Порошковая проволока для получения в виде покрытия композитной антифрикционной бронзы
Владельцы патента RU 2788418:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к металлургии, в частности к антифрикционным бронзовым материалам, и может быть использовано в горнорудной промышленности, машиностроении, энергетике для тяжелонагруженных узлов скольжения. Порошковая проволока для получения в виде покрытия композитной антифрикционной бронзы состоит из медной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, содержащей порошки алюминия, железа, никеля, кремния и марганца, при следующем соотношении компонентов в порошковой проволоке, мас.%: железо 11-14, никель 5-9, алюминий 0,2-0,5, кремний 0,7-1,3, марганец 0,2-0,4, медная оболочка - остальное. Изобретение направлено на получение покрытия из бронзы, сочетающего высокие антифрикционные характеристики и стойкость против образования горячих трещин при наплавке. 1 пр., 2 табл., 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к металлургии, в частности к антифрикционным бронзовым материалам и может быть использовано в горнорудной промышленности, машиностроении, энергетике для тяжелонагруженных узлов скольжения.
Бронзовые материалы применяют в узлах трения, где требуются высокие антифрикционные свойства, в частности, в подшипниках скольжения и поршнях гидро- и превмоцилиндров. Для экономии дефицитной и дорогой бронзы, а также повышения конструктивной прочности узлов вместо цельнобронзовых деталей применяют биметаллические «стальная основа - бронзовое покрытие» детали. Покрытия получают в основном газовой, дуговой, лазерной наплавкой, газотермическим напылением, центробежным литьем. Исходными материалами для этих способов служат порошки, прутки/электроды, сплошные и порошковые проволоки. Из них проволоки наиболее технологичны из-за меньшей стоимости, а также удобству и стабильности подачи.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является отсутствие сочетания в бронзовых материалах высоких антифрикционных характеристик и технологичности получения из них деталей. Получение цельнобронзовых деталей может быть реализовано из всех типов бронз, однако это неэкономично. Применение покрытий снижает расход бронз, однако увеличивается вероятность образования трещин. Этот дефект связан с высокими скоростями кристаллизации из-за технологических особенностей способов получения покрытий и возможностью образования легкоплавких эвтектик в покрытиях.
Известны оловянистые бронзы вида Cu-10Sn (БрО10), которые отличаются наилучшими антифрикционными характеристиками среди бронз при значительных спокойных нагрузках и высоких скоростях относительного скольжения [Чернавский С.А. Подшипники скольжения. – М.: Машгиз, 1963, 244 с.].
Однако наплавка оловянистых бронз выявила высокую склонность к образованию горячих трещин вследствие образования хрупких интерметаллидов Cu3Sn [Арзамасов Б.Н., Бростем В.А., Буше Н.А. и др. Конструкционные материалы: Справочник / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 1990, 688 с.], что ограничивает их свариваемость. Поэтому эти материалы применяют в виде литья, которое отличается высоким уровень брака из-за пористости и низким коэффициент использования металла вследствие больших припусков. Таким образом, не решается техническая проблема недостаточной технологичности этого материала.
Известны алюминиевые бронзы, дополнительно легированные железом вида Cu-9Al-4Fe (БрАЖ 9-4). [Смирягин А.П., Смирягина Н.А., Белова А.В. Промышленные цветные металлы и сплавы. 3-е изд. - – М.: Металлургия, 1974, 488 с.]. У бронзы БрАЖ 9-4 выше механическая прочность, в сравнении с БрО10, и она отличается хорошей свариваемостью [Сварка и наплавка меди и сплавов на ее основе: Сборник / Составители: В.М. Илюшенко, Е.П. Лукьянченко. - Киев: Международная ассоциация «Сварка», 2013, 396 с.]. Это позволяет ее использовать в виде проволок для получения покрытий технологичными методами наплавки/напыления. Однако у нее антифрикционные характеристики, и, соответственно, интервал эксплуатационных нагрузок ниже, чем у вышеуказанного аналога [Чернавский С.А. Подшипники скольжения. – М.: Машгиз, 1963, 244 с.]. Таким образом, не решается техническая проблема недостаточно высоких антифрикционных характеристик материала.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому изобретению является материал в виде порошковой проволоки вида БрЖНА 12-7-1, которая состоит из медной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, включающей железный и алюминиевый порошок, отличающаяся тем, что в состав шихты, из которой выполнен сердечник, дополнительно введен никелевый порошок, при следующем соотношении компонентов (в мас.%): алюминиевый порошок 1-4, железный порошок 11-14, никелевый порошок 5-8. При этом масса сердечника составляет 14-26% по отношению к массе всей проволоки [Патент № RU 170923 МПК B23K 35/368 Шумяков В.И., Потехин Б.А., Коробов Ю.С., Христолюбов А.С., Илюшин В.В., Кочугов С.П., Балин А.Н., Вишневский А.А. Порошковая проволока для получения антифрикционных покрытий. Опубл. 15.05.2017, Бюл. № 14].
Из такой проволоки при расплавлении и охлаждении со скоростью более 700 град/с, что реализуется, в частности, при дуговой наплавке и литье вакуумным всасыванием, формируется покрытие с композитной структурой, включающей дендриты из высокотвердой мартенситостареющей стали и пластичную бронзовую матрицу, заполняющую междендритные пространства. Такое сочетание обеспечивает более высокие антифрикционные характеристики в сравнении с приведенными выше аналогами, табл. 1.
Таблица 1. Свойства испытанных бронзовых материалов
| № | Испытуемый материал | Коэффициент трения fтр. | Интенсивность изнашивания I, мкм/км |
| 1 | Покрытие из БрАЖ 9-4, данные согласно* | 0,070 | 0,69 |
| 2 | БрЖНА 12-7-1, отливка 3 кг, данные согласно** | 0,018 | 0,026 |
| 3 | БрЖНА 12-7-1, наплавка данные согласно** | 0,017 | 0,007 |
| 4 | Литая бронза БрО10, данные согласно** | 0,016 | 0,025 |
* Антифрикционные свойства наплавленной алюминиевой бронзы / В.М. Илюшенко, Э.Т. Мамыкина, А.И. Юга // Автоматическая сварка, 1968, №10, с.77-78.
** Influence of the microstructure dispersion on the tribological properties of composite bronzes reinforced with steel dendrites [Электронный ресурс] / B.A. Potehkin, A.A. Hernandez Fereira, A.S. Khristolyubov, A.Yu. Zhilyakov, V.V.Iliushin // 17th LACCEI International Multi-Conference for Engineering, Education, and Technology, LACCEI 2019. – Montego Bay, Jamaica; – 2019. doi:10.18687/laccei2019.1.1.295.
Однако использование данного материала не позволяет решить техническую проблему отсутствия сочетания в бронзовых материалах высоких антифрикционных характеристик и технологичности получения из них деталей. С одной стороны, имеет место недостаточная технологичность, что связано с формированием в покрытии горячих трещин в процессе охлаждения со скоростями, характерными для наплавки/напыления//литья. Это обусловлено высоким содержанием в составе алюминия, который при взаимодействии с железом образует в процессе кристаллизации хрупкие интерметаллиды типа Fe3Al. С другой стороны, антифрикционные характеристики материала желательно улучшить, поскольку они находятся на уровне вышеуказанного аналога, а именно оловянистой бронзы вида Cu-10Sn (БрО10).
Техническая проблема решается достижением технического результата, заключающегося в получении покрытия, сочетающего высокие антифрикционные характеристики и стойкость против образования горячих трещин при наплавке.
Указанный технический результат достигается тем, что в бронзовый материал в виде порошковой проволоки, которая состоит из медной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, включающей порошки алюминия, железа, и никеля и, согласно изобретению, в состав шихты, из которой выполнен сердечник, дополнительно введены кремний и марганец, при следующем соотношении компонентов, мас.%: железо (11-14), никель (5-9), алюминий (0,2-0,5), кремний (0,7-1,3); марганец (0,2-0,4).
У железа малая растворимость в меди в твердом состоянии (1,92 ат.% при 950°С соответственно и менее 0,09 ат.% при 600°С [Медь и медные сплавы. Отечественные и зарубежные марки: Справочник / О. Е. Осинцев, В. Н. Федоров. - М: Машиностроение, 2016. - 360 с.]. При этом соединения Cu-Fe, Cu-Ni, с заявленным содержанием Fe, Ni, затвердевают при температуре около 1200°C [Диаграммы состояния двойных металлических систем. Справочник. В 3 т./ Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение. Т. 2, 1997, 1024 с.]. Никель, хотя и образует серию сплошных твердых растворов в системе Cu – Ni, имеет бóльшее химическое сродство к железу, чем медь [Эллиот Д.Ф., Глейзер М., Рамакришна В. Термохимия сталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1969, 252 с.]. Это предопределяет формирование высоколегированных стальных дендритов со структурой мартенсита на основе Fe, Ni в процессе кристаллизации [Потак Я.М. Высокопрочные стали. - М.: "Металлургия", 1972. - 208 с.], твердость которых выше, чем у медной матрицы на 40-60 Hv50 [Потехин Б.А. Создание композитных бронз, армированных стальными дендритами / Б.А. Потехин, А.С. Христолюбов, А.Ю. Жиляков // Известия вузов. Цветная металлургия. – 2018. –Т.4. – С. 68-76].
При увеличении скорости кристаллизации (выше 700 град/с), например, при наплавке, формируется ультрадисперсная структура, что способствует росту износостойкости этого материала как наплавленного слоя в сравнении с этим же материалом, полученным по технологиям с меньшей скоростью кристаллизации.
На фиг. 1 показана структура композитной бронзы БрЖНКАМц 12-7-1-0,5-0,3, полученной литьем (а) и наплавкой (б). Видно значительное увеличение дисперсности дендритов, связанное с ростом скорости кристаллизации при наплавке, ≥ 700°С/с, в сравнении с литьем, ≤ 10°С/с.
Заявленный интервал содержания Al, Si обусловлен следующим: введение Al обеспечивает эффективное раскисление железа, так при температуре сварочной ванны 1600°С в присутствии Al в количестве 0,2…1,5 мас.% количество закиси железа на 1-2 порядка ниже, в сравнении с другими раскислителями (Ti, Si, Mn и др.) [Багрянский К.В., Добротина З.А., Хренов К.К. Теория сварочных процессов. – Киев: Вища школа, 1976, 424 с.]. При этом наиболее заметное снижение упругости диссоциации оксида алюминия наблюдается при содержании Al <0,5 мас.% [Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов. – М.: Высшая школа, 1977, 393 с.]. При дальнейшем увеличении его количества развивается химическое взаимодействие с Fe, при этом образуются хрупкие интерметаллиды. Так, при увеличении содержания Al от 1,2 до 3 мас.% пластичность сплава Fe-Al падает в 3 раза, до 12⋅10-7 н/м2 [Рабкин Д.М., Рябов В.Р., Гуревич С.М. Сварка разнородных металлов. – Киев: Техника, 1975, 207 с.]. Введение Si в заявленном количестве обеспечивает формирование, в условиях скоростного охлаждения наплавки, пересыщенного твердого раствора Fe-Si, что упрочняет как дендрит, так и матрицу. Также введение Al, Mn обеспечивает комплексное раскисление, предотвращающее выгорание Si, который, как указано выше, способствует повышению твердости.
Пример конкретного выполнения.
Для сравнительных испытаний прототипа БрЖНА 12-7-1 и заявляемой бронзы БрЖНКАМц 12-7-1-0,5-0,3 были подготовлены образцы в виде отливок массой 3 кг, полученных путем сплавления чистых шихтовых материалов в печи Таммана в восстановительной среде оксида углерода в алундовых тиглях, а также в виде наплавленного покрытия толщиной 3 мм, полученного дуговой наплавкой в аргоне порошковой проволокой диаметром 1,2 мм на основу из стали 20.
Трибологические характеристики измеряли по схеме «диск-палец», обеспечивающей условия граничного трения [Потехин Б.А. Структурные особенности наплавленных композитных бронз типа БрЖНКА 18-8-2-1 / Б.А. Потехин, А.С. Христолюбов, А.Ю. Жиляков // Вопросы материаловедения. – 2014. – № 4 (80). – С. 67-73], среда испытаний - масло. Условия испытаний соответствовали характерным для антифрикционных применений. Коэффициент трения определяли при скорости скольжения 3,3 м/с, удельном давлении 4 МПа, времени испытаний 4-11 часов. Интенсивность изнашивания определена при Р=1 МПа, скорости скольжения 3,3 м/с и пути трения 100000 метров. Результаты испытаний, см. табл. 2, различаются для каждого материала, вследствие изменения скорости охлаждения в зависимости от способа изготовления образцов, при наплавке скорость на 1-2 порядка выше.
Контроль поверхности методом цветной дефектоскопии показал отсутствие трещин до и после испытаний в материале заявленного технического решения. Это свидетельствует о возможности получать качественные покрытия технологичным методом наплавки.
Табл. 2 Трибологические свойства прототипа БрЖНА 12-7-1 и заявляемой бронзы БрЖНКАМц 12-7-1-0,5-0,3
| № | Бронза, дендрит | fТР | I, мкм/км |
| 1 | БрЖНА 12-7-1, отливка 3 кг | 0,017 | 0,024 |
| 2 | БрЖНА 12-7-1, наплавка | 0,015 | 0,012 |
| 3 | БрЖНКАМц 12-7-1-0,5-0,3, отливка 3 кг | 0,013 | 0,006 |
| 4 | БрЖНКАМц 12-7-1-0,5-0,3 наплавка | 0,016 | 0,002 |
Как следует из таблицы, износостойкость заявляемой бронзы выше, чем у прототипа, особенно в наплавленном состоянии. При этом коэффициент трения (fТР) не коррелирует с износостойкостью (I, мкм/км), являющейся основной служебной характеристикой, что, по нашему мнению, связано с различием механических характеристик материалов из-за изменения состава дендритов.
Заявляемое техническое решение обеспечивает снижение интенсивности изнашивания в условиях трения скольжения со смазкой, как основной эксплуатационной характеристики антифрикционных свойств, за счет целенаправленного формирования композитной структуры «матрица на медной основе – стальные дендриты».
Наиболее эффективно применение заявленной бронзы для получения покрытий наплавкой, газотермическим напылением, при которых формируется ультрадисперсная структура дендритов, а заключительная термическая обработка не требуется.
Порошковая проволока для получения в виде покрытия композитной антифрикционной бронзы, состоящая из медной оболочки и сердечника, выполненного из шихты, содержащей порошки алюминия, железа, и никеля, отличающаяся тем, что шихта, из которой выполнен сердечник, дополнительно содержит порошки кремния и марганца, при следующем соотношении компонентов в порошковой проволоке, мас.%: железо 11-14, никель 5-9, алюминий 0,2-0,5, кремний 0,7-1,3, марганец 0,2-0,4, медная оболочка - остальное.
