Антифрикційний композиційний матеріал

Винахід відноситься до машинобудування, а саме до антифрикційних композиційних матеріалів, які застосовуються у вкладишах підшипників ковзання, працюючих в умовах обмеженої змазки та високої температури, може бути використане в металургії та інши х галузях промисловості. Відомий антифрикційний матеріал, який містить сплав на основі міді і наповнювача у вигляді чавунного дробу [Авторське Свідоцтво СРСР №623397, кл.С22С38/16 1977р.]. Однак цей матеріал може бути ви готовлений тільки із застосуванням латуней, тому що при застосуванні бронз, які мають температуру лиття 1150°С, чавунний дріб розплавиться і композиційний сплав не утвориться. До того ж чавунний дріб уявляє собою білий чавун, який не має антифрикційних властивостей і як слідство цей антифрикційний матеріал буде мати високий коефіцієнт тертя. Відомий антифрикційний матеріал [патент України UA 2354С1 от 31.01.94р.], який обраний авторами в якості прототипа. Антифрикційний матеріал містить матрицю з сплава на основі міді і як наповнювач сфероїдальний зерновий твердий сплав, а як змазку - кристалічний графіт. Причина, яка перешкоджає прототипу досягнути потребуємого технічного результату, є недостатні антифрикційні властивості наповнювача, що виключає можливість антифрикційного матеріалу мати низький коефіцієнт тертя. В основу винаходу покладене завдання розробити антифрикційний композиційний матеріал, який має наповнювач у вигляді зернового сфероїдального сплава з високими антифрикційними властивостями, за рахунок гетерогенної структури, а матриця володіє властивостями твердої змазки, що дозволило б антифрикційному композиційному матеріалу, мати коефіцієнт тертя на рівні антифрикційних бронз та латуней та володіти високою зносостійкістю, забезпечуючи накінець високий термін служби деталей вузла тертя ковзання. Рішення технічного завдання досягнуто тим, що антифрикційний композиційний матеріал має матрицю, наповнювач та тверду змазку, та містить як матрицю мідь, як наповнювач дріб сталеву литу графітизовану і сульфідовану, а як тверду змазку графіт кристалічний та сірку при такому співвідношенні мас %: графіт кристалічний 1,0-5,0 сірка 0,2-0,5 дріб стальна лита графітизована і сульфідована 50,0-60,0 мідь решта Загальною ознакою вже відомого та заявляемого антифрикційного композиційного матеріалу є місткість графіту кристалічного. Відзначними суттєвими ознаками заявляемого антифрикційного композиційного матеріалу від прототипа є: - містить в якості наповнювача дріб сталеву литу графітизовану та сульфідовану; - містить в якості матриці мідь; містить в якості твердої змазки сірку; відсоткове співвідношення компонентів. Присутність цих ознак дозволяє класифікувати винахід, як відповідний критерію "новизна". Запропонований антифрикційний композиційний матеріал має гетерогенну структур у, тобто, стр уктуру яка складається з розбіжних часток різноманітних по складу та вн утрішній стр уктурі та обмежених видимими поверхнями розділу. Таку стр уктуру мають найкращі антифрикційні сплави бабіти та олов'яністі бронзи. Вони складаються з пластичної матриці, для бабітів це олово, для бронз це мідь, та твердих вкраплень, володіючих високою антифрикційністю. Для бабітів твердими вкрапленнями є сполуки олова з сурьмою SnSb та олова з міддю Cu3Sn. Для олов’яністих бронз твердими вкрапленнями є сполуки міді та олова Cu 3Sn. В запропонованому антифрикційному композиційному матеріалі твердими вкрапленнями у пластичній матриці є сталева лита графітизована та сульфідована дріб, з твердістю від НВ 200 до HRC60 та високими антифрикційними властивостями за рахунок наявності в стр уктурі дробу вільного графіту і на поверхні дробинок плівки сульфіду заліза FeS. Ця плівка відвертає безпосередній контакт між металевими поверхнями та відіграє роль постійної змазки, що виключає задіри та наволочювання металу. Плівка сульфіду заліза, зокрема, здібна абсорбувати кисень та інші поверхньоактивні речовини, що благодійно впливає на зниження коефіцієнта тертя. Графітизуючому відпалу піддають, наприклад, дріб сталеву литу по ГОСТ 11964-81 диаметром 0,5-1,0мм, яка має хімсостав мас. %: вуглець С 0,85-1,15 кремній Si 0,6-1,00 марганець Μn 0,6-1,0 залізо Fe решта Для поліпшення графітизуючої здібності дробі підвищили вміст в ній вуглецю С до 1,2-1,4% , та кремнію Si до 1,2-1,4% за рахунок проведення процесу графітизації в цементаційній газовій печі, змішав попередньо дріб з порошком феросиліції. Процес графітизації проводили в печі для газової цементації, наприклад, за режимом: нагрів до температури 950°С, витримка 3-4 години, охолодження до температури 700-720°С, витримка 5 годин, охолодження до 630°С, решта на повітрі. Процес сульфідування дробі та забезпечення композиційного сплава кристалічним графітом та сіркою виконали при наплавці підшипника ковзання в герметичній формі в печі. При цьому змішали графітизовану дріб з графітом кристалічним і порошком сірки. Нагріли до температури 120-140°С, витримали 20-30 хвилин, сірка розплавилась і просочила дріб, нагріли до 600°С, витримали 30-40 хвилин, в поверхнім шару утворилися сульфіди заліза FeS. При подальшому нагріві до температури розплаву міді 1150°С сірка знаходиться в газоподібному стані. При охолодженні до температури нижче 112°С перетворюються на кристали які вкраплені в мідну матрицю. Запропонований антифрикційний композиційний матеріал має в якості пластичної матриці мідь, що принципово відрізняється від прототипа де використовується сплав на основі міді. Мідь в порівнянні з бронзами та латунями не має антифрикційних властивостей. Входячи до составу гетерогенної структури, якою є структура композиційного матеріалу, це від неї і не вимагається. Однак мідь, маючи високу пластичність, теплопровідність та достатню міцність, володіє також мастильними властивостями, що забезпечує антифрикційному композиційному матеріалу високі антифрикційні властивості. Відомо, що для поліпшення властивостей мастильних мастил, до їх складу вводять мідний порошок; поверхню однієї сталевої деталі з пари, яка працює на тертя натирається міддю. Автором було проведено промислове випробовування сталевого вкладника шпиндельного з'єднання прокатного стана 600, у робочі поверхні якого були уставлені мідні пробки. Вкладники мали термін служби на рівні бронзових. Зів сталевого шпинделя після 4-х місяців експлуатації не мав зносу. Таким чином, в процесі експлуатації запропонованого антифрикційного композиційного матеріалу за рахунок вибіркового зносу, частки міді, які знаходяться між тертящимися сталевими поверхнями, тобто поверхнею сталевої дробі та сталевою поверхнею контр-тіла, забезпечують створення мастильної плівки, виключаючий безпосередній контакт тіл, а як слідство зниження коефіцієнта тертя та збільшення терміну служби. В запропонованому антифрикційному композиційному матеріалі в якості твердої змазки, зокрема кристалічного графіту, використовуються кристали сірки. Сірка є добрим протизадирним засобом і тому часто додається в мастильні мастила. Підвищення сіркою протизадирних властивостей пояснюється тим, що вона має низьку температур у плавлення (112-120°С) та аномальну залежність в’язкості від температури. В’язкість розплаву сірки підвищується зі збільшенням температури до 187°С і тільки потому починає повільно падати. Тому при збільшенні тиску та температури сірка не витискається з поверхні тертя, як наприклад, мастило, в’язкість якого падає зі збільшенням температури. Введення в склад мідної матриці, зокрема графіту кристалів сірки досягається за рахунок того, що при нагріві у герметичному стальному корпусі зернистого наповнювача, складаючогося з суміші стальної литої графітизованої дробі з графітом кришталевим та порошком сірки при нагріві до температурі плавлення міді 1083°С сірка, маюча температуру кипіння в звичайних умовах 444°С, знаходячись у герметичній судині під тиском Ρ=444:273=1,6ат буде кипіти, а отже випаровуватися при більш високій температурі. При цьому утворюючий пар з розпеченим графітом утворює сірковуглець CS2. Частка сірки витрачається на утворення в сталевій дробі сульфідів заліза FeS2 і частка сірки зберігається у рідкому стані, котра при охолодженні в розплаві міді утворює кристали сірки. Процентне співвідношення компонентів прийнято наступне: вміст графіту в кількості 1-5% обумовлено оптимальним поєднанням антифрикційних і стійкіших властивостей матеріалу; зменшення місткості графіту менш ніж 1% призводить до значного збільшення коефіцієнта тертя; збільшення місткості графіту більше ніж 5% призведе до значного зниження стійкісних властивостей матеріалу. Наявність сірки в кількості 0,2-0,5% обумовлено поєднанням антифрикційних і стійкісних властивостей матеріалу, так як сірка і графіт не маючи міцності, призводять до послаблення матеріалу. Вміст сталевої графітизованої і сульфідированої дробі в кількості 50-60% є похідною від місткості в матеріалі графіту та сірки. Для досвідно-промислових випробовувань і визначення тріботехнічних властивостей заявляемого антифрикційного композиційного матеріалу приготували декількаматеріалів різних композицій наведених в таблиці. Виготовлення проводили наступним чином. В сталеву форму, яка є одночасно заготовкою підшипника ковзання і являє собою круглу тр убу з привареним щільно з одного боку дном, засипали суміш графітизованої сталевої литої дробі, графіту кристалічного і порошку сірки в співвідношеннях наведених в таблиці. Потім на засипану суміш встановили сталеву перегородку і на неї помістили мідь і щільно заварили кришкою. Потім заготовку у вертикальному стані помістили в піч, нагріли до температури 1150°С, витримали декілька хвилин для просочення наповнювача, охолодили до температури 650°С, витягам з печі, охолодили на повітрі. Далі заготовки піддали механічній обробці для одержання необхідних розмірів підшипників та зразків. Випробування зразків проводились на лабораторній машині тертя. Досліджені зміни триботехнічних властивостей взалежності від величини навантаження (зусилля притискання зразка до контр-тіла: при трьох швидкостях ковзання зразка по контр-тілу: 2м/с, 5м/с, 10м/с. Умови тертя : 1) сухе тертя; 2) тертя зі змазкою И20. Зразок уявляє собою нерухомо закріплений циліндр діаметром 10мм, який торцом ковзає по обертальному контр-тілу з сталі 65Г (диаметр 60мм). Зняття показників проводилось після приработки поверхні зразка до бокової поверхні контр-тіла. Як видно з даних таблиці запропонований антифрикційний композиційний матеріал має коефіцієнт тертя на рівні бронз та латуней і володіє високою зносостійкістю. Таким чином, характер проявлення запропонованих суттєвих відзнак забезпечує досягнення потребуємого технічного результату, створюючого у анти фрикційного композиційного матеріалу високі тріботехнічні властивості, які дозволяють підвищити термін служби деталей, працюючих на тертя ковзання. Таблиця 1 Складові антифрикційного композиційного матеріалу, та параметри ефективності його застосування Прототип Матриця: Бронза Бр.А9Ж4 Наповнювач: Дріб сталева лита ГОСТ11964-81 Ø 1,0мм. Графіт кристалічний Варіанти складових антифрикційного композиційного матеріалу, та вміст компонентів, мас. % 1 2 3 4 34,0 30,0 29,5 26,1 65,0 1 68,0 2 67,5 3 68,9 5 Швидкість зносу: 1. Сухе тертя, грам/годину ´10-5 2. Тертя зі змазкою, грам/годину ´10-5 Коефіцієнт тертя: 1. Сухе тертя 2. Тертя зі змазкою. Швидкість ковзання, м/сек Зусилля притиску, кг/см 2 Запропонований матеріал Матриця: Мідь Наповнювач: Дріб сталева лита графітизована і сульфадована Графіт кристалічний Сірка Швидкість зносу: 1 .Сухе тертя, грам/годину ´10-5 2. Тертя зі змазкою, грам/годину ´10-5 Коефіцієнт тертя: 1. Сухе тертя 2. Тертя зі змазкою. Швидкість ковзання, м/сек. Зусилля притиску, кг/см 2 28 6 26 5 25 5 24 5 0,32 0,18 5 10 0,25 0,16 5 10 0,23 0,14 5 10 0,23 0,14 5 10 45,7 45,1 44,4 43,2 53,1 1 0,2 52,6 2 0,3 52,2 3 0,4 51,3 5 0,5 10 2 8 1,5 6 1,5 6 1,5 0,05 0,009 5 10 0,03 0,008 5 10 0,02 0,007 5 10 0,02 0,007 5 10