Самозмащувальний композиційний антифрикційний матеріал на основі міді для роботи у вакуумі

Самозмащувальний композиційний антифрикційний матеріал на основі міді для роботи у вакуумі, що містить олово і фосфор, який відрізняється тим, що додатково містить дисульфід молібдену і стеарат цинку при такому співвідношенні інгредієнтів, мас.%: дисульфід молібдену 5,0-25,0 олово 3,0-9,0 фосфор 0,5-3,0 стеарат цинку 0,1-0,8 мідь решта. Винахід відноситься до області розробки композиційних триботехнічних матеріалів, призначених для опор ковзання, працездатних у вакуумі, в тому числі в безокисних середовищах, без додаткової подачі мастила. Аналогом даного матеріалу є композиційний антифрикційний самозмащувальний матеріал на основі міді [Патент №73217, кл. С22С9/08, опублікований 15.06.2005р. в бюлетені №6] наступного складу,мас.% свинець 17,0-40,0 марганець 1,0-12,0 фосфор 1,0-4,0 церій 0,5-1,5 мідь решта. Істотним недоліком цього матеріалу є те, що при експлуатації у вакуумі за значень швидкості ковзання 2м/с і тисків, вищих за 18МПа, він починає інтенсивно зношуватися, що спричиняє втрату ним працездатності. Прототипом винаходу, що заявляється, є найбільш близький до нього по технічній суті самозмащувальний композиційний антифрикційний матеріал на основі міді [Патент №77601, кл. С22С9/08, опублікований 15,12.2006р. в бюлетні №12] наступного складу,мас.%: свинець 12,0-35,0 олово 3,0-8,0 фосфор 0,8-3,6 ітрій 0,3-1,2 мідь решта. Однак і цьому матеріалові властиві недоліки. Так, за тисків 18-20МПа і швидкості ковзання 2м/с коефіцієнт тертя та інтенсивність зношування матеріалу при роботі у вакуумі є завеликі. Задачею винаходу "Самозмащувальний композиційний антифрикційний матеріал на основі міді для роботи у вакуумі" є покращення антифрикційних властивостей матеріалу - підвищення несучої здатності, зниження коефіцієнту тертя та зменшення інтенсивності зношування матеріалу при сухому терті у вакуумі за великих тисків та значних швидкостях ковзання. Поставлена задача вирішується тим, що в антифрикційний матеріал на основі міді, котрий містить олово і фосфор, згідно винаходу, додатково вводиться дисульфід молібдену і стеарат цинку, а інгредієнти матеріалу взяті у такому співвідношенні,мас.%: (19) UA (11) 90073 (13) C2 (21) a200907313 (22) 13.07.2009 (24) 25.03.2010 (46) 25.03.2010, Бюл.№ 6, 2010 р. (72) КОСТОРНОВ АНАТОЛІЙ ГРИГОРОВИЧ, ФУЩИЧ ОЛЬГА ІВАНІВНА, ЧЕВИЧЕЛОВА ТЕТЯНА МИХАЙЛІВНА, СІМЕОНОВА ЮЛІКА МЕТОДІЄВНА, BG, ГЕЦОВ ПЕТРО СТЕФАНІВ, BG (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ. І.М.ФРАНЦЕВИЧА НАН УКРАЇНИ (56) UA 72823 C2 15.04.2005 UA 42952 А 15.11.2001 SU 1455743 A1 15.10.1990 3 дисульфід молібдену 5,0-25,0 олово 3,0-9,0 фосфор 0,5-3,0 стеарат цинку 0,1-0,8 мідь решта. Суть винаходу полягає у тому, що в антифрикційний матеріал на основі міді, крім олова і фосфору, додатково вводиться дисульфід молібдену і стеарат цинку в наступному співвідношенні,мас.%: дисульфід молібдену 5,0-25,0 олово 3,0-9,0 фосфор 0,5-3,0 стеарат цинку 0,1-0,8 мідь решта. Олово підвищує зносостійкість і несучу здатність матеріалу, а отже зменшує інтенсивність його зношування. Олово утворює з міддю а-твердий мідноолов'яний розчин, зміцнює матрицю-несучу структурну складову матеріалу і підвищує комплекс механічних властивостей матеріалу, що під час його роботи у вакуумі, за великих тисків, високих швидкостей ковзання і за умов відсутності мастил позитивно впливає на працездатність вузла тертя, понижує схильність матеріалу до схоплення і переносу його на спряжену поверхню. Фосфор також підвищує зносостійкість і несучу здатність матеріалу, а отже зменшує інтенсивність його зношування за рахунок утворення під час спікання композиції фосфіду молібдену МоР. Дисульфід молібдену МоS2 - це антифрикційна структурна складова. Він виконує роль твердого мастила під час сухого тертя матеріалу у вакуумі за умов відсутності кисню, вологи і традиційного змащування і понижує коефіцієнт тертя. Однак при температурі синтезу матеріалу частина дисульфіду молібдену розкладається на молібден і сірку. Сірка, вступивши у взаємодію з міддю, утворює сульфід міді Cu2S, а молібден, звільнений під час дисоціації MoS2, утворює з фосфором фосфід молібдену МоР. Надлишкова фаза МоР, яка утворилася у процесі синтезу матеріалу, зміцнює його несучу структурну складову, а отже підвищує зносостійкість і зменшує знос матеріалу. Ця фаза при терті перешкоджає інтенсивній пластичній деформації поверхневого шару, понижує температуру у зоні тертя і усуває охоплення. Матеріал при оптимальній кількості зміцнювальної фази МоР в матриці не втрачає пластичність у вакуумі і має можливість розподіляти навантаження, котре виникає у вузлі тертя за великих тисків і значних швидкостях ковзання, рівномірно. Збереження пластичності дозволяє матеріалові передеформуватися у наведених умовах без руйнування, що сприяє підвищенню його зносостійкості, а отже і довговічності вузла тертя, в склад котрого входить підшипник, виконаний із запропонованого матеріалу. Сульфід міді Cu2S, синтезований в процесі спікання, так само, як і дисульфід молібдену MoS2, є твердим мастилом. Тому після спікання порошкової композиції мідь-олово-фосфор-дисульфід молібдену при температурі 780°С тверде мастило буде представляти собою конгломерат на основі дисульфіду молібдену MoS2 з добавками сульфіду міді Cu2S. Шаруваті сполуки дисульфід молібдену 90073 4 MoS2 і сульфід міді Cu2S, котрий утворився в процесі синтезу матеріалу за рахунок взаємодії міді з сіркою, виконують роль твердих мастил і формують під час роботи змащувальну плівку на робочій поверхні матеріалу, запобігають охопленню пари тертя. Одночасна дія твердих мастил (MoS2 і Cu2S) приводить до прояви над сумарного ефекту, яке і забезпечує новому матеріалові, у порівняно з відомим, зменшення коефіцієнту тертя і збільшення довговічності. Стеарат цинку виключає сегрегацію порошків по питомій вазі у їх суміші і сприяє утворенню в процесі спікання гомогенного сплаву. Рівномірний розподіл структурних складових стабілізує швидкість ковзання підшипника із запропонованого матеріалу та його коефіцієнт тертя. Запропонований матеріал отримували звичайним пресуванням суміші порошків у вироби і спіканням останніх у водні при температурі 780°С на протязі двох годин. Спікання забезпечує утворення ос-твердого розчину олова у міді, синтез шаруватого сульфіду міді Cu2S і формування конгломерату на основі дисульфіду молібдену з добавками сульфіду міді, рівномірний розподіл структурних складових, в тому числі шаруватих сполук MoS2 з Cu2S, виключає ліквацію складових, і цементує їх у єдину щільну композицію з відповідною структурно-морфологічною побудовою. Вибраний хімічний склад матеріалу і перелічені вище процеси, які протікають в процесі його синтезу, забезпечують матеріалові необхідну структурно-морфологічну побудову, а останні забезпечують йому за великих тисків (18-22МПа) та значних швидкостях ковзання (2м/с) малий коефіцієнт тертя, високу зносостійкість, велику несучу здатність і довговічність. Триботехнічні характеристики композицій но-5 вого і відомого матеріалів у вакуумі 2,10 мм.рт.ст досліджували по схемі вал-вкладиш на машині тертя МТВ-22М за значень тисків 18-22МПа і швидкості ковзання 2м/с. Вал був виготовлений із сталі 40X13 (ГОСТ 5632-72) твердістю HRC 55-57 і шорсткістю Ra 0,2, а вкладиш-із композицій запропонованого матеріалу. Результати триботехнічних досліджень представлені у таблиці. Із даних таблиці витікає, що запропонований матеріал за значень швидкості ковзання 2м/с і тисків 18-20МПа має у порівнянні із прототипом менший коефіцієнт тертя і меншу інтенсивність зношування, більш високу зносостійкість і несучу здатність. Приклад 1 (див. табл., № п/п 3). У вигляді порошків взяли 90,2г міді; 5,0г дисульфіду молібдену; 1г фосфору; 3,0г олова і 0,8г стеарату цинку. Для отримання однорідної шихти порошки змішували протягом 3 годин. Із отриманої суміші порошків спресували зразки, які спекли при вище наведених температурах і витримках. Спікання забезпечує утворення а-твердого розчину олова у міді, синтез сульфіду міді Cu2S, формування конгломерату на основі дисульфіду молібдену MoS2 з добавками сульфіду Cu2S, рівномірний розподіл структурних складових, в тому числі шаруватих сполук, виключає ліквацію 5 90073 складових і цементує їх у єдиний щільний конгломерат з відповідною структурно-морфологічною побудовою. У вакуумі за тисків 18-22МПа і швидкості ковзання 2м/с зразки з отриманого композиту, як видно із таблиці, мають коефіцієнт тертя 0,1-0,2. Із-за недостатньої кількості дисульфіду молібдену (5мас.%) в процесі спікання не синтезується необхідна кількість конгломерату на його основідисульфіду молібдену MoS2 з сульфідом міді Cu2S, котрий виконує роль твердого мастила. Тому через відсутність традиційного змащування коефіцієнт тертя при тискові 22МПа складає 0,20. Очевидно, що синтезована кількість твердого мастила при введені 5мас.% дисульфіду молібдену не забезпечує в умовах сухого тертя на робочій поверхні суцільної змащувальної захисної розділової 6 плівки в необхідній кількості і відповідно не забезпечує нижчий коефіцієнт тертя. Інтенсивність зношування отриманого композиту при тискові 22МПа відносно висока і становить 100мкм/км, що пояснюється недостатньою кількістю введеного олова (3мас.%), фосфору (1мас.%) і, як наслідок, має місце незначне зміцнення несучої структурної складової матеріалу, зменшення опору стиранню і схопленню та збільшення інтенсивності зношування. Так, при введені в композит 1мас.% фосфору кількість сформованої в процесі його синтезу зміцнювальної фази фосфіду молібдену МоР не достатня для оптимального і суттєвого зміцнення матриці матеріалу, необхідного для обмеження протікання пластичної деформації поверхневого шару у зоні тертя за умов його роботи під тиском 22МПа та швидкості ковзання 2м/с. Таблиця Результати триботехнічних випробувань відомого і композицій нового матеріалу при швидкості ковзання V=2м/с Склад матеріалу, мас.% Р=18МПа Р=20МПа Р=22МП Інтенсив. Інтенсив. Інтенсив. MoS2 ДиКоефі Pb СвиР Фос- Sn Y Стеарат Сu Коефіцієнт Зношу- Коефіцієнт ЗношуЗношусульфід цієнт нець фор Олово Ітрій цинку Мідь тертя вання, тертя вання, вання, молібдену тертя мкм/км мкм/км мкм/км 1. ВідоНе Не пра20,0 1,5 7,0 0,80 70,7 0,10 20 0,13 35 мий працює цює 2. 4,5 3,2 2,5 0,09 89,71 0,13 60 0,17 80 0,22 110 3. 5;0 1,0 3,0 0,80 90,2 0,10 20 0,13 70 0,20 100 4. 10;0 1,8 6,0 0,50 81,7 0,08 10 0,11 30 0,16 60 5. 15,0; 1,3 8,0 0,30 75,4 0,07 10 0,09 20 0,12 40 6. 20,0 0,5 9,0 0,20 70,3 0,08 20 0,10 35 0,14 80 7. 25,0 3,0 8,5 0,10 63,4 0,11 25 0,11 90 0,17 120 8. 26,0 0,4 10,0 0,85 62,75 0,11 45 0,15 90 0,16 120 Приклад 2 (див. табл. №7). У вигляді порошків взяли 63,4г міді; 25г дисульфіду молібдену; 3г фосфору; 8,5г олова, 0,1 стеарату цинку Композит одержали за схемою, яка була описана вище. Із таблиці витікає, що зразки з отриманого композиту при сухому терті за тисків 18-22МПа та швидкості ковзання 2м/с мають інтенсивність зношування 25-120мкм/км, а коефіцієнт тертя 0,11-0,17, величина котрого забезпечується введеною кількістю дисульфіду молібдену (25мас.% MoS2). За введеної маси фосфору кількість утвореної у процесі синтезу матеріалу зміцнювальної фази-фосфіду молібдену МоР більша за оптимальну і тому пластичність матеріалу зменшується і він не має можливість розподіляти навантаження рівномірно на всю опорну поверхню, що і приводить до збільшення його зношування. Приклад 3 (див. табл. №п/п 5). У вигляді порошків взяли 75,4г міді; 15г дисульфіду молібдену; 8г олова, 1,3г фосфору і 0,3г стеарату цинку. Одержали композит за схемою, котра описана вище. Результати досліджень на тертя і зношування показали, що при сухому терті у вакуумі за тисків 18-22МПа і швидкості ковзання 2м/с композит має оптимальні триботехнічні характеристики: низький, 0,07 0-0,12, коефіцієнт тертя і незначну, 10-40мкм/км, інтенсивність зношування. Триботехнічні характеристики композиту №5 пояс нюються тим, що вибраний хімічний склад матеріалу і спосіб його отримання забезпечили утворення найбільш зносостійкої мікрогетерогенної структури, в котрій 85% займає несуча структурна складова, а 15% - антифрикційна структурна складова. Несуча структурна складова, або як її називають ще матриця, представляє собою а-твердий розчин олова у міді з включеннями зміцнювальної фази - фосфіду молібдену МоР, котра утворюється під час синтезу матеріалу. За введеної маси фосфору кількість синтезованої зміцнювальної фази МоР оптимальна. Матеріал зміцнений, але не втрачає пластичність і має можливість рівномірно розподіляти навантаження на всю опорну поверхню, дозволяючи йому працювати в екстремальних умовах без руйнування, що сприяє підвищенню його зносостійкості і приводить до зменшення інтенсивності зношування. Очевидно 85мас.% мідного сплаву (матриці) і 15мас.% дисульфіду молібдену, котрий забезпечує утворення на його основі конгломерату твердих мастил MoS2 з Cu2S, є оптимальним співвідношенням несучої і антифрикційної структурних складових, яке і забезпечує новому матеріалові за тисків 18-22МПа і швидкості ковзання 2м/с високі антифрикційні властивості. Позитивний вплив олова і стеарату цинку зберігається в усьому діапазоні концентрацій. Пода 7 90073 льше збільшення чи зменшення концентрації олова і стеарату цинку недоцільно. Так, збільшення вмісту олова приводить до утворення крихкої 8фази, що також веде до збільшення інтенсивності зношування. Таким чином, уведення до складу матеріалу дисульфіду молібдену і стеарату цинку знижує при -5 сухому терті у вакуумі 2.10 мм.рт.ст за тисків 1822МПа та швидкості ковзання 2м/с коефіцієнт тертя запропонованого матеріалу в 1,2-1,4 рази і зменшує його інтенсивність зношування в 1,2-2 рази в порівнянні з прототипом. Крім того, матеріал, який заявляється, працездатний за тисків до 22МПа; прототип за аналогічних умов інтенсивно зношується, що приводить до втрати ним працездатності при роботі у вакуумі. Комп’ютерна верстка Т. Чепелева 8 Отже введення до складу відомого матеріалу дисульфіду молібдену і стеарату цинку дозволяє підвищити триботехнічні характеристики самозмащувального композиційного антифрикційного матеріалу на основі міді, що заявляється. Це свідчить про його перевагу порівняно з прототипом. Розроблений матеріал може бути використаний при створенні техніки нового покоління в області приладобудування, машинобудування та енергетики для виготовлення самозмащувальних підшипників ковзання, вкладишів, втулок і т. д., котрі працюють у вакуумі у вузлах тертя машин і механізмів в умовах сухого тертя за великих тисків та значних швидкостей ковзання. Підписне Тираж 26 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