Антифрикционный материал романит-ст, способ его получения и элемент трения
Изобретение относится к антифрикционным материалам, получаемым порошковой металлургией, применяющимся в элементах узлов трения машин, механизмов, оборудования и в токосъемных элементах. Антифрикционный материал содержит, в мас.%: феррофосфор 0,5-5,4; стекло 0,5-25,0; 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, в мас.%: медь 37,0-60,0; графит - остальное. Материал получают гранулированием смеси порошков меди и графита с последующим смешением гранул с порошками феррофосфора, стекла, меди, графита и железа. Полученную шихту формуют и спекают. Описан элемент узла трения с напеченным слоем полученного антифрикционного материала. Полученный беспористый антифрикционный материал обладает высокой механической прочностью и способностью образовывать на поверхности разделительные пленки, предотвращающие износ контактирующей пары. 3 н. и 6 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области порошковой металлургии и машиностроению, в частности к антифрикционным материалам, используемым в элементах узлов трения различных машин, механизмов и оборудования.
Анализ научно-технической информации показал, что, несмотря на большое количество антифрикционных материалов, отсутствуют материалы для особо тяжелых условий работы различных машин, механизмов, оборудования.
Нормальная эксплуатация антифрикционных материалов в тяжело нагруженных узлах трения-скольжения и при высоких скоростях скольжения, возможна в случае крайне низкого коэффициента трения высокой износостойкости сопрягаемых поверхностей.
Известен антифрикционный материал и способ получения антифрикционного материала (патент Российской Федерации №2049687) 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 | 10,5-5,00 |
| 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 этого материала и способа его получения является низкая механическая прочность получаемого антифрикционного материала, так как входящий в состав 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.
Известен антифрикционный материал элемента узла трения и способ получения антифрикционного материала (патент Украины №42953 А) 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, формование и спекание 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°С из-за интенсивного образования медно-фосфористой эвтектики при температуре свыше 707°С и образования жидкой фазы. 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°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, несмотря на введение в гранулы, коксуется уже при температуре свыше 400°С, что резко ухудшает антифрикционные свойства материала из-за ухудшения процесса образования разделительной пленки на сопрягаемой поверхности.
Наиболее близким к заявляемому решению является известный антифрикционный материал узла трения и способ получения антифрикционного материала, выбранный в качестве прототипа (патент Украины №47235 А от 17.06.2002 г.), полученного в виде спеченных порошков феррофосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при следующем содержанием 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, |
Недостатком данного материала, способа его получения и элемента узла трения, полученного с использованием этого материала, является его пористость в пределах 7-10%, в результате чего получают недостаточную его механическую прочность при использование в узлах трения различных машин, механизмов и оборудования, работающих в особо тяжелых условиях.
В основу изобретения поставлена задача создания такого антифрикционного материала в виде спеченных порошков феррофосфора Fe3Р, железа, графита, меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, в котором путем дополнительного введения стекла и соответствующего подбора компонентов получают антифрикционный беспористый материал с высокой механической прочностью.
Другой задачей изобретения является создание такого способа получения антифрикционного материала, в котором путем гранулирования первой смеси порошков до определенного размера гранул и смешения со второй смесью порошка, содержащей стекло, при определенном соотношении этих смесей, достигается высокая механическая прочность материала и образуется беспористый материала.
Еще одной задачей изобретения является создание такого элемента узла трения, в котором путем использования антифрикционного материала, полученного путем определенного подбора компонентов и определенного способа получения этого материала, достигается получение на поверхности материала разделительной пленки, предотвращающей износ контактирующих пар трения.
Поставленная задача решается тем, что в известном антифрикционном материале в виде спеченных порошков феррофосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, которые содержат медь и графит, согласно изобретению он дополнительно содержит стекло при следующем соотношении компонентов в материале, мас.%:
| Феррофосфор | 0,5-5,4 |
| Стекло | 0,5-25,0 |
| 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, мас.%:
| Медь | 37,0-60,0 |
| Графит | остальное, |
Предпочтительно в качестве стекла используют порошок силикатного стекла, или кварцевого стекла, или пирекса, или жидкое стекло.
Еще одна 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 феррофосфора, железа, графита и меди, формование полученной шихты на стальной подложке и спекание вместе с подложкой, согласно изобретению первую смесь порошков, содержащую, мас.%:
| 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 порошок стекла, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
| Феррофосфор | 0,65-5,52 |
| Стекло | 0,65-26,79 |
| Железо | 14,36-26,79 |
| Графит | 0,21-5,26 |
| Медь | остальное, |
при следующем соотношении, мас. частей:
| гранулы: вторая смесь порошков | 1:50-1:3 |
Предпочтительно первую смесь порошков гранулируют путем пропускания между калиброванными валками прокатного стана.
Предпочтительно шихту спекают при температуре 830-1100°С в среде защитного газа.
Еще одна задача решается тем, что в известном элементе узла трения, включающем несущий элемент с напеченным слоем антифрикционного материала из спеченных порошков феррофосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, согласно изобретению антифрикционный материал дополнительно содержит стекло при следующем содержании компонентов, мас.%:
| Феррофосфор | 0,5-5,4 |
| Стекло | 0,5-25,0 |
| 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, мас.%:
| Медь | 37,0-60,0 |
| Графит | остальное, |
Предпочтительно несущий элемент выполняют из углеродистой стали.
Предпочтительно несущий элемент имеет толщину 1-250 мм.
Кроме того, толщина слоя антифрикционного материала составляет 0,7-25 мм.
Введение стекла в антифрикционный материал способствует тому, что при спекании порошковых материалов на границе раздела твердой металлической и жидкой стеклянной фаз происходит взаимодействие свободного кремнезема с оксидами металлов. Расплавленное стекло хорошо смачивает все металлы при наличии на поверхности пленки оксидов при достижении температуры, достаточной для взаимодействия оксидов и кремнезема расплава, которая значительно ниже температуры плавления основного металла - меди. При этом процессы спекания антифрикционного материала значительно активизируются и подчиняются общим закономерностям спекания. В результате химического взаимодействия оксидов металлической фазы и стекла образуются минералы типа файялита Fe2SIO4, т.е. в процессе спекания происходит ситаллизация стального каркаса антифрикционного материала с повышением его твердости с 6,5-7,2 до 10,5-12,0 ГПа и прочности неметаллического наполнителя. Следствием химического взаимодействия оксидов и стекла является рафинирование поверхности металлических частиц, что в 1,5-2,0 раза увеличивает диффузные связи между ними и, следовательно, в 1,5-2,0 раза увеличивает прочностные характеристики антифрикционного материала. Этот антифрикционный материал имеет ярко выраженную гетерогенную структуру. Структура металлической матрицы аналогична структуре материалов, не содержащих стеклянную фазу (при их одинаковых химическом составе и технологии получения). Стеклянные частицы в процессе спекания изменяют свою форму с осколочной на более округлую и их средний размер возрастает с 1-10 до 20-60 мкм, заполняя поры антифрикционного материала. При заполнении пор стеклянная фаза ситаллизируется и резко повышает общую прочность антифрикционного материала.
Процентное содержание стекла выбрано исходя из того, что увеличение прочностных характеристик антифрикционного материала начинается при введение в его состав более 0,5 мас.% стекла, а при увеличение его содержания свыше 25 мас.% происходит его разупрочнение, что приводит к снижению общей прочности материала.
В качестве стекла используют порошок силикатного стекла, или кварцевого стекла, или пирекса, или жидкое стекло.
В результате получают беспористый антифрикционный материала с высокой механической прочностью.
Гранулирование первой смеси порошков до размера гранул 0,4-2,0 мм путем пропускания между калиброванными валками прокатного стана и смешение далее со второй смесью порошков, содержащих дополнительно стекло, спекание полученной шихты при температуре 830-1100°С в среде защитного газа позволяет получить в конечном результате антифрикционный материал, обладающий высокой механической прочностью и износостойкостью, с низким коэффициентом трения.
Узел трения с несущим элементом с напеченным слоем антифрикционного материала позволяет получить на поверхности материала разделительную пленку, предотвращающую износ контактирующих пар трения.
Антифрикционный материал согласно изобретению получают следующим образом:
Смесь порошков графита и меди в количестве, мас.%:
| Медь | 37,0-60,0 |
| Графит | стальное, |
пропускают между калиброванными валками прокатного стана для получения гранул размером 0,4-2,0 мм. Гранулы смешивают со второй смесью порошков, содержащей мас.%:
| Феррофосфор | 0,5-5,4 |
| Стекло | 0,5-25,0 |
| Железо | 10,91-26,25 |
| Графит | 0,16-5,16 |
| Гранулы | 2,0-24,0 |
| Медь | остальное, |
При этом соотношение гранул и второй смеси порошков выбирают 1:50-1:3.
Полученную шихту спекают при температуре 830-1100°С в проходной печи в среде защитного газа.
Для получения элемента узла трения полученную шихту насыпают через дозатор на подготовленную по специальной технологии поверхность стального листа из углеродистой стали нужной формы толщиной 1-250 мм, прессуют и затем спекают при температуре 830-1100°С в проходной печи в среде защитного газа. При этом толщина антифрикционного материала элемента узла трения составляет 0,7-25 мм.
Таким образом, изобретение позволяет создать беспористый антифрикционный материал, осуществить способ его получения и создать 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.
1. Спеченный антифрикционный материал, содержащий феррофосфор, железо, графит, медь и локализованные включения гранул, содержащих медь и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стекло при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:
| феррофосфор | 0,5-5,4 |
| стекло | 0,5-25,0 |
| 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 содержании компонентов в грануле, мас.%:
| медь | 37,0-60,0 |
| графит | остальное |
2. Спеченный материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве стекла он содержит порошок силикатного стекла, или кварцевого стекла, или пирекса, или жидкое стекло.
3. Способ получения спеченного антифрикционного материала, включающий получение гранул путем гранулирования первой смеси порошков, содержащей 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 получают гранулы размером 0,4-2,0 мм из первой смеси порошков, содержащей, мас.%:
| порошок меди | 37,0-60,0 |
| порошок графита | остальное |
смешивание гранул со второй смесью порошков осуществляют при соотношении гранул и второй смеси порошков 1:50-1:3 мас.ч, при этом вторая смесь дополнительно содержит стекло при следующем содержании компонентов, мас.%:
| феррофосфор | 0,65-5,52 |
| стекло | 0,65-26,79 |
| железо | 14,36-26,79 |
| графит | 0,21-5,26 |
| медь | остальное |
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что гранулы получают путем пропускания первой смеси между калиброванными валками прокатного стана.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что спекание осуществляют при температуре 830-1100°С в среде защитного газа.
6. Элемент узла трения, включающий несущий элемент с напеченным слоем антифрикционного материала, содержащего феррофосфор, железо, графит, медь и локализованные включения гранул, содержащих медь и графит, отличающийся тем, что антифрикционный материал дополнительно содержит стекло при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:
| феррофосфор | 0,5-5,40 |
| стекло | 0,5-25,0 |
| 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 грануле, 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.6, отличающийся тем, что несущий элемент имеет толщину 1-250 мм.
9. Элемент узла трения по п.6, отличающийся тем, что толщина слоя антифрикционного материала составляет 0,7-25 мм.
