Порошковый композиционный материал
Владельцы патента RU 2436857:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым композиционным материалам на основе меди. Может быть использовано при получении деталей узлов трения, работающих при температуре до 350°С. Порошковый композиционный материал содержит матрицу на основе медного сплава и упрочнитель, содержащий квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, допированные В, и Al2O3, при следующих соотношениях компонентов, мас.%: квазикристаллы 5,0-6,0; Al2O3 1,0-1,5; матрица - остальное. Матрица может содержать, мас.%: олово 0,9-1,2; свинец 18,0-22,0; медь - остальное. Материал имеет высокую износостойкость, низкий коэффициент трения, высокую прочность на растяжение, а также обеспечивает работоспособность деталей трения в воздушной среде при температуре до 350°С. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.
Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при получении деталей узлов трения из порошкового композиционного материала на основе медной матрицы, работающих при температуре до 350°C.
Известен высокоизносостойкий композиционный материал с пониженным трением на основе меди, содержащий в масс %: многостенные углеродные нанотрубки - 0,2-4,5, TiB2 0.1-1.3 и 0,35-12,0 Sn (патент КНР №1425784).
Материал имеет хорошую износостойкость, низкий коэффициент трения, относительно высокую прочность на сжатие и на растяжение, умеренную твердость, однако недостатком данного композиционного материала является окомкование нанотрубок, что делает непригодным использование его при повышенных нагрузках.
Известен спеченный антифрикционный материал на основе алюминиевой бронзы, содержащий в вес.%: Al 8.0-8.5, FeAl3 5.0-6.5, Cu - остальное (патент РФ №2155241).
Материал имеет хорошие триботехнические характеристики, но обладает невысокой износостойкостью.
Известен порошковый композиционный материал, содержащий алюминиевую матрицу, в которой распределены армирующие квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe. Армирующие частицы имеют размер 20-30 мкм (патент США №5851317).
Недостатком этого композиционного материала является невысокая степень термохимической стабильности и высокий коэффициент трения.
Наиболее близким к заявляемому является порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, упрочнитель в виде порошка железа с размером частиц 60-200 мкм и графит при следующем соотношении компонентов (масс.%): олово 2-5, графит 0-2, железо 30-60, медь - остальное.
Недостатком данного материала является грубая структура, благоприятная для пористых самосмазываемых подшипников, однако ухудшающая несущие свойства материала при работе с внешней смазкой. Наличие железа в качестве упрочнителя ухудшает триботехнические свойства изделия при трении по сталям, образуя с ними пары трения из близких по составу и свойствам материалов, что вызывает повышенную склонность трущихся поверхностей к схватыванию и приводит к увеличению коэффициента трения и повышенному износу детали.
Технической задачей изобретения является получение порошкового композиционного материала с низким коэффициентом трения в сочетании с высокой износостойкостью и прочностью при растяжении, работоспособного при температуре до 350°C.
Для решения поставленной задачи предложен порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, и упрочнитель, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит свинец, а в качестве упрочнителя используют квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, допированные B, и Al2O3 при следующих соотношениях компонентов (масс.%):
| квазикристаллы | 5,0-6,0 |
| Al2O3 | 1,0-1,5 |
| матрица | ост. |
Матрица имеет следующий химический состав (мас.%):
| олово | 0,9-1,2 |
| свинец | 18,0-22,0 |
| медь | ост. |
Размер частиц квазикристаллов и Al2O3 не превышает 5 мкм.
Использование в качестве матрицы медного сплава, содержащего олово и свинец в указанных количествах, а также добавление в упрочнитель Al2O3 позволяет узлам нагрузки выдерживать без заедания высокие удельные давления и скорости скольжения, работать в маловязких средах и при повышенных температурах (200-350°C). Олово и свинец по границам зерен образуют хорошо развитую, однородную по структуре эвтектику с благоприятной формой выделяющихся фаз. Квазикристаллы, дисперсностью менее 5 мкм, обладающие высокой твердостью и низким коэффициентом трения, дают значительное упрочение матрицы и снижают коэффициент трения. Допирование квазикристаллов бором позволяет поднять механические свойства квазикристалла, например модуль упругости увеличивается с 8,7 до 14,5, и дополнительно снизить коэффициент трения. Снижение размеров частиц упрочнителя улучшает трибологические характеристики. Введение Al2O3 придает композиционному материалу дополнительное упрочнение.
Пример осуществления:
Порошок матрицы (93,5%) состава: 18.0% свинца, 1.2% олова и остальное - медь, смешали с порошком квазикристалла, допированного бором, (5%), и порошком Al2O3 (1,5%), далее проводили механическое легирование смеси не менее 25 ч, горячее брикетирование при 150°C и давлении 500 МПа и экструзию при 150°C. Примеры 2, 3 аналогичны примеру 1.
Порошковый композиционный материал испытывали в условиях торцового трения при Pуд - 15 МПа, Vвращ - 0.31 м/с без смазки. Механические испытания проводились на установке «INSTRON-1195».
В таблице представлены составы порошкового композиционного материала, прототипа и их свойства.
Как видно из таблицы, предлагаемый порошковый композиционный материал имеет лучшие показатели, чем у прототипа по износу, коэффициенту трения, прочности на растяжение.
Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в узлах трения обеспечит их работоспособность в воздушной среде при температуре до 350°C, хорошими триботехническими характеристиками, и высокими механическими свойствами. Применение предлагаемого материала способно повысить надежность и ресурс деталей узлов трения.
| Таблица | |||||||||||
| № | Состав упрочнителя мас.% | матрица | Состав матрицы, вес.% | Износ мкм/ч при Pуд=15 МПа V=0.31 м/с | Коэффициент трения | Прочность на растяжение σв кг/мм |
|||||
| Квазикристаллы | Al2O3 | Fe | гра- фит |
Cu | Pb | Sn | |||||
| 1 | 5 | 1,5 | - | - | 93,5 | ост. | 18,0 | 1,2 | 0,30 | 0,18 | 18 |
| 2 | 5,5 | 1,2 | - | - | 93,3 | ост. | 20,0 | 1,0 | 0,2 | 0,15 | 20 |
| 3 | 6 | 1,0 | - | - | 93,0 | ост. | 22,0 | 0,9 | 0,18 | 0,11 | 21 |
| 4 (по прототипу) | - | - | 50 | 1 | - | 44 | - | 5 | 0.37 | 0,25 | 12 |
1. Порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, и упрочнитель, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит свинец, а в качестве упрочнителя используют квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, допированные В, и Al2O3 при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
| квазикристаллы | 5,0-6,0 |
| Al2O3 | 1,0-1,5 |
| матрица | остальное |
2. Порошковый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что матрица имеет следующий химический состав, мас.%:
| олово | 0,9-1,2 |
| свинец | 18,0-22,0 |
| медь | остальное |
3. Порошковый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что частицы квазикристаллов и Al2O3 имеют размер не более 5 мкм.
