Спосіб виготовлення фрикційних дисків

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к производству фрикционных дисков припеканием накладок из порошковых материалов к стальной основе. Фрикционный диск состоит из стальной основы - каркаса (сталь 30Х2Н2ВФМА-III), на который после меднения и диффузионного отжига напрессовывается с двух сторон порошковый материал БМК-1 и производится спекание под давлением при температуре 710 ± 10°C в защитной атмосфере. Известен наиболее близкий по технической сущности и достигаемому результату способ изготовления фрикционных дисков, включающий предварительную обработку стального каркаса, нанесение медного гальванического покрытия на стальную основу, прессование фрикционных накладок из порошкового материала БМК-1 и спекание под давлением в среде защитного газа при температуре 720 + 20°C в течение 3 часов. После спекания диски охлаждают до 200°C со скоростью 1,5 - 4,0град/мин, далее произвольно [1]. К недостаткам данного способа следует отнести низкие адгезионные свойства фрикционного слоя и низкий уровень прочностных характеристик стального каркаса, что приводит к отслоению, микровыкрашиванию фрикционных накладок и потери геометрии диска в результате микропластической деформации каркаса. Анализ вышедших из строя фрикционных дисков показал, что основными эксплуатационными дефектами являются: разрушение материала покрытия, которое происходит преимущественно по межфазным поверхностям исходных гранул порошковых композитов материала БМК-1 без видимых следов пластической деформации; отслаивание фрикционного материала БМК-1 от стального каркаса; пластическая деформация стального каркаса, приводящая к выгибанию диска в форме зонтика, вследствие низких прочностных свойств стали. Причиной образования первых двух эксплуатационных дефектов является относительно низкая температура спекания, не обеспечивающая протекание диффузионных процессов в достаточной степени. Причиной третьего дефекта - низкой конструктивной прочности стального каркаса, напротив, является достаточно высокая температура нагрева дисков при спекании, приводящая к раз упрочнению стали 30Х2Н2ФВМА-III, имеющей структуру мартенсита. Таким образом, решение задачи комплексного повышения механических характеристик фрикционных дисков, состоящих из стального каркаса и накладок из порошкового материала БМК-1, ограничено наложением двух взаимно исключающих условий: необходимость повышения температуры спекания дисков с целью увеличения адгезионной прочности материала БМК-1 и необходимостью снижения температуры спекания с целью подавления процессов разупрочнения материала каркаса стали 30Х2Н2ВФМА-III. Задачей данного изобретения является разработка способа изготовления фрикционных дисков, состоящих из стального каркаса и припеченных накладок из порошкового материала на медной основе, одновременно обеспечивающего повышение как адгезионной прочности фрикционного слоя, так и прочностных характеристик стального каркаса. Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления фрикционных дисков, включающем предварительную обработку стального каркаса, нанесение на него гальванического медного покрытия, прессование накладок из порошковой смеси на медной основе и спекание накладок с каркасом под давлением в среде защитного газа в течение 3 часов с последующим контролируемым охлаждением до 200°C, спекание проводят при температуре 800 830°C, а охлаждение ведут со скоростью 5 15град/мин. Заявленный температурный диапазон спекания 800 - 830°C совмещен с режимом аустенизации среднеуглеродистой комплекснолегированной конструкционной стали каркаса, что позволяет при последующем регламентируемом охлаждении (со скоростью в интервале значений (5 - 15)град/мин до температуры 200°C) получить структуру бейнита, обладающую более высоким комплексом механических свойств в сравнении со структурой мартенсита отпуска. В известном способе [1] температурный режим спекания совмещен с интервалом высокого отпуска материала каркаса среднеуглеродистой комплекснолегированной стали со структурой мартенсита, ограниченным критической температурой в котором скорость разупрочнения стали определяется необратимыми диффузионными процессами, и, следовательно, возможность существенного повышения комплекса свойств ограничена. С повышением температуры спекания увеличивается адгезионная прочность фрикционного материала, но при температуре спекания выше 830°C наблюдается выпотевание из порошкового материала легкоплавкой фазы. Заявляемый интервал скоростей охлаждения дисков после операции спекания определяется тем, что с одной стороны, при охлаждении со скоростью более 20град/мин происходит подкалка стали каркаса на мартенсит (снижающая запас пластичности), требующая дополнительного отпуска, а с другой, при охлаждении со скоростью менее 5град/мин происходит частичный распад переохлажденного аустенита в надкритической области температур (выше с образованием низкопрочных структурных составляющих (перлита, сорбита), приводящий к снижению свойств (см. таблицу). В результате спекания фрикционных дисков по режимам заявляемого способа существенно повышаются прочностные характеристики стального пределах каркаса предел прочности текучести деформационного упрочнения а также адгезионная коэффициент твердость прочность фрикционного слоя при постоянстве его фазового состава. Пример. На стальной каркас (сталь 30Х2Н2ВФМА-III) после электролитического меднения и диффузионного отжига припекали с двух сторон накладки из порошкового материала БМК-1 следующего состава: 8 - 9%; 4 - 5%; 6 - 7%; 3 - 4%; 0,75 - 1,25%; 0,75 1,0%; - ост. Производили спекание под давлением 0,8 1,2МПа в среде диссоциированного аммиака при температуре 800 - 830°C в течение 3 часов. Затем диски охлаждали в защитной атмосфере со скоростью в интервале 5 - 15град/мин до 200°C, далее на воздухе. Исследования микроструктуры материала фрикционных дисков проводили методом растровой электронной микроскопии на приборе "JSM T-300" и методом рентгеноспектрального микроанализа на приборе фазовый состав исследовали рентгеноструктурным методом на дифрактометре Исследование механических характеристик проводили при 20°C. Определяли прочностные характеристики стальной основы на образцахсвидетелях, прошедших обработку совместно с дисками: предел прочности относительное предел текучести удлинение относительное поперечное сужение по ГОСТ 1497 - 84; коэффициент деформационного упрочнения -1 (3), твердость по ГОСТ 8064 - 79; ударную вязкость по ГОСТ 9454 - 78. Адгезионные свойства фрикционного слоя определяли на сдвиг по на механической машине при скорости перемещения захвата 1мм/мин. Механические характеристики материала фрикционных дисков для различных режимов спекания представлены в таблице. Из полученных результатов видно, что повышение температуры спекания от 710°C до 800°C и 830°C повышает адгезионную прочность материала БМК-1 в среднем на 33 и 44% соответственно. Существенно возрастают и прочностные характеристики и твердость. Так, увеличение значения для температур спекания 800°C и 830°C составляет соответственно 23 и 50%, при этом увеличивается значение коэффициента деформационного упрочнения от 0,51 (для до 0,96 - 1,49. Увеличение значения соответствует повышению сопротивления материала локализации пластической деформации и снижению вероятности хрупкого разрушения деталей, подверженных интенсивному силовому воздействию. Снижению ударной вязкости стали с повышением температуры спекания дисков является закономерным фактом и вполне соответствует достигаемому уровню прочности. Кроме этого, величина порядка 600КДж/м2 является достаточной для тяжелонагруженных конструкций, тем более, что рабочее сечение фрикционного диска существенно меньше испытанного на ударный изгиб образца, а значит имеет большую возможность для объемной пластической релаксации напряжений. Повышение температуры спекания до 850°C и выше приводит к снижению адгезионной прочности материала покрытия БМК-1 (таблица) в результате подплавления легкоплавких компонентов. Наложение дополнительного отпуска 650°C, 3ч. снижает прочностные характеристики стали и адгезионную прочность материала БМК-1, сохраняя тем не менее более высокий уровень свойств по сравнению со стандартным режимом спекания.