Материал для нанесения антифрикционных покрытий и способ его получения

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к антифрикционным порошковым материалам. Может применяться для нанесения покрытий на стальные детали, например, в машиностроении. Материал для нанесения антифрикционных покрытий из механолегированного сплава в виде порошка, содержащего, мас.%: свинец 4-22; медь 0,4-1,0; алюминий остальное, при следующем соотношении фракций: 1-50 мкм - 5-30%; 51-160 мкм - 70-95%. При получении материала смесь порошков алюминия, свинца, меди или их сплавов усредняют в течение 0,5-2,0 ч, в качестве рабочих тел используют алюминиевые гранулы 5-20 мм. После чего осуществляют механообработку шихты в высокоэнергетической мельнице при энергонагруженности 3-30 кВт/кг в течение 0,5-10 ч. Техническим результатом является повышение износостойкости и снижение коэффициента трения. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии. Более конкретная область - материалы для нанесения антифрикционных покрытий и способы получения порошков антифрикционных алюминиевых сплавов для нанесения покрытий на стальные детали в машиностроении, например на вкладыши тяжелонагруженных подшипников двигателей различного типа.

Известны широко применяемые в промышленности материалы – баббиты, литые алюминиевые сплавы Al-Cu-Si и Al-Sb-Pb-Mg для изготовления вкладышей подшипников методом центробежной заливки расплава. Недостатками этих материалов являются их дефицитность, высокая стоимость и большой расход.

Экономически более выгодным является изготовление вкладышей подшипников или трущихся деталей из стали с нанесением на них специальных антифрикционных покрытий.

Известен порошковый материал для нанесения антифрикционных покрытий, состоящий из смеси порошков 30-50% оловянистосвинцовой и 50-70% алюминиевой бронз, позволяющий получать покрытия с высокими антифрикционными свойствами, однако его недостатком является многоступенчатость и сложность технологии его изготовления, высокая стоимость и дефицитность исходных материалов, трудность получения однородной структуры.

Известен также порошок для нанесения антифрикционного покрытия из распыленного сплава, содержащего алюминий, олово и медь (Патент №2111280, 1998 г., РФ). Порошок позволяет получать покрытия с высокими антифрикционными свойствами, однако его недостатком является сложность технологии изготовления - необходимость распыления сплава, высокая стоимость исходных материалов.

Известен способ получения антифрикционного материала смешением разнородных порошков - алюминия, магния и свинца (Заявка №59-89737, Япония) и способ получения алюминий-свинцового порошка (Патент DE 3925973) путем совместного измельчения порошков алюминия и свинца в размалывающем устройстве. Эти способы не обеспечивают необходимую однородность структуры механолегированного сплава, так как при их осуществлении перемешивание и консолидация частиц протекают одновременно, вследствие чего объединение частиц энергично протекает до необходимого усреднения шихты. Неопределенность величины энергонасыщенности зоны дробления не гарантирует механоактивацию поверхности обрабатываемых частиц, что снижает прочностные и триботехнические характеристики материала.

В качестве прототипа нами принято известное решение (Патент №2111280, 1998 г., РФ), основными недостатками которого являются высокая стоимость исходных компонентов (олова), сложность и дороговизна изготовления материала путем высокотемпературного распыления сплава.

Технической задачей изобретения является материал для нанесения антифрикционных покрытий методами плазменного, газотермического или детонационного напыления, обладающий высокими антифрикционными качествами и способ его получения.

Эта цель достигается тем, что материал для нанесения антифрикционного покрытия из сплава, содержащего алюминий, свинец и медь, содержит механолегированный сплав в виде порошка, при следующем содержании компонентов, % мас.:

свинец 4-22,

медь 0,4-1,0,

алюминий – остальное;

и следующим соотношением фракций:

1-50 мкм - 5-30%,

51-160 мкм - 70-95%,

Материал для нанесения антифрикционных покрытий получают путем усреднения и механообработки в шаровой мельнице смеси порошков алюминия, свинца, меди или их сплавов, причем операцию усреднения шихты осуществляют в смесителе перед механообработкой в течение 0,5-2,0 ч с использованием в качестве рабочих тел алюминиевых гранул крупностью 5-20 мм, а механообработку проводят в высокоэнергетической мельнице при энергонагруженности 3-30 кВт/кг в течение 0,5-10 ч, при этом в шихту вводится до 1% стеариновой кислоты для предотвращения холодной сварки порошка.

Такой порошок после напыления обеспечивает создание более прочного и высококачественного антифрикционного покрытия. Мелкодисперсные частицы свинца заполняют поры, устраняют пористость, а присутствие меди в пределах 0,4-1,0% упрочняет алюминиевую матрицу. Увеличение содержания меди выше 1% приводит к появлению хрупкости покрытия, увеличение содержания свинца свыше 22% уменьшает усталостную прочность, а уменьшение его ниже 4% не обеспечивает необходимые триботехнические характеристики, повышает коэффициент трения.

Установленные пределы содержания свинца (4-22%) и меди (0,4-1,0%) в порошке позволяют широко варьировать свойства покрытий, подбирая оптимальные для конкретных условий.

В системе Al-Pb-Cu имеется обширная область монотектики, занимающая значительную часть концентрационного треугольника. Растворимость свинца в жидком алюминии увеличивается с температурой и достигает примерно 4,0% при 800°С и 22% при 1100°С.

Получение однородного порошка сплава Al-Pb распылением расплава малоэффективно и технологически сложно. Экспериментально было установлено, что получение такого сплава с однородной структурой возможно лишь методом механохимии в высокоэнергетических мельницах с энергонагруженностью 3-30 кВт/кг. Для получения порошкового сплава Al-Pb-Cu смесь исходных порошков алюминия, меди и свинца загружают и усредняют в смесителе. Использование при усреднении в смесителе в качестве рабочих тел алюминиевых гранул крупностью 5-20 мм, имеющих одинаковую плотность с основным компонентом шихты - алюминием - позволяет повысить эффективность и скорость усреднения без деформации частиц и загрязнения шихты инородным материалом. Длительность операции усреднения 0,5-2 часа. При усреднении в течение менее 0,5 часа не обеспечивается однородность шихты, более 2 часов - экономически не целесообразно, т.к. однородность материала не улучшается.

При механолегировании в шаровой мельнице только 2-3% полезной энергии затрачивается на диспергирование, а 97-98% расходуется на структурные изменения в решетке твердого тела, при этом происходит накопление деформаций кристаллической решетки, увеличение числа дислокации, разрыв или ослабление связей внутренних слоев вещества с атомами поверхности, сдвиговые деформации. Другими словами, обработка в измельчительных аппаратах является не только способом получения веществ в мелкодисперсном состоянии, но и способом генерации различного рода структурных дефектов в объеме и активных состояний на поверхности кристалла, облегчающих процессы диффузии и внедрения включений при образовании сплава. Для протекания взаимной диффузии необходимо обеспечить сближение атомов на расстояние действия межатомных сил, а также сообщить им энергию, при которой распределение электронной плотности атомов благоприятно для процесса сплавообразования. Сам факт разрушения частиц способствует протеканию процессов взаимной диффузии и сплавообразования, так как на свежеобразованной поверхности все атомы в результате разрыва связей кратковременно активированы.

В зависимости от интенсивности и длительности механообработки в зоне контакта частиц шихты формируется определенное поле напряжений, от величины и скорости изменения которого зависит направление процесса. При малых значениях энергонасыщенности размольного агрегата (0,1-2,0 кВт/кг) определяющим является превращение механической энергии в тепло, в результате чего активизируются термические процессы, в частности химический синтез. Такой режим характерен для шаровых, стержневых, центробежных мельниц. В промежуточной зоне (3-10 кВт/кг) развиваются процессы диспергирования. Это характерно для вибрационных, аттриторных, планетарных, магнитно-вихревых мельниц. Дальнейшее увеличение подвода энергии (энергонагруженная зона) резко увеличивает реакционную способность частиц, ускоряет процессы диффузии и сплавообразования. Высокой энергонагруженностью обладают дезинтеграторы, дизмембраторы, молотковые, струйные, ударные и роторные мельницы. Однако из-за кратковременности воздействия на материал в этих мельницах осуществить сплавообразование затруднительно или даже невозможно.

Для получения однородного сплава необходимо одновременно обеспечить протекание двух процессов: ускорение взаимной диффузии и измельчение диффундирующих компонентов. После завершения процесса сплавообразования необходимо обеспечить агрегацию и укрупнение частиц за счет их “холодной” сварки. Наиболее удачно сочетание этих двух процессов протекает в зоне перехода от средней к высокой степени энергонагруженности 3-30 кВт/кг, например, в аттриторах вибрационных и планетарных мельницах. В этом интервале энергонапряженности независимо от типа измельчающего аппарата изменение размера и структуры частиц при размоле идет в четыре этапа. Первому этапу соответствует прогрессивное уменьшение размеров отдельных частиц со временем и их активация. Второй этап представляет собой чередование актов разрушения и объединения частиц за счет “холодной” сварки разнородных частиц с образованием частиц с характерной слоистой структурой. На третьем этапе разрушаются вновь образованные сложные “склепанные” частицы и полностью исчезают частицы исходных порошков, превращающиеся в частицы псевдосплава со слоистой структурой. Четвертому этапу свойственно установление равновесия между процессами измельчения и агрегации, повышается однородность (гомогенность) частиц, слои разнородных компонентов утоньшаются и дробятся. В этот период размер частиц со временем не меняется.

При механолегировании в шихту вводили до 1% стеариновой кислоты для замедления процесса холодной сварки частиц сплава, что позволило удлинить стадию размола и оперативно регулировать крупность получаемого материала.

Пример получения антифрикционного материала.

Усреднение шихты проводили во вращающемся барабане емкостью 2,5 л, в который загружали 1 кг алюминиевых гранул, размером 5-20 мм. В качестве исходных компонентов использовали порошок алюминия крупностью менее 50 мкм, порошок меди марки ПМС-1 (-100 мкм) и порошок свинца крупностью менее 63 мкм. Масса шихты составляла 0,5-1,0 кг. Время усреднения 1 ч.

Механолегирование осуществляли в аттриторе емкостью 15 л, вибрационной мельнице с частотой колебаний 8-16 Гц при амплитуде 90 мм и во вращающейся шаровой мельнице, объемом 5 л. Рабочими телами в аттриторе и вибромельнице были стальные шары диаметром 5-9 мм, в шаровой мельнице - шары диаметром 15-46 мм. Результаты механолегирования представлены в таблице 1.

Плазменное напыление порошка фракции -160 мкм производили на образцы диаметром 42 мм и шириной 20 мм. В качестве плазмообразующего газа использовались аргон и воздух.

Образцы испытывали на машине трения с сопряженной парой из стали 45 и 18Х9Н4М. Испытания проводили в масле М14 (6 капель/мин). Приработка производилась 3 часа. Нагрузка при приработке от 25 до 200 кг, при изменении через каждые 15 мин. Нагрузка при испытании составляла 200 кг, скорость вращения 200 об/мин.

Одновременно проведены испытания покрытия из материала-аналога: порошка сплава Al-20Sn-1Cu, полученного распылением расплава сжатым азотом с содержанием кислорода менее 1%. Порошок-аналог имел сферическую форму. Результаты испытаний приведены в таблице 2.

Таблица 2 Триботехнические характеристики напыленных покрытий
№ обр.	Плазмо-образующий газ	Скорость истечения струи, м/с	Коэфф. трения в паре Ст45/ Сталь18Х9Н4М	Износ (мм) в паре Ст45/ Сталь18Х9Н4М
распыленный аналог, порошок сплава Al-20Sn-1Cu	воздух	800	0,06/0,08	0,06/0,1
1	аргон	500	0,03/0,04	0,01/0,01
2	воздух	800	0,04/0,04	0,04/0,06
3	воздух	800	0,03/0,04	0,01/0,02
4*	аргон	500	0,07/0,08	0,20/0,10
5*	аргон	500	0,06/0,08	0,10/0,10
Примечание. * - при испытании наблюдалось отслаивание напыленного покрытия.

Испытания показали, что механолегированный сплав Al-Pb-Cu обеспечил увеличение износостойкости в 2-5 раз, снизил коэффициент трения в 2 раза.

1. Материал для нанесения антифрикционных покрытий из сплава, содержащего медь и алюминий, отличающийся тем, что сплав дополнительно содержит свинец при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Свинец 4-22

Медь 0,4-1,0

Алюминий Остальное

и материал содержит механолегированный сплав в виде порошка при следующем соотношении фракций:

Фракция 1-50 мкм 5-30%

Фракция 51-160 мкм 70-95%

2. Способ получения материала для нанесения антифрикционных покрытий из сплава, содержащего алюминий, отличающийся тем, что шихту, содержащую порошки меди, свинца и алюминия, усредняют в смесителе в течение 0,5-2,0 ч с использованием в качестве рабочих тел алюминиевые гранулы крупностью 5-20 мм, после чего проводят механообработку шихты в высокоэнергетической мельнице при энергонагруженности 3-30 кВт/кг в течение 0,5-10 ч.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что перед механообработкой в шихту вводят до 1% стеариновой кислоты.