Порошковий антифрикційний матеріал на основі міді

Винахід відноситься до порошкової металургії, зокрема до порошкових антифрикційних матеріалів на основі міді, які працюють при високих швидкостях обертання і невеликих тисках. Аналогом даного винаходу є олов'яна бронза ПА - Бр0 ГОСТ 26719-85 такого хімічного складу, (в мас.%): олово 9,50-10,50 мідь решта Однак, недоліком аналогу є те, що при високих швидкостях обертання відбувається різке підвищення його коефіцієнту тертя та інтенсивності зношування, що призводить до різкого зменшення довговічності бронзи і втрати нею працездатності. Прототипом винаходу, що заявляється, є найбільш близький до нього по технічній суті порошковий антифрикційний матеріал на основі міді [а.с. СРСР №1527925 , 08.08.1989p., C22C9/08] такого хімічного складу, (в мас.%): олово 5,0-11,0 свинець 2,0-10,0 фосфід міді 6,0-18,0 стеарат цинку 0,1-0,80 мідь решта Недоліком цього матеріалу є те, що при швидкості обертання 20000об/хв. (2,0м/с) і навантаженні 0,1МПа коефіцієнт тертя і інтенсивність зношування його з часом зростають, що приводить до підвищення його температури і, як наслідок, до зменшення довговічності. Установлено, що при наведених вище умовах роботи довговічність прототипу становить 400 годин. Задачею винаходу "Порошковий антифрикційний матеріал на основі міді" є підвищення антифрикційних властивостей матеріалу - зниження коефіцієнту тертя, зменшення інтенсивності зношування і збільшення довговічності матеріалу при високих швидкостях обертання (до 20000об/хв. (2,0м/с)) і невисоких тисках (0,10,2МПа). Поставлена задача вирішується тим, що у матеріал на основі міді, який містить олово, фосфід міді і стеарат цинку, згідно винаходу, додатково вводиться дисульфід молібдену, кремній і сірка, а інгредієнти матеріалу взяті у такому співвідношенні, (мас.%): олово 5,0-11,0 фосфід міді 6,0-18,0 стеарат цинку 0,10-0,80 дисульфід молібдену 1,50-11,50 кремній 0,30-0,60 сірка 0,40-0,75 мідь решта Суть винаходу полягає у тому, що порошковий антифрикційний матеріал на основі міді, крім олова, фосфіду міді і стеарату цинку, додатково містить дисульфід молібдену, кремній і сірку у такому співвідношенні інгредієнтів, (мас.%): олово 5,0-11,0; фосфід міді 6,0-18,0; стеарат цинку 0,10-0,80; дисульфід молібдену 1,5-11,5; кремній 0,30-0,60; сірку 0,40-0,75; мідь - решта. Олово і кремній, утворюючи з міддю твердий розчин, зміцнюють основу і підвищують комплекс механічних властивостей матеріалу, що в умовах високих швидкостей обертання позитивно впливає на працездатність вузла тертя. Введення в мідь кремнію, поряд з оловом, понижує схильність матеріалу до схоплювання і переносу його на спряжену поверхню. Підвищення зносостійкості матеріалу досягається за рахунок введення до складу матеріалу фосфіду міді. В процесі спікання порошкової композиції утворюється евтектика з температурою плавлення 714°С, яка складається із кристалів a-твердого мідноолов'яного розчину і кристалів фосфіду міді Сu3Р. Розплавлена евтектика змочує твердий розчин легуючи х елементів в міді і розташовується уздовж меж зерен у вигляді "розірваної сітки". Ця фаза при терті перешкоджає інтенсивній пластичній деформації поверхневого шару, понижує при цьому температуру у зоні тертя і усуває схоплювання. При такому розподілі евтектики матеріал зміцнений, але не втрачає пластичність і має можливість розподіляти енергетичне навантаження, яке виникає в вузлі тертя при великих швидкостях обертання, рівномірно. Збереження пластичності дозволяє матеріалові передеформуватися в умовах великих швидкостей обертання без руйнування, що сприяє підвищенню його зносостійкості, а отже і довговічності вузла тертя, в склад якого входить підшипник, виконаний із запропонованого матеріалу. Шаруваті сполуки дисульфід молібдену і сульфіди міді CuS і Сu2S , які утворюються під час синтезу матеріалу за рахунок взаємодії міді з сіркою, виконують роль твердих мастил і утворюють під час роботи змащувальну плівку на робочій поверхні матеріалу. Додаткове і одночасне введення у матеріал твердих і рідкого мастил (мастила Б-3В у пори матеріалу) приводить до прояви надсумарного ефекту - одночасної сумарної дії введених мастил, яке і забезпечує новому порошковому матеріалові, у порівнянні з відомим, зменшення коефіцієнту тертя і збільшення довговічності. Крім того, під час можливого тимчасового припинення подачі рідкого мастила у зону тертя перелічені вище шар уваті сполуки, утворюючи плівку на поверхні пари тертя, запобігають їх схоплюванню. Стеарат цинку виключає сегрегацію складових суміші порошків по питомій вазі і сприяє утворенню в процесі спікання гомогенного сплаву. Рівномірний розподіл структурних складових стабілізує швидкість обертання підшипника із запропонованого матеріалу та його коефіцієнт тертя. Запропонований матеріал отримували звичайним пресуванням суміші порошків у вироби і спіканням останніх у водні при температурі 440-470°С на протязі 50-60хв., а потім при температурі 780±10°С на протязі 70хв. Під час спікання матриця розширюється, що забезпечує підвищення пористості і масловсмоктуванності. Технологія отримання матеріалу забезпечує утворення фосфористого шару навколо частинок M0S2. Цей шар виконує роль зв'язуючої фази частинок MoS2 з матрицею і усуває змішування дисульфіду молібдену з рідким мастилом. За рахунок цього досягається надійна робота твердого мастила при пускових режимах і рідкого мастила у робочому режимі. Двохступеневе спікання забезпечує відновлення оксидних плівок на поверхні легкоплавких металів (Sn і Рb), утворення a-твердого розчину легуючи х елементів у міді, формування і утворення евтектики, яка розташовується у вигляді "розірваної сітки" вздовж меж зерен матриці, рівномірний розподіл структурних складових, в тому числі шарувати х сполук, виключає ліквацію складових і цементує їх у єдиний пористий конгломерат з відповідною структурно-морфологічною побудовою. Вибраний хімічний склад матеріалу і перелічені вище процеси, які протікають при його синтезі, забезпечують запропонованому порошковому матеріалові необхідну структурно-морфологічну побудову, а останні забезпечують йому при високих швидкостях обертання і невеликих тисках малий коефіцієнт тертя, високу зносостійкість і довговічність. Визначення антифрикційних властивостей матеріалів здійснювалось після вакуумного просочування їх мастилом В-38 ТУ 38.10.1295-75 на машині тертя М-22М по схемі вал - вкладиш. Тиск становив 0,1МПа. швидкість ковзання 1,2 і 2,0м/с. Контртіло - із сталі 40X13 (ГОСТ 5632-72) твердістю HRC 55-57 з шорсткістю Ra 0,2. В результаті досліджень визначались коефіцієнт тертя і інтенсивність зношування. Підшипники, виготовлені із запропонованого матеріалу, випробовувались на довговічність у складі мікроелектродвигунів ЕД-6 при швидкостях обертання 12000об/хв. (1,2м/с) і 20000об/хв. (2,0м/с). У таблиці представлені антифрикційні властивості запропонованого і відомого матеріалів. Із даних таблиці витікає, що запропонований матеріал має у порівнянні з відомим більш низький коефіцієнт тертя і більш високу зносостійкість, а підшипники, виготовлені із нього, мають більшу до вговічність. Приклад 1 (див. табл., N п/п 1). У вигляді порошків взяли 88,81г міді, 4,5г олова, 5,0г фосфіду міді, 0,09г стеарату цинку, 1,0г дисульфіду молібдену, 0,25г кремнію, 0,35г сірки. Для отримання однорідної шихти порошки змішували на протязі 3 годин. Із отриманої суміші порошків спресували зразки, які спекли при наведених вище у тексті температурах і витримках. Як видно із таблиці, зразки з отриманого композиту, просмоктані мастилом, при тискові 0,1Мпа і швидкості ковзання 1,2-2,0м/с мають коефіцієнт тертя 0,085-0,13, їх інтенсивність зношування дорівнює 0,006-0,015мкм/км, а довговічність підшипників ковзання із нього при швидкостях обертання 1200020000об/хв. складає 300-700 годин. Таким чином, триботехнічні характеристики композиту N1 нижчі від триботехнічних характеристик композитів NN 2, 3, 4, що пояснюється недостатньою кількістю уведених до його складу, в першу чергу, олова і фосфіду міді і, як наслідок, незначне зміцнення матеріалу і відповідно зменшення його опору стиранню і схоплюванню. А по-друге, малою кількістю у складі композиту дисульфіду молібдену. У такій кількості (1мас.%) дисульфід молібдену не забезпечує мінімальні втрати на тертя, оскільки у цьому випадку поєднання тиску, швидкості ковзання (обертання) і механічних властивостей несучої частини матеріалу, як однієї із його структурних складових, і твердого мастила, як другої його стр уктурної складової, не забезпечують неперервне утворення і вистилання робочих поверхонь опор ковзання захисною розділювальною плівкою. Приклад 2 (див. табл., N п/п 2). У вигляді порошків взяли 67,7г міді, 11,0г олова, 18,0г фосфіду міді, 0,80г стеарату цинку, 1,5г дисульфіду молібдену, 0,60г кремнію і 0,40г сірки. Одержали композит за схемою, яка описана у прикладі 1. Із таблиці видно, що просмоктані мастилом зразки з композиту N2 при тискові 0,1Мпа і швидкості ковзання 1,2-2,0м/с мають коефіцієнт тертя 0,075-0,10, їх інтенсивність зношування дорівнює 0,005-0,007мкм/км, а довговічність підшипників ковзання із нього більша, ніж підшипників із композиту N1. Покращення службових характеристик пояснюється підвищенням рівня міцносних властивостей композиту за рахунок збільшення в його складі кількості олова, кремнію, фосфіду міді, яке веде до зростання зносостійкості матеріалу і його опору стиранню та схоплюванню і відповідно - до збільшення довговічності. А по-друге, збільшення кількості дисульфіду молібдену, як твердого мастила, і появою під час спікання таких сполук, як CuS и Cu2S, змащувальні дії яких пояснюються шароватістю їх стр уктури, малою енергією розщеплення по площинам спаяності і високою адгезією до металічних поверхонь, приводить до зменшення коефіцієнту тертя. Приклад 3 (див. табл., N п/п 3). У вигляді порошків взяли 72,25г міді, 9,0г олова, 12,0г фосфіду міді, 0,30г стеарату цинку, 5, г дисульфіду молібдену, 0,45г кремнію і 0,60г сірки. Композит одержали за схемою, яка описана у прикладі 1. Результати випробувань на тертя, зношування і довговічність зразків показали оптимальний рівень триботехнічних характерне гик композиту N3 - низький коефіцієнт тертя 0,05-0,08, малу інтенсивність зношування 0,003-0,006мкм/км і велику довговічність 720-1520 годин. Високі службові характеристики композиту N3 пояснюються тим, що вибраний хімічний склад матеріалу і спосіб його отримання забезпечують утворення найбільш зносостійкої для даних умов роботи структури* (* - a твердого розчину легуючи х елементів у міді з достатньою міцністю, твердістю, пластичністю; формування в оптимальній кількості евтектики, розташованої у вигляді "розірваної сітки" вздовж зерен матриці; рівномірний; розподіл структурних складових, в тому числі і шар увати х сполук MoS2 і утворених під час синтезу CuS і Cu2S), яка забезпечує матеріалові при високих швидкостях ковзання (обертання) і невеликих тисках оптимальні триботехнічні властивості - малий коефіцієнт тертя, високу зносостійкість і довговічність. Таким чином, введення дисульфіду молібдену, кремнію і сірки до складу відомого матеріалу (прототипу) зменшує при швидкості ковзання 1,2-2,0м/с і тискові 0,1МПа коефіцієнт тертя запропонованого матеріалу в 1,8...1,2 рази, збільшує його зносостійкість (зменшує інтенсивність зношування) в 2,0...1,125 рази, а довговічність підшипників ковзання із нього при швидкості обертання 12000-20000об/хв. збільшує в 1,9...1,2 рази в порівнянні з прототипом. Отже, введення до складу матеріалу вище перелічених інгредієнтів дозволяє істотно підвищити триботехнічні характеристики самозмащувального порошкового антифрикційного матеріалу на основі міді, що свідчить про незаперечну його перевагу в порівнянні з відомим. Розроблений матеріал може бути використаний для виготовлення самозмащувальних підшипників ковзання, втулок, вкладишів і т.д., які працюють при високих швидкостях обертання (до 20000об/хв. (2,0м/с) і малих тисках (0,1МПа - 2,0МПа). Опори ковзання із запропонованого матеріалу можуть бути використані у вузлах тертя машин і механізмів в області приладобудування, машинобудування, енергетики, наприклад, у високооборотних вузлах тертя електродвигунів, редукторів і т.д., працездатність і класність яких визначаються їх довговічністю, мінімальними втратами на тертя і зношування.