков - Остальное
и полученную шихту формуют, например, путем прокатывания дозированными порциями между валками прокатного стана и спекают.

Вторая смесь порошков дополнительно содержит порошок феррофосфора, который получают следующим способом: кусковой феррофосфор дробят в дробилках на куски размером 10-50 мм и затем в мельницах перемалывают в порошок, который затем на вибросите отделяют в виде порошков с размером зерен -160 и -35 мкм, которые потом используют в производстве антифрикционного материала.

Еще одна задача решается тем, что элемент узла трения, включающий несущий элемент с напеченным слоем антифрикционного материала из спеченных порошков железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, дополнительно содержит феррофосфор с содержанием фосфора 25-65%, при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:
Феррофосфор - 0,5-5,4
Железо - 10,91-26,25
Графит - 0,16-5,16
Гранулы - 2,0-24,0
Медь - Остальное
при этом гранулы имеют размер 0,4-1,6 мм при следующем содержании компонентов в теле гранул, мас.%:
Медь - 37,0-60,0
Графит - Остальное
Предпочтительно несущий элемент выполнен из низкоуглеродистой стали и имеет толщину 1-250 мм.

Наиболее предпочтительно толщина слоя антифрикционного материала составляет 0,7-15 мм.

Применение меди в качестве основы антифрикционного материала обусловлено ее высокой теплопроводностью, хорошими антифрикционными свойствами и высокой коррозионной стойкостью.

Содержание железа в материале в пределах 10,91-26,25 мас.% обеспечивает получение прочного стального каркаса.

Графит выполняет роль твердой смазки.

Использование гранул в материале позволяет увеличить количество графита в материале без существенного разупрочнения антифрикционного материала.

Выбор феррофосфора в качестве компонента антифрикционного материала и его соотношение обусловлено тем, что он разлагается на γ-железо и жидкий фосфор при температуре 1020^oС (см. Хансен М., Андерко К. Структура двойных сплавов. - М. : Металлургиздат, 1967. - Ч.I - 607 с.). Следовательно, введение феррофосфора позволяет поднять температуру спекания антифрикционного материала с 900 до 1020^oС, что, в свою очередь, позволяет получить антифрикционный материал с высокими механическими свойствами, высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения, способностью образовывать на поверхности материала разделительные пленки, предотвращающие износ контактирующей пары.

Процентное содержание феррофосфора выбрано изходя из того, что фосфор способствует повышению несущей способности меди.

Причем из 0,5% феррофосфора, содержащего 65% фосфора при разложении при температуре 1020^oС на γ-железо и жидкий фосфор, образуется 0,33% чистого фосфора. А из 5,4% феррофосфора, содержащего 25% фосфора при разложении при температуре 1020^oС на γ-железо и жидкий фосфор, образуется 1,35% чистого фосфора.

Изобретение позволяет создать антифрикционный материал, способ его получения и элемент узла трения с напеченным слоем антифрикционного материала, обладающие высокой механической прочностью, износостойкостью, низким коэффициентом трения, способностью образования на поверхности материала разделительных пленок, предотвращающих износ контактирующей пары.

Формула изобретения

1. Антифрикционный материал в виде спеченных порошков железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит феррофосфор с содержанием фосфора 25-65% при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:

Феррофосфор 0,5-5,4

Железо 10,91-26,25

Графит 0,16-5,16

Гранулы 2,0-24,0

Медь Остальное

при этом гранулы имеют размер 0,4-1,6 мм при следующем содержании компонентов в теле гранул, мас.%:

Медь 37,0-60,0

Графит Остальное

2. Способ получения антифрикционного материала, включающий получение гранул путем гранулирования первой смеси порошков, содержащей порошки графита и меди, смешивание гранул со второй смесью порошков, содержащей порошки железа, графита и меди, формование и спекание полученной шихты, отличающийся тем, что первую смесь порошков, содержащую, мас.%:

Порошок меди 37,0-60,0

Порошок графита Остальное

гранулируют с получением гранул размером 0,4-1,6 мм, гранулы смешивают со второй смесью порошков, которая дополнительно содержит феррофосфор с содержанием фосфора 25-65% при следующем содержании компонентов, мас.%:

Феррофосфор 0,65-5,52

Железо 14,36-26,79

Графит 0,21-5,26

Медь Остальное

при соотношении компонентов, мас.%:

Гранулы 2,0-24,0

Вторая смесь порошков Остальное

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что первую смесь порошков гранулируют путем пропускания между калиброванными валками прокатного стана.

4. Способ по одному из пп.2 и 3, отличающийся тем, что шихту формуют путем прокатывания дозированными порциями между валками прокатного стана.

5. Способ по одному из пп.2-4, отличающийся тем, что шихту спекают при температуре 900-1020°С в среде защитного газа.

6. Элемент узла трения, включающий несущий элемент с напеченным слоем антифрикционного материала из спеченных порошков железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, отличающийся тем, что антифрикционный материал дополнительно содержит феррофосфор с содержанием фосфора 25-65% при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:

Феррофосфор 0,5-5,4

Железо 10,91-26,25

Графит 0,16-5,16

Гранулы 2,0-24,0

Медь Остальное

при этом гранулы имеют размер 0,4-1,6 мм при следующем содержании компонентов в теле гранул, мас.%:

Медь 37,0-60,0

Графит Остальное

7. Элемент узла трения по п.6, отличающийся тем, что несущий элемент выполнен из низкоуглеродистой стали.

8. Элемент узла трения по п.7, отличающийся тем, что несущий элемент имеет толщину 1-250 мм.

9. Элемент узла трения по одному из пп.6-8, отличающийся тем, что толщина слоя антифрикционного материала составляет 0,7-15 мм.