Керамічний антифрикційний високоміцний матеріал на основі дибориду цирконію

Керамічний антифрикційний високоміцний матеріал на основі дибориду цирконію, що містить дисиліцид цирконію і гексаборид лантану, який відрізняється тим, що він додатково містить карбід кремнію та нітрид алюмінію при такому співвідношенні компонентів, мас. %: дисиліцид цирконію 8-12 гексаборид лантану 5-7 карбід кремнію 7-10 нітрид алюмінію 11-9 диборид цирконію решта. (19) (21) a200806545 (22) 15.05.2008 (24) 25.12.2009 (46) 25.12.2009, Бюл.№ 24, 2009 р. (72) ПОДЧЕРНЯЄВА ІРИНА ОЛЕКСАНДРІВНА, ПАНАСЮК АЛЛА ДЕНИСІВНА, ПАНАШЕНКО ВІКТОР МИХАЙЛОВИЧ, ГРИГОРЬЄВ ОЛЕГ МИКОЛАЙОВИЧ, ЛАБУНЕЦЬ ВАСИЛЬ ФЕДОРОВИЧ, ДУХОТА ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ, СУПРУНОВИЧ ОЛЕГ СТЕПАНОВИЧ (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І.М. ФРАНЦЕВИЧА НАН УКРАЇНИ (56) UA 79775, C2, 25.07.2007 UA 82157, C2, 11.03.2008 3 89119 Причинно-наслідковий зв'язок між сукупністю суттєвих ознак винаходу і технічним результатом очевидний із нижченаведеного опису. Як основа матеріалу використовується диборид цирконію ZrB2, що має досить високу твердість, однак внаслідок крихкості та утворення на робочій поверхні при окисленні на повітрі диоксиду цирконію з дуже низькою теплопровідністю, що створює у зоні трибоконтакту високу температуру, застосування його як високоміцного матеріалу трибологічного призначення неможливо. Компоненти композиту - гексаборид лантану (LaB6) та дисиліцид цирконію (ZrSi2) - створюють гетерофазну структуру, в якій ці фази гальмують розповсюдження тріщин. Для подальшого підвищення механічної міцності треба ввести спікаючі домішки SiC та AlN, які при температурі 1300°С, що значно нижче температури спікання (1800 C), утворюють муліт Al2SiO5 згідно реакцій: SiC+2O2=SiO2+CO2 (1) 4AlN+3O2=2Al2O3+2N2 (2) Al2O3+SiO2= Al2SiO5 (3) Муліт не тільки ініціює спікання, сприяючи підвищенню механічної міцності композиту. В процесі трибоокислення на поверхні трибоконтакту згідно реакцій (1-3) теж можливе утворення муліту, який у складі вторинної плівки може відігравати роль високотемпературного твердого мастила, знижуючи коефіцієнт тертя та інтенсивність зношування при підвищених навантажувально-швидкісних па 4 раметрах. Запропонований матеріал може використовуватись як матеріал деталей машин і пристроїв трибологічного призначення, що працюють в умовах сухого тертя при підвищених швидкіснонавантажувальних параметрах, а також як матеріал електродів для отримання зносостійких покриттів різними методами газофазного осадження та електроіскрового легування. Матеріал одержували таким чином: композиційний матеріал одержували методом порошкової металургії. Вихідні порошки дибориду цирконію, гексабориду лантану, дисиліциду цирконію, карбіду кремнію, нітриду алюмінію змішували та розмелювали у відповідних співвідношеннях в середовищі ацетону або спирту-ректифікату в планетарному млині протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито. Середня величина частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітових прес-формах в температурному інтервалі 1760-1820°С, при тиску 3540МПа, час витримки 25-45 хвилин. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. На отриманих зразках визначали фізикомеханічні і трибологічні властивості матеріалу: коефіцієнт тертя, інтенсивність зношування, міцність на згин, що наведені в таблиці. Таблиця Склад та властивості антифрикційних матеріалів Склад матеріалу, мас.% № п.п ZrB2 ZrSi2 LaB6 SiC AlN 1 2 3 4 5 55 60 65 70 75 22 15 10 8 4 8 7 6 5 2 65 15 20 11 4 10 8 9 10 6 11 4 15 Інтенсивність зношування, мкм I 0,8 км 2,9 2,6 2,5 2,9 3,5 Прототип 3,9 Коефіцієнт тертя, f±0,002 0,12 0,12 0,08 0,10 0,11 0,10 Матеріал одержували таким чином: 1. Порошки дибориду цирконію, дисиліціду цирконію, гексабориду лантану, карбіду кремнію, нітриду алюмінію змішували у співвідношенні (мас.%) 60 ZrB2 + 15 ZrSi2 + 7 LaB6 + 10 SiC + 8 AlN та розмелювали в планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито. Середня величина частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітових пресформах в температурному інтервалі 17601820 C, при тиску 35-40МПа, час витримки 2545хв. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. 2. Порошки дибориду цирконію, дисиліціду цирконію, гексабориду лантану, карбіду кремнію, Міцність на згин, МПа зг, 520 540 550 480 460 450 нітриду алюмінію змішували у співвідношенні (мас.%) 65 ZrB2 + 10 ZrSi2 + 6 LaB6 + 9 SiC + 10 AlN та розмелювали в планетарному млині в середовищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито. Середня величина частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітових пресформах в температурному інтервалі 17601820 C, при тиску 35-40МПа, час витримки 2545хв. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. 3. Порошки дибориду цирконію, дисиліціду цирконію, гексабориду лантану, карбіду кремнію, нітриду алюмінію змішували у співвідношенні (мас.%) 70 ZrB2 + 8 ZrSi2 + 5 LaB6 + 6 SiC + 11 AlN та розмелювали в планетарному млині в середо 5 89119 вищі ацетону або спирту-ректифікату протягом 6-8 годин. Суміш висушували в сушильній шафі, а потім просіювали через сито. Середня величина частинок не перевищує 1-3мкм. Зразки одержували методом гарячого пресування в графітових пресформах в температурному інтервалі 17601820°С, при тиску 35-40МПа, час витримки 2545хв. Залишкова пористість таких зразків становить 1-3%. Зразки шліфували та полірували до 12 класу чистоти. Міцність на згин ( зг) визначали за стандартною методикою, затвердженою Європейським х стандартом ISO/TC206 при 4 -точковому згині для зразків розміром 3x4x45мм. Механічна обробка поверхні алмазними кругами проводилась по довжині зразків. По ребрам знімались фаски. Коефіцієнт тертя (f) та інтенсивність зношування (І, мкм/км) визначали за схемою „валвкладка" за методом роботи [Э.Т. Мамыкин, М.К. Ковпак, А.И. Юга и др. Комплекс машин и методики определения антифрикционных свойств мате Комп’ютерна верстка А. Крулевський 6 риалов при трении-скольжении // Порошковая металлургия, 1973, №1, С.67-72] при навантаженні Р=2МПа та швидкості ковзання V=15м/с. З наведених у таблиці властивостей видно, що матеріал, який заявляється під номером 3, має нижчі коефіцієнт тертя, інтенсивність зносу та більш високу міцність на згин порівняно з прототипом. Матеріал, що заявляється, можна використовувати в якості матеріалу для деталей, що працюють в умовах сухого тертя при високих швидкіснонавантажувальних параметрах, зокрема, для ущільнюючих кілець в насосах для перекачування нафти, а також у машинобудуванні, автомобілебудуванні, агропромисловому комплексі, легкій, хімічній промисловості та ін. Матеріал, що пропонується, може бути використаний також як матеріал електрода в різних методах як газофазного осадження зносостійких покриттів, зокрема, для магнетронного розпилення, так і електроіскрового легування. Підписне Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601