Антифрикционный композиционный материал на основе порошковой меди
Владельцы патента RU 2576740:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к антифрикционным композиционным материалам, получаемым методами порошковой металлургии, которые могут быть использованы при изготовлении тяжелонагруженных подшипников скольжения коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, преимущественно дизельных двигателей. Антифрикционный порошковый композиционный материал на основе меди содержит олово, железо, дисульфид молибдена, углерод в виде графита и алюминий при следующем соотношении компонентов, мас. %: олово 7,90-8,10, алюминий 0,45-0,55, железо 0,40-0,50, дисульфид молибдена 0,18-0,22, углерод 0,38-0,42, медь остальное, причем структура композиционного материала представляет собой матрицу из порошкового сплава на основе меди, содержащего олово, в котором железо, дисульфид молибдена, углерод и алюминий содержатся в виде гранул размером менее 50 мкм. Технический результат заключается в создании антифрикционного композиционного подшипникового материала, предназначенного для работы при больших нагрузках и температурах нагрева, с высокими механическими и триботехническими характеристиками. 2 пр., 1 табл., 4 ил.
Изобретение относится к антифрикционным композиционным материалам, получаемым методами порошковой металлургии, которые могут быть использованы при изготовлении тяжелонагруженных подшипников скольжения коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, преимущественно дизельных двигателей.
Удельная нагрузка на единицу площади подшипников скольжения за последние годы значительно увеличилась, особенно это касается коренного и шатунного подшипников коленчатых валов, изготавливаемых, как правило, в виде двух частей - вкладышей. Так в дизельных двигателях с прямым впрыском удельная нагрузка (давление) на единицу площади подшипника может достигать 120 МПа [1].
Традиционные подшипники с биметаллическим и триметаллическим вкладышем, имеющим антифрикционный слой, не выдерживают такой нагрузки. Современные двигатели требуют материалов с более высокой усталостной прочностью и износостойкостью, особенно на участках полусухого трения. В то же время необходима антикоррозионная устойчивость при высоких температурах.
В связи с малой прочностью традиционных антифрикционных сплавов основа вкладышей коленчатых валов дизельных двигателей обычно изготавливается из конструкционной стали типа сталь 10, сталь 15, сталь 25, на которую наносится слой из антифрикционного материала.
Наиболее распространенными антифрикционными сплавами являются сплавы на основе олова и свинца - баббиты, например, высокооловянный баббит Б83, свинцовый баббит БК2, баббиты Б88Д, БН. Так же высокие антифрикционные свойства имеют алюминиевые сплавы, как, например, алюминиево-оловянный сплав АО20-1 [2].
Универсальными антифрикционными материалами, особенно хорошо проявляющими себя при повышенных нагрузках, являются также свинцовые и свинцово-оловянные бронзы, такие как БрС-30, БрОС-1-22 [3].
В связи с введением в Евросоюзе, США и других странах ограничительных мер по использованию в двигателях внутреннего сгорания свинца и свинцовосодержащих материалов и направленности современных разработок в России подшипниковых материалов в этом же направлении, указанные выше и другие свинцовосодержащие антифрикционные сплавы более не представляют интереса с точки зрения их применения в подшипниках скольжения для дизельных двигателей.
В то же время баббиты на основе олова, например, марки Б83 имеют возможность эксплуатироваться при максимальном значении удельной нагрузки, равном лишь 15…20 МПа, и допускаемой скорости скольжения до 6 м/с. Для алюминиево-оловянного сплава АО20-1 эти значения составляют соответственно 30 МПа и 20 м/с, что также недостаточно для удовлетворения современных требований к антифрикционным материалам для высоконагруженных дизельных двигателей.
К тому же эти материалы, особенно баббиты, не могут работать в подшипниках при их нагреве свыше 200°С, т.е. той температуре, которая кратковременно может возникать в них при удельных нагрузках на подшипник 100 МПа и выше и скорости скольжения 10…25 м/с.
Поэтому антифрикционные материалы для указанных целей должны обладать достаточной прочностью при нагреве. Однако идеи, заложенные в классическом методе создания микрогетерогенной структуры антифрикционных материалов с металлической матрицей путем легирования ее элементами с переменной растворимостью, образующими после закалки и естественного или искусственного старения тонкодисперсные выделения упрочняющих интерметаллоидных фаз, принципиально не позволяют рассчитывать на возможность создания материалов для эксплуатации при температурах, равных 0,90…0,95 от температуры плавления (Тпл) матричного материала. Процессы закалки ведутся, как правило, при температурах не выше (0,85…0,90)Тпл, а структурные изменения, предшествующие полному растворению упрочняющих фаз, с заметной скоростью идут уже при (0,75…0,80)Тпл [4].
Принципиально иной метод создания микрогетерогенной структуры реализуется в так называемых дисперсно-упрочненных материалах [4], к которым относятся композиционные материалы, упрочненные равномерно распределенными в матрице высокодисперсными частицами, которые химически не взаимодействуют с матрицей и не растворяются в ней вплоть до температуры ее плавления. Существующие модели упрочнения металлов тонкодисперсными частицами [4, 5], основанные на рассмотрении взаимодействия движущихся дислокаций с этими частицами, приводят к линейной зависимости прироста прочности матричного материала от обратной величины среднего межчастичного расстояния. При этом наибольший эффект упрочнения следует ожидать в том случае, если среднее расстояние между частицами будет составлять 100…500 нм, а средний размер самих частиц будет находиться в диапазоне от 10 нм до 50 нм. Помимо «прямого» эффекта упрочнения за счет частиц, связанного с возникновением дополнительного напряжения, необходимого для скольжения дислокации при наличии в матрице второй фазы, наблюдается также «косвенный» эффект упрочнения от стабилизации границ зерен, который, как правило, выше «прямого» эффекта упрочнения.
Если учесть, что согласно теории Холла-Петча [5] прирост деформирующего напряжения зависит для традиционных материалов линейно от обратной величины размера их зерна, то представляется необходимым для повышения прочности также у дисперсно-упрочненных материалов создавать в них зеренную структуру ультрамикродисперсного или даже нанодисперсного (менее 100 нм) типа.
Наибольшего эффекта в создании дисперсно-упрочненных материалов с высоким уровнем прочностных свойств, в том числе при повышенных температурах, удается достичь при использовании для их получения метода реакционного механического легирования, основанного на интенсивной обработке смеси порошковых металлических материалов в высокоэнергетических шаровых мельницах-аттриторах и вибромельницах в среде воздуха. Эта смесь содержит как порошок основы материала (например, меди), так и порошки легирующих элементов (например, алюминия), которые способны создавать в результате их взаимодействия с кислородом воздуха во время обработки в шаровых мельницах термодинамически стабильные фазы (в данном случае - оксид алюминия) наноразмерного уровня, являющийся упрочнителем (дисперсоидом) медной матрицы [6].
При размоле в энергонапряженной мельнице, особенно в аттриторе, частицы исходных порошков, подвергаясь интенсивной пластической деформации, разрушаются, а из осколков путем сварки трением возникают новые. Указанные процессы многократно повторяются во времени (обычно, от 1 ч до 2 ч) до тех пор, пока не образуется гомогенная гранулированная композиция, в которой исходные компоненты и образовавшиеся дисперсоиды диспергированы друг в друга. Тугоплавкая упрочняющая фаза (например, оксид алюминия) располагается внутри и по границам сильно деформированных осколков частиц порошка основы, которые имеют, в зависимости от степени интенсивности обработки, мелкокристаллическое, ультрамелкокристаллическое или даже нанокристаллическое строение. Для получения из гранулированной композиции компактного тела она подвергается дальнейшей термодеформационной обработке с использованием элементов порошковой и гранульной металлургии.
Таким способом получен ряд дисперсно-упрочненных материалов, в том числе на основе порошковой меди, главной особенностью которых является чрезвычайно высокая температура их рекристаллизации, достигающая до 0,92 от температуры плавления меди (1083°С).
Кроме того, эти материалы обладают высокими прочностными характеристиками, в том числе при повышенных температурах, а теплопроводность некоторых их марок достигает до 90% от теплопроводности технической меди при временном сопротивлении при растяжении до 450 МПа и относительном удлинении до 20% [7].
Благодаря строению своей структуры, подчиняемому принципу Шарпи [8], когда в пластичной основе равномерно распределены твердые включения, на которые опирается при трении контртело, например вал, эти материалы обладают хорошими триботехническими свойствами (фиг. 1).
Процесс трения для таких материалов [8] выглядит следующим образом: в ходе приработки мягкая матрица интенсивно изнашивается до выступания твердых кристаллов из общей массы, приработка заканчивается, когда контртело (вал, опорная пята) начинает полностью опираться на твердые частицы, которые обеспечивают высокую износостойкость антифрикционного материала. Мягкая основа при этом, изнашиваясь быстрее, образует сеть каналов (микрорельеф) между выступающими кристаллами, по которым циркулирует смазочный материал. Пластичная основа (матрица) обеспечивает защитную реакцию (упругую либо пластическую деформацию и др.) всего подшипникового материала на изменение условий трения и хорошую прирабатываемость.
В «классических» антифрикционных сплавах твердые включения имеют неблагоприятную для прочностных свойств форму. Так, в оловянном баббите Б83 эти твердые включения - кристаллы интерметаллида SnSb, имеют форму куба, а в бронзе БрО10 - эвтектоида +Cu31Sn8 имеет остроугольную, сильно разветвленную форму. Такая форма твердых включений приводит к низкой технологичности сплавов скольжения, характеризующейся отсутствием возможности пластической деформации. При механическом нагружении формируются зоны высокой концентрации напряжений, что лишает эти сплавы как возможно достижимой прочности, так и пластичности.
В дисперсно-упрочненных материалах твердые включения (дисперсоиды) имеют не кубическую или остроугольную форму, как интерметаллиды в стандартных оловянном баббите Б83 и оловянной бронзе БрО10, а более глобулярную форму (фиг. 2) и, ввиду малости размеров (20…60 нм) дисперсоидов, их количество в единице объема материала превосходит количество твердых включений в стандартных антифрикционных материалах, строение которых соответствует принципу Шарпи.
Эти особенности структуры дисперсно-упрочненных материалов положительно сказываются на их прочности и усталостных свойствах, пластичности и коэффициенте трения.
Однако существенным недостатком этих материалов является трудность консолидирования полученных в шаровой мельнице гранул в компактное тело, которая еще более возрастает при введении в исходную порошковую смесь с целью дальнейшего снижения коэффициента трения материала таких твердых смазок, как дисульфида молибдена, графита, которые, находясь не только внутри гранул, но и частично на их поверхности, препятствуют прочному «схватыванию» гранул за счет сдвиговых деформаций, даже при их горячей экструзии.
Известен подшипниковый материал на основе меди [9], содержащий олово, никель, железо, алюминий, марганец, кобальт, цинк, кремний и фосфор и 0,4…10% по объему твердых частиц со средним размером 0,1…25 мкм в виде одного или нескольких элементов из группы, состоящей из карбида вольфрама, карбида кобальта, вольфрама и молибдена, а также дополнительно содержит не более 10% по объему в общей сложности одного или нескольких представителей твердой смазки, выбираемых из группы, состоящей из дисульфида молибдена, сульфида вольфрама, нитрида бора и графита.
Результаты испытаний этого материала, описанные в [9], позволяют предположить, что он может быть использован в подшипниках скольжения при больших удельных нагрузках на них (не менее 100 МПа) и скоростях скольжения до 10 м/с. При этом этот материал допускает кратковременные нагревы подшипника до 200°С.
Однако в источнике известности [9] отсутствуют примеры практического применения данного материала в подшипниках скольжения и, главное, не указывается результат изнашивающего воздействия его твердых частиц на контртело (вал, пята и пр.). Кроме того, для его изготовления используется технология, предусматривающая элементарное смешивание исходных порошковых компонентов, что, как общеизвестно, не обеспечивает их однородного распределения в объеме материала, из-за чего должна проявляться анизотропия его свойств, в том числе триботехнических, что отрицательно сказывается на стабильности и работоспособности трибосопряжения.
Известны триботехнические антифрикционные материалы [10] для тяжелонагруженных узлов трения. Согласно новым представлениям о триботехнических материалах [10] они должны иметь следующее строение: твердая износостойкая фаза в виде каркаса, обеспечивающая высокую прочность и износостойкость; пластичная фаза с высокой теплопроводностью и низким коэффициентом трения, располагающаяся в межзеренном пространстве каркаса. Необходимо также диффузионное взаимодействие между фазами, формирующее переходные слои на межфазной границе (фиг. 3). Материал должен иметь минимальную пористость для высокой объемной прочности. Расположение пластичной фазы в нем должно быть таким, чтобы, не снижая механических свойств, обеспечивать его высокую теплопроводность. Повышение износостойкости такого материала возможно созданием в частицах каркаса слоя твердой износостойкой фазы в виде «оторочки».
Наиболее широкими возможностями в реализации предложенного антифрикционного композиционного материала обладают псевдосплавы «сталь - медный сплав», получаемые инфильтрацией [11]. Инфильтрация стального каркаса позволяет практически полностью исключить пористость за счет заполнения межчастичного пространства медным сплавом под действием капиллярных сил. Изотермическая выдержка обеспечивает формирование однородной структуры каркаса и необходимой морфологии медной фазы. Медная фаза, вследствие растворения в ней железной фазы и их диффузионного взаимодействия, проникает в межчастичное и межзеренное пространства, обеспечивая, таким образом, высокую теплопроводность и снижая коэффициент трения. Кроме того, при изотермической выдержке образуются переходные слои в межфазной области твердых растворов железа в меди и меди в железе, что обеспечивает повышение износостойкости и прочности материала.
Такой материал благодаря твердому стальному каркасу, содержащему твердые включения карбидов железа, обладает высокой износостойкостью: интенсивность его изнашивания составляет (1,39…8,70)·10-10. Однако такая интенсивность изнашивания достигается при невысоком уровне давления на подшипник - не более 5 МПа. Кроме того, из-за наличия этого же стального каркаса и доминирующей его доли в объеме материала должно быть усилено его изнашивающее воздействие на контртело (вал, пята и пр.). Если же уменьшить размеры частиц стального каркаса без изменения его доли в объеме материала, то возникают общеизвестные трудности с равномерной инфильтрацией этого каркаса медным сплавом, проявляющиеся прежде всего в возникновении незаполненных медным сплавом пор и других пустот, отрицательно влияющих на усталостную прочность материала.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является принятый за прототип [12] антифрикционный композиционный материал на основе порошковой меди, содержащий олово, железо и твердую смазку в виде дисульфида молибдена и углерода в виде графита при следующем соотношении компонентов (% мас.):
| олово | 27 |
| железо | 2 |
| углерод | 4 |
| дисульфид молибдена | 0,5 |
| медь | остальное |
Этот материал, имеющий обозначение ПА-БрО27Г4Мс0,5Ж2, рекомендуется в качестве высокоэффективного материала для использования в тяжелонагруженных подшипниках скольжения. В прототипе [12] показано, что снижение коэффициента трения до 0,035…0,040 порошкового материала ПА-БрО27Г4Мс0,5Ж2 при больших нагрузках, когда повышается температура и начинаются процессы окисления, связано с увеличением прослойки графита на поверхности трения. Положительное влияние на коэффициент трения оказывает также наличие в материале дисульфида молибдена, так как его кристаллическая решетка подобна решетке графита: между атомами молибдена и серы имеются тесные связи, в то время как расстояние между слоями атомов серы относительно больше.
Введение в материал дисульфида молибдена и железа снижает отрицательное влияние графита на его трещиностойкость, так как графит при спекании взаимодействует с железом и молибденом, образуя карбиды. Благодаря действию твердых смазок графита и дисульфида молибдена и более высокой твердости материала за счет легирования железом и оловом, износостойкость этого антифрикционного материала на основе меди также выше, чем материала без добавок железа и дисульфида молибдена и с меньшим содержанием графита - ПА-БрО27Г2, а также материала с добавкой свинца - ПА-БрО10С3.
В [12] утверждается, что введение в порошковые материалы на основе меди олова, железа, графита и дисульфида молибдена позволило получить коэффициент трения в 2 раза ниже, а износостойкость более чем в 2 раза выше, чем у компактной оловянной бронзы.
Но надо отметить, что временное сопротивление при растяжении указанного выше антифрикционного материалов ПА-БрО27Г4Мс0,5Ж2, обладающего пористостью 15…17%, не превышает 180 МПа, что явно недостаточно, чтобы этот материал мог быть использован в подшипниках скольжения коленчатого вала при высоких уровнях нагрузок, что подтверждается указанием в источнике [12] о предельном давлении на подшипник из этого материала, составляющем 2-5 МПа.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди с комплексом взаимоувязанных между собою физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств и невысокой стоимостью, способного эксплуатироваться в качестве антифрикционного слоя многослойных подшипников скольжения коленчатого вала средне- и высокооборотных высокофорсированных дизельных двигателей.
Технический результат заключается в создании антифрикционного композиционного подшипникового материала, предназначенного для работы при больших нагрузках и температурах нагрева, с высокими механическими и триботехническими характеристиками. Характеристики предлагаемого подшипникового материала следующие:
- временное сопротивление при растяжении при 20°С не менее 380 МПа при относительном удлинении не менее 6% и при 200°С - не менее 325 МПа при относительном удлинении не менее 7%;
- предел прочности при сжатии при 20°С - не менее 680 МПа при относительной осадке до разрушения не менее 30% и при 200°С не менее 750 МПа при относительной осадке до разрушения не менее 45%;
-твердость при 20°С не менее 125 НВ и при 200°С - не менее 120 НВ;
- интенсивность изнашивания при давлении 100 МПа и скорости скольжения не менее 5 м/с - не более 4·10-10 м при интенсивности изнашивания стального контртела - не более 2,5·10-13.
Технический результат достигается за счет подбора сбалансированного химического состава антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди, содержащего олово, железо и твердую смазку в виде дисульфида молибдена и углерода в виде графита, который согласно заявляемому изобретению дополнительно содержит алюминий, причем железо, дисульфид молибдена, углерод и алюминий содержатся в гранулах с размерами менее 50 мкм, изготовленных из порошковых композиций систем Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS2-Fe и Cu-Al-C-Fe, при следующем соотношении компонентов, % мас.:
| олово | 7,90…8,10 |
| алюминий | 0,45…0,55 |
| железо | 0,40…0,50 |
| дисульфид молибдена | 0,18…0,22 |
| углерод | 0,38…0,42 |
| медь | остальное |
Предлагаемый качественный и количественный состав антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди обеспечивает получение материала со следующими физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами (см. результаты опытных испытаний представлены в таблице):
- временным сопротивлением при растяжении при 20°С не менее 380 МПа при относительном удлинении не менее 6% и при 200°С - не менее 325 МПа при относительном удлинении не менее 7%;
- пределом прочности при сжатии при 20°С - не менее 680 МПа при относительной осадке до разрушения не менее 30% и при 200°С не менее 750 МПа при относительной осадке до разрушения не менее 45%;
- твердостью при 20°С не менее 125 НВ и при 200°С - не менее 120 НВ;
- интенсивностью изнашивания при давлении 100 МПа и скорости скольжения не менее 5 м/с - не более 4·10-10 при интенсивности изнашивания контртела из стали 40Х - не более 2,5·10-13.
Предложенный материал изготавливается из рабочей гранульно-порошковой смеси, содержащей в определенных пропорциях гранулы и порошки меди и олова систем Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS2-Fe и Cu-Al-C-Fe, и в конечном состоянии представляет собой матрицу (более мягкую связку) из порошкового материала системы Cu-Sn, в которой равномерно распределены более твердые гранулы.
Гранулы из порошковых композиций систем Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS2-Fe и Cu-Al-C-Fe имеют размеры менее 50 мкм и представляют собой антифрикционные материалы, ибо в своем составе содержат как мягкую связку в виде материала на основе меди системы Cu-Sn (для гранул из порошковых композиций систем Cu-Sn-C-Fe и Cu-Sn-MoS2-Fe), так и твердые включения (твердую смазку) в виде, соответственно, графита и дисульфида молибдена.
В опытных работах, выполненных авторами для получения заявленного материала, использовались как метод реакционного механического легирования в воздушной среде аттритора для изготовления гранул из порошковых композиций на основе меди систем Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS2-Fe и Cu-Al-C-Fe, так и технологии порошковой металлургии для изготовления конечного материала из рабочей гранульно-порошковой смеси, содержащей в определенных пропорциях эти гранулы и порошки меди и олова, благодаря чему удалось создать структуру материала (фиг. 4), в которой по мере износа матрицы (связки) из порошкового материала на основе меди системы Cu-Sn из обшей массы начинают выступать гранулы, на которые полностью начинает опираться контртело.
При этом более мягкая связка, изнашиваясь быстрее, чем гранулы, образует сеть каналов (микрорельеф) между выступающими гранулами, по которым циркулирует смазочный материал, и тем самым обеспечивает защитную реакцию (упругую либо пластическую деформацию) всего подшипникового материала на изменение условий трения и хорошую прирабатываемость. Гранулы представляют собою микрообъемы антифрикционных материалов, ибо в своем составе содержат как мягкую связку в виде материала на основе меди системы Cu-Sn (для гранул из порошковых композиций систем Cu-Sn-C-Fe и Cu-Sn-MoS2-Fe), так и твердые включения в виде соответствующих соединений олова с медью, железа, а также окислов меди и олова, образовавшихся в результате твердофазного взаимодействия (механохимического синтеза) меди и олова с кислородом воздуха в аттриторе во время проведения реакционного механического легирования. Кроме этого, в указанных гранулах содержится также твердая связка в виде, соответственно, графита и дисульфида молибдена, причем в ультрадисперсной форме и равномерно распределенной в материале гранул, что достигается интенсивным размолом в аттриторе исходных порошковых компонентов и схватыванием их разрушенных частиц между собою, последующим размолом и повторным схватыванием до образования совершенно однородного распределения продуктов размола (как и продуктов механохимического синтеза) в объеме гранул. Содержащееся в гранулах железо является неизбежным продуктом износа мелющих шаров, бил и стенки рабочей камеры аттритора и его содержание в гранулах, как показывает опыт, не превышает (0,4…0,5) % мас.
В гранулах из порошковой композиции системы Cu-Al-C-Fe матрицей является чистая медь, в которой равномерно распределены частицы железа и оксидов алюминия и меди, образовавшихся при твердофазном взаимодействии (механохимическом синтезе) алюминия и меди с кислородом воздуха в аттриторе, а также твердая смазка в виде ультрадисперсного графита.
Исследование тонкой структуры гранул на микрофольгах из них с использованием просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показали, что в результате интенсивной пластической деформации, которую претерпели компоненты исходных порошковых композиций при их обработке в аттриторе, матричный материал гранул имеет ярко выраженную субзеренную структуру со средним размером субзерен от 80 нм до 250 нм, а сами твердые включения (оксиды олова, меди и алюминия), образовавшиеся в результате механохимического синтеза, имеют размеры от 15 нм до 120 нм.
Как ранее было показано, наличие таких параметров тонкой структуры материалов обеспечивает им высокий уровень температуры рекристаллизации и способность работать при повышенных температурах эксплуатации.
Вышеописанные макроструктура и тонкая структура конечного материала соответствуют всем приведенным выше подходам в конструировании подшипниковых материалов, предназначенных для работы при больших нагрузках и температурах нагрева.
На фиг. 1 показана принципиальная схема контактирования вала с подшипниковым материалом из источника известности [8].
На фиг. 2 представлена угольная реплика медного объемного наноструктурного материала системы Cu-Al-C-O (ПЭМ) из источника известности [7].
На фиг. 3 представлена модель строения антифрикционного материала для тяжело нагруженных узлов трения с переходными слоями в железной и медной фазах (а) и с переходными слоями в железной и медной фазах и твердым износостойким слоем в железной фазе (б) из источника известности [10]).
На фиг. 4 изображена микроструктура полученного опытным путем заявленного антифрикционного композиционного материала на основе меди системы Cu-Sn-Al-Fe-MoS2-C.
Заявляемое техническое решение осуществляется следующим образом.
Антифрикционный композиционный материал на основе порошковой меди системы Cu-Sn-Al-MoS2-C-Fe получают в следующей последовательности:
- проводят проверку нормативных сопроводительных документов и входной контроль качества порошков меди, олова, алюминия, дисульфида молибдена и карбюризатора древесно-угольного;
- просушивают порошки компонентов;
- дозируют исходные порошковые композиции путем взвешивания порций шихты каждой композиции Cu-Sn-C; Cu-Sn-MoS2; Cu-Al-C, смешивают порошки композиций;
- полученные смеси каждой композиции засыпают в отдельные технологические кюбели и подвергают реакционному механическому легированию в аттриторе;
- отсортировывают полученные гранулы композиций от шаров аттритора и некондиционных гранул и гранулы каждой из композиций засыпают в отдельные кюбели с крышками;
- приготавливают гранульно-порошковую смесь системы Cu-Sn-Al-MoS2-C, дозируя композиции Cu-Sn-C, Cu-Al-C, Cu-Sn-MoS2, порошка меди и порошка олова путем взвешивания порций гранул и порошков, при этом железо входит в состав гранул в виде частиц износа мелющих шаров, бил и стенок рабочих камер аттритора;
- смешивают навески гранул и порошков в смесителе и полученную гранульно-порошковую смесь засыпают в технологический кюбель;
- приготавливают гранульно-порошковую смесь к прессованию, дозируя ее путем взвешивания;
- производят холодное компактирование при давлении 600 МПа гранульно-порошковой смеси в брикет с помощью пресса или холодное прессование плоской заготовки из гранульно-порошковой смеси;
- спекают брикеты или плоские заготовки в вакуумной электропечи при температуре 600°С;
- производят горячее прессование при давлении 600 МПа спеченных заготовок и последующее их охлаждение;
- производят контроль качества заготовок на отсутствие в них пор, вздутий, каверн, трещин и расслоений;
- проводят лабораторные испытания образцов из полученного антифрикционного материала с целью контроля его механических характеристик.
Для экспериментальной проверки предлагаемого антифрикционного материала авторами было взято три набора порошков металлов: один набор - по прототипу и два набора - по заявляемому изобретению.
Химический состав исходной порошковой смеси для изготовления материала по прототипу содержала следующее соотношение компонентов (% мас.): олово - 27, углерод - 4, дисульфид молибдена - 0,5, железо - 2, медь - остальное.
Изготовление цилиндрических образцов диаметром 13 мм и высотой 13 мм, а также плоских образцов шириной 30 мм, длиной 90 мм и высотой 5 мм из этого антифрикционного композиционного материала осуществлялось по технологии прототипа.
Определение временного сопротивления при растяжении и относительного удлинения материала при температурах 20°С и 200°С производилось соответственно по ГОСТ 1497 и ГОСТ 9651 путем растяжения плоских образцов на универсальной разрывной машине 1958У-10, снабженной температурной приставкой СТИ-ТС, которая позволяет проводить испытания автоматической поддержкой заданной температуры в диапазоне от 300°С до 1000°С. Предел прочности при сжатии при указанных выше температурах определялся в соответствии с ГОСТ 29204 путем сжатия цилиндрических образцов на той же испытательной машине. Твердость по Бринеллю определялась в соответствии с ГОСТ 23667-79 на цилиндрических образцах, причем для их нагрева до 200°С использовалась термовоздуходувка модели 8003 SKIL мощностью 1800 Вт, а температуру образца контролировали при помощи инфракрасного термометра (пирометра) testo 845 (диапазон измерений - от 35°С до +950°С, разрешение - 0,1°С).
Триботехнические испытания в соответствии с рекомендациями ГОСТ 26614 и Р 50-54-62-88 проводили по схеме «ролик-колодка», используя машину трения СМЦ-2, которая была модернизирована на развитие максимального усилия на испытуемый образец материала (колодку) до 100000 Н, благодаря чему удавалось создать давление на этот образец до 100 МПа. В качестве ролика (контртела) служил диск диаметром 100 мм и толщиной 15 мм, изготовленный из стали 40Х, закаленной до твердости 45НКСэ. Для смазывания использовалось моторное масло SAE 10W-40 по ТУ 0253-002-54409843-03. Скорость скольжения ролика по колодке составляла 5,3 м/с. Поскольку при давлениях на колодку 6,0…6,5 МПа при капельной подаче масла наблюдался сильный ее разогрев (до 200°С и выше) за несколько минут, то при более высоких давлениях, в том числе при 100 МПа зона трения подвергалась обильной смазке и охлаждению струйным методом циркулирующим моторным маслом.
Результаты лабораторных испытаний полученных образцов из антифрикционного материала приведены в таблице.
Пример №1 конкретного осуществления предлагаемого антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди.
Химический состав исходной гранульно-порошковой смеси для изготовления материала по изобретению содержал следующее соотношение компонентов (% мас.): олово - 7,90, алюминий - 0,55, железо - 0,50, дисульфид молибдена - 0,18, углерод - 0, 42, медь - остальное.
Пример №2 конкретного осуществления антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди. Химический состав исходной гранульно-порошковой смеси для изготовления материала по изобретению содержала следующее соотношение компонентов (% мас.): олово - 8,10, алюминий - 0,45, железо - 0, 40, дисульфид молибдена - 0, 22, углерод - 0, 38, медь - остальное.
Получение цилиндрических и плоских образцов, аналогичных описанным выше из антифрикционных композиционных материалов, приведенных в примерах №1 и №2, осуществлялось по вышеприведенной технологии. Эти образцы были подвергнуты тем же испытаниям, что и образцы из антифрикционного материала по прототипу. Результаты лабораторных испытаний образцов полученных материалов приведены в таблице.
Таблица
Сравнительный анализ результатов лабораторных испытаний на определение механических и триботехнических характеристик антифрикционных материалов, изготовленных по прототипу и настоящему изобретению, показывает, что антифрикционный композиционный материал по изобретению обладает более высокими по сравнению с прототипом механическими и триботехническими характеристиками.
Это означает, что заявленный изобретением технический результат достигнут.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. http://www.mahle-aftermarket.com/MAHLE_Aftermarket_EU/ru/Products-and-Services/Engine-components/Bearings
2. ГОСТ 14113-78. Сплавы алюминиевые антифрикционные. Марки. - Введ. 01-01-80. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. - 3 с.
3. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. - М. :Машгиз, 1963. - 239 с.
4. Портной К.И., Бабич Б.Н. Дисперсно-упрочненные материалы. - М.: Металлургия, 1974. - 199 с.
5. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали.- М.: Металлургия, 1979. - 208 с.
6. Österreich. - Patent 400.580. KupferwerkstofffürelektrischleitendeVerschleissteile / E. Schalunov, G. Jangg, H. Walther, A. Matrosov. ÖA 1341/93 von 08.07.1993
7. Шалунов Е.П. Жаро- и износостойкие медные гранулированные композиционные материалы с механохимически синтезированными упрочняющими наночастицами ДИСКОМ® и высокоресурсная продукция из них // Нанотехника. - 2007. - №1 (9). - С. 69-78.
8. Илюшин В.В., Потехин Б.А., Христолюбов А.С. Направление создания сплавов скольжения с повышенными технологическими свойствами // Леса России и хозяйство в них. 2013. №1 (44). - с. 169-171.
9 USA-Patent US 20030173000 A1. Tin-nickel-copper alloy containing hard particles of WC, W2C, Mo2C, W or Mo; grain size of matrix is not larger than 0, 070 mm / Kenji Sakai a.u. US 10/367,753 of 18.03.2002.
10. Витязь П.А., Ильющенко А.Ф., Савич В.В. Новые разработки в области металлургии в Беларуси (2011-2012 гг.) // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сб. докл. 8-го междунар. симп., Минск, 10-12 апр. 2013 г. Ч. 1. - Минск: Беларус. навука, 2013. - с. 366-371.
11. Прототип - Витязь П.А., Ильющенко А.Ф., Савич В.В. Новые разработки в области металлургии в Беларуси (2011-2012 гг.) // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сб. докл. 8-го междунар. симп., Минск, 10-12 апр. 2013 г. Ч. 1. - Минск: Беларус. навука, 2013. - с. 366-371.
Антифрикционный порошковый композиционный материал на основе меди, содержащий олово, железо, дисульфид молибдена и углерод в виде графита, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, мас. %:
| олово | 7,90 - 8,10 |
| алюминий | 0,45 - 0,55 |
| железо | 0,40 - 0,50 |
| дисульфид молибдена | 0,18 - 0,22 |
| углерод | 0,38 - 0,42 |
| медь | остальное |
причем структура композиционного материала представляет собой матрицу из порошкового сплава на основе меди, содержащего олово, в котором железо, дисульфид молибдена, углерод и алюминий содержатся в виде гранул размером менее 50 мкм.
