Антифрикционный материал романит-с, 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 материал РОМАНИТ-С, содержащий, мас.%: феррофосфор 0,5-10,0; сера 0,5-12; 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 0,4-2,0 мм и содержат, мас.%: медь 37,0-60,0; 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. Технический результат - 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, которые получаются методом порошковой металлургии, которые применяются в машиностроении в элементах узлов трения, различных машин, механизмов и оборудовании, а также в токосъемных элементах.

В декларационном патенте Украины №42952 от 15.11.2000 г. описан антифрикционный материал, элемент узла трения и способ получения антифрикционного материала в виде спеченных порошков фосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, которые содержат дисульфид молибдена, медь и графит при следующем соотношении компонентов в материале, маc.%:

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 соотношении компонентов в теле гранул, маc.%:

Дисульфид молибдена 0,01-23,0

Медь 14,0-37,0

Графит Остальное

Данный способ включает получение гранул путем гранулирования первой смеси порошков, которая содержит порошки графита, дисульфида молибдена и меди, смешивания гранул со второй смесью порошков, которая содержит порошки фосфора, железа, графита и меди, формование и спекание полученной шихты.

Недостатком описанного материала, способа его получения и элемента узла трения, выполненного с использованием этого материала, есть низкая механическая прочность антифрикционного материала, которая обусловлена тем, что фосфор, который входит в состав этого материала, не позволяет поднять температуру спекания выше 900°С через интенсивное образование медно-фосфористой эвтектики при температуре более 707°С и образование жидкой фазы. При увеличении температуры испечения выше 900°С скорость образования жидкой фазы будет в несколько раз превышать скорость образования твердого раствора фосфора в α-железе и скорость растворения фосфора в меди по механизму растворения. То есть происходит образование большого количества участков, которые содержат жидкую фазу, что, в свою очередь, приводит к вздутию, 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 маc.% железа, температура спекания не должна быть ниже 1000°С.

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

Во время трения температура в зоне контакта достигает 800°С, а дисульфид молибдена, невзирая на введение в гранулы, коксуется уже при температуре более 400°С, которая резко ухудшает антифрикционные свойства материала из-за ухудшение процесса образования разделительной пленки на соединительной поверхности.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является антифрикционный материал, способ получения антифрикционного материала и элемент узла трения, описанный в патенте Российской Федерации №2049687 С1, опубликованном 10.12.1995. Антифрикционный материал состоит из 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. Способ включает получение гранул, гранулирование смеси порошков графита и меди, смешение гранул со смесью порошков железа, графита и меди, формование и спекание. Элемент узла трения (токосъемный элемент) включает несущий элемент с напеченным слоем антифрикционного материала из спеченных порошков железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит.

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°С 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°С.

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

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

Еще одной задачей изобретения является создание элемента узла трения, которое включает несущий элемент с напеченным слоем антифрикционного материала, который обладает высокой механической прочностью, износостойкостью, низким коэффициентом трения и обеспечивает образование на поверхности материала крепких разделительных пленок, которые предотвращают износ контактирующей пары в отсутствии смазки.

Поставленная задача решается тем, что в антифрикционный материал, содержащий спеченные порошки железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащей медь и графит, согласно изобретению дополнительно введены феррофосфор и сера при следующем соотношении компонентов в материале, маc.%:

Феррофосфор 0,5-10,0

Сера 0,5-12,0

Железо 10,91-26,25

Графит 0,16-5,16

Гранулы 2,0-24,0

Медь Остальное

при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, маc.%:

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, при этом первую смесь порошков, содержащую, маc.%:

Порошок меди 37,0-60,0

Порошок графита Остальное

гранулируют, например, путем пропускания между калибровочными валками прокатного состояния с получением гранул размером 0,4-2,0 мм, гранулы смешивают со второй смесью порошков, которая дополнительно содержит порошки феррофосфора и серы, при следующем содержании компонентов, маc.%:

Феррофосфор 0,65-10,23

Сера 0,65-12,27

Железо 14,36-26,79

Графит 0,21-5,26

Медь Остальное

при этом получают шихту при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Гранулы 2,0-24,0

Вторая смесь порошков Остальное

и полученную шихту формуют, например, путем прокатывания дозированными порциями между валками прокатного стана вместе со стальным листом и спекают.

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 включает феррофосфор и серу при следующем соотношении компонентов в материале, маc.%:

Феррофосфор 0,5-10,0

Сера 0,5-12,0

Железо 10,91-26,25

Графит 0,16-5,16

Гранулы 2,0-24,0

Медь Остальное

при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, маc.%:

Медь 37,0-60,0

Графит Остальное

Преимущественно несущий элемент выполнен из низкоуглеродистой стали и имеет толщину 1-250 мм.

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

Применение меди как основы антифрикционного материала обусловлено ее высокой теплопроводностью, хорошими антифрикционными свойствами и высокой коррозийной 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 уменьшения прочности антифрикционного материала.

Выбор феррофосфора как компонента антифрикционного материала и его соотношения обусловлено тем, что он разлагается на составные части: на железо и жидкий фосфор при температуре 1020°С, см. Хансен Г., Андерко К. Структура двойных сплавов. - Г.: Металургиздат, 1967, ч. II, 607 с. Следовательно, введение феррофосфора позволяет поднять температуру спекания антифрикционного материала с 900 до 1020°С, что, в свою очередь, позволяет получить антифрикционный материал с высокими механическими свойствами, высокой износостойкостью, низким коэффициентом трения, способностью образовывать на поверхности материала разделительные пленки, которые предотвращают износ контактирующей пары.

Феррофосфор содействует повышению несущей способности меди, стабилизирует усадку, увеличивает плотность материала, укрепляет стальной каркас.

Выбор серы как компонента антифрикционного материала и ее соотношения обусловлено тем, что она содействует при температуре спекания созданию перлитно-ферритных структур стального каркаса с преобладанием мелкодисперсного перлита, см. Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. - К.: Научное мнение, 1980, 404 с. Сера, которая взаимодействует с медью и железом, создает сульфиды меди Cu₂S и сульфиды железа FeS, которые выполняют роль твердой смазки. В результате создания сульфидов меди и сульфидов железа увеличивается содержание твердой смазки в антифрикционном материале в 2-3 раза без уменьшения прочности материала, что, в свою очередь, позволяет получить антифрикционный материал с высокими механическими свойствами, высокой износостойкостью, очень низким коэффициентом трения, способностью образовывать на поверхности материала разделительные пленки, которые предотвращают износ контактирующей пары при работе без смазки.

Процентное содержимое серы выбрали исходя из того, что сера создает с медью и железом сульфиды меди и сульфиды железа, что содействует повышению несущей способности меди. Причем с 0,5 мас.% серы образуется 2% сульфидов меди и 0,2% сульфидов железа, а с 12 маc.% серы образуется до 40% сульфидов меди и 4% сульфидов железа.

Изобретение позволяет создать антифрикционный материал, способ его получения и элемент узла трения с напеченным слоем антифрикционного материала, который обладает высокой механической прочностью, износостойкостью, очень низким коэффициентом трения, способностью образовывать на поверхности материала разделительные пленки, которые предотвращают износ контактирующей пары при работе без смазки.

Формула изобретения

1. Антифрикционный материал, содержащий спеченные порошки железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит феррофосфор и серу при следующем соотношении компонентов в материале, маc.%:

Феррофосфор 0,5-10,0

Сера 0,5-12,0

Железо 10,91-26,25

Графит 0,16-5,16

Гранулы 2,0-24,0

Медь Остальное

при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, маc.%:

Медь 37,0-60,0

Графит Остальное

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

Порошок меди 37,0-60,0

Порошок графита Остальное

гранулируют с получением гранул размером 0,4-2,0 мм, гранулы смешивают со второй смесью порошков, которая дополнительно содержит феррофосфор и серу при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Феррофосфор 0,65-10,23

Сера 0,65-12,27

Железо 14,36-26,79

Графит 0,21-5,26

Медь Остальное

при этом получают шихту при следующем соотношении компонентов, маc.%:

Гранулы 2,0-24,0

Вторая смесь порошков Остальное

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что первую смесь порошков гранулируют путем пропускания между калибровочными 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 включает феррофосфор и серу при следующем соотношении компонентов в материале, маc.%:

Феррофосфор 0,5-10,0

Сера 0,5-12,0

Железо 10,91-26,25

Графит 0,16-5,16

Гранулы 2,0-24,0

Медь Остальное

при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, маc.%:

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.