Антифрикційний композиційний матеріал на основі інструментальної сталі

Реферат: Винахід належить до порошкової металургії, зокрема, до композиційних антифрикційних матеріалів на основі інструментальної легованої сталі 7ХГ2ВМФ, який використовують у машинобудуванні при виготовленні підшипників ковзання. Матеріал містить, мас. %: фторид кальцію - 4,0-8,0; вуглець - 0,68-0,75; марганець - 1,80-2,30; хром - 1,50-1,80; ванадій - 0,10-0,25; кремній - 0,20-0,40; вольфрам - 0,55-0,90; молібден - 0,50-0,80; залізо - решта. Технічний результат: зниження коефіцієнту тертя та інтенсивності зношування і підвищення фізикомеханічних властивостей при збільшенні швидкостей обертання. UA 102299 C2 (12) UA 102299 C2 UA 102299 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 Винахід належить до порошкової металургії, зокрема, до композиційних антифрикційних матеріалів на основі інструментальної легованої сталі, які використовуються у машинобудуванні при виготовленні підшипників ковзання, що працюють при підвищених навантаженнях та високих швидкостях обертання в умовах дії високих температур на повітрі при терті без змащування. Найбільш близьким до винаходу по технічній суті та сукупності суттєвих ознак є антифрикційний композиційний матеріал на основі сталі (найближчий аналог) [1], наступного складу, мас. %: фторид кальцію 4,0-8,0 вуглець 0,8-0,9 марганець 0,15-0,4 хром 5,0-6,0 ванадій 0,3-0,5 кремній 0,15-0,35 нікель 0,9-1,3 титан 0,05-0,15 залізо решта. Недоліками відомого матеріалу [1] є незадовільний рівень фізико-механічних та триботехнічних властивостей - високий коефіцієнт тертя та інтенсивність зношування при високих швидкостях обертання (300-400 об./хв.) та підвищених навантаженнях на пару тертя (2,5 МПа) при одночасній дії високих температур - 600 °С на повітрі при терті без змащування рідким мастилом. В основу винаходу поставлено задачу підвищення фізико-механічних властивостей та триботехнічних характеристик - зниження коефіцієнту тертя та інтенсивності зношування при збільшенні швидкостей обертання до 300-400 об./хв. в умовах тертя за підвищених навантажень (2,5 МПа) без змащування на повітрі при одночасній дії температури (600 °С). Поставлена задача вирішується тим, що антифрикційний композиційний матеріал на основі інструментальної сталі, що містить фторид кальцію та хімічні елементи - вуглець, марганець, хром, ванадій і кремній, який відрізняється тим, що він додатково містить вольфрам та молібден, які разом з означеними хімічними елементами містяться у відходах інструментальної легованої сталі 7ХГ2ВМФ, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: фторид кальцію 4,00-8,00 вуглець 0,68-0,75 марганець 1,80-2,30 хром 1,50-1,80 ванадій 0,10-0,25 кремній 0,20-0,40 вольфрам 0,55-0,90 молібден 0,50-0,80 залізо решта. Винахід ілюструється на наступному прикладі. Приклад. Шліфувальні відходи інструментальної легованої сталі 7ХГ2ВМФ (ГОСТ 5950-73) піддають регенерації - операціям очищення від абразивної крихти та відновлювальному відпалу. Регенеровані порошки - відходи сталі 7ХГ2ВМФ змішують з порошками фториду кальцію протягом 4 годин, пресують при тисках 700-900 МПа та спікають при температурах 1150-1200 °С протягом 2 годин у середовищі водню. Фізико-механічні властивості визначали за стандартними методиками: твердість за ГОСТ 25698-83, ударну в'язкість - за СТ СЭВ 472-77, межу міцності при згині - за ГОСТ 18228-72. Триботехнічні властивості визначали на повітрі при швидкостях обертання до 300-400 об./хв., температурі 600 °С, навантаженні 2,5 МПа у парі з контртілом із сталі Р18 з твердістю 57-59 HRC. У таблиці наведено склади запропонованого антифрикційного композиційного матеріалу (склади 1-3), склади, які виходять за межі запропонованого складу компонентів (склади 4, 5), а також фізико-механічні та триботехнічні властивості зазначених складів у порівнянні з властивостями найближчого аналогу [1] - антифрикційного композиційного матеріалу на основі сталі (склад 6). Наведені у таблиці дані свідчать, що використання шліфувальних відходів інструментальної легованої сталі 7ХГ2ВМФ як металевої основи запропонованого антифрикційного матеріалу у порівнянні з найближчим аналогом [1] забезпечує надання матеріалу більш високих фізикомеханічних та триботехнічних властивостей. Це відбувається завдяки позитивній дії додатково присутніх вольфраму та молібдену, а також підвищеного вмісту марганцю. 1 UA 102299 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вольфрам та молібден підвищують міцність та твердість металевої матриці матеріалу завдяки утворенню додаткових карбідних фаз типу Ме6С, а саме, складних карбідів вольфраму і молібдену (W, Mo, Fe, Cr, V)6С. Ці карбіди є основними карбідними фазами інструментальних штампових сталей, до яких відноситься евтектоїдна легована сталь 7ХГ2ВМФ. Окрім цього при відносно невеликому вмісті вольфраму і молібдену практично повністю усувається схильність матеріалу до росту зерна при нагріванні у жорстких умовах експлуатації, оскільки твердий розчин металевої матриці має підвищену концентрацію не тільки хрому і ванадію, але і вольфраму та молібдену. Структура металевої матриці матеріалу (перліт) після спікання відрізняється однорідністю, що є притаманним для евтектоїдних штампових сталей, і характеризується дрібнозернистою будовою, яка зберігається завдяки наявності не тільки карбідів ванадію (VC), а і присутніх карбідів вольфраму та молібдену. Як наслідок карбіди вольфраму і молібдену перешкоджають руху дислокацій при високих швидкостях в умовах прикладання підвищених навантажень на пару тертя, і тим самим сприяють підвищенню міцності та антифрикційності матеріалу, гальмуючи процеси знеміцнення при розігріванні контактуючих поверхонь у процесі експлуатації. Завдяки присутності вольфраму і молібдену в результаті утворення дрібнозернистої структури металевої матриці запропонованого антифрикційного матеріалу виявляється відсутність границь між вихідними частинками-відходами інструментальної легованої сталі 7ХГ2ВМФ, що сприяє зростанню міцності і ударної в'язкості, підвищенню термічної стійкості твердого розчину та є визначальним фактором для антифрикційного матеріалу, який працює при високих швидкостях обертання, температурах і підвищених навантаженнях. Таким чином наявність вольфраму і молібдену забезпечує поєднання достатньої міцності та твердості з пластичністю матеріалу. Підвищення пластичності матеріалу сприяє скороченню часу його припрацьовування в умовах роботи на тертя та зношування за жорстких умов експлуатації. Вказані властивості металевої матриці обумовлюють стійкість антифрикційного матеріалу до зношування в умовах прикладання динамічних навантажень. Підвищений вміст марганцю у запропонованому матеріалі також чинить позитивний вплив на його фізико-механічні властивості, що виявляється у підвищенні в'язкості. Окрім цього марганець затримує розпадання аустеніту в металевій матриці матеріалу після спікання, а відтак збільшує його залишкову кількість. Це, у свою чергу, забезпечує мінімізацію об'ємних змін деталі при температурах експлуатації. Таким чином присутність марганцю усуває чутливість запропонованого матеріалу до негативного впливу масштабного ефекту та деформацій деталі при високих температурах, швидкостях обертання та підвищених навантаженнях. Знижена концентрація ванадію у запропонованому матеріалі (у порівнянні з найближчим аналогом), який зв'язує велику кількість вуглецю, сприяє утворенню меншої кількості нерозчинних карбідів ванадію. Тому завдяки наявності переважаючих карбідів вольфраму і молібдену запропонований матеріал також має підвищену теплостійкість, що є позитивним фактором в умовах роботи за високих температур, швидкостей обертання та підвищених навантажень. Таким чином присутність вольфраму та молібдену сприяє значному зниженню коефіцієнту тертя та інтенсивності зношування за умов роботи при високих швидкостях обертання, температурах та підвищених навантаженнях, що забезпечує збереження високих триботехнічних властивостей при швидкостях обертання до 300-400 об./хв. та навантаженнях 2,5 МПа на пару тертя за умов дії температур до 600 °С. При вмісті компонентів матеріалу за межами запропонованого складу (склади 4,5) фізикомеханічні і триботехнічні властивості знижуються. Запропонований антифрикційний композиційний матеріал може використовуватись при виготовленні підшипників ковзання, що працюють без змащування рідким мастилом, втулок, вкладишів тощо, які експлуатуються при високих швидкостях обертання (300-400 об./хв.) та підвищених навантаженнях (2,5 МПа) в умовах дії високих температур (до 600 °С) на повітрі, зокрема, у вузлах тертя високошвидкісної друкарської техніки, термічного та металургійного обладнання, у вузлах тертя відцентрового устаткування. Економічна ефективність використання запропонованого матеріалу, окрім підвищення фізико-механічних і триботехнічних властивостей при одночасному зростанні дії навантажуючих факторів на пару тертя, полягає також у можливості використання як сировини шліфувальних відходів інструментальної легованої сталі 7ХГ2ВМФ штампового виробництва. Література: 2 UA 102299 C2 1. Патент України № 60520, С22С 33/02, опубл. 25.06.2011, Бюл. № 12. Таблиця № з/п CaF2 1 2 3 4 5 6 Найбл. аналог [1] 4,0 6,0 8,0 2,0 9,0 С Mn 0,68 0,70 0,75 0,60 0,85 1,80 2,00 2,30 1,50 2,50 Cr Mo V Si W Fe 1,50 0,50 0,10 0,20 0,55 решта 1,65 0,65 0,20 0,30 0,75 решта 1,80 0,80 0,25 0,40 0,90 решта 1,30 0,3 0,05 0,10 0,40 решта 2,00 1,0 0,40 0,50 1,10 решта Інтенсивність Межа зношування, Ударна міцності мкм/км, при Твердість, швидкості в'язкість, при НВ, МПа обертання, Дж/м2 згині, об./хв. МПа 300 400 910 805 630 31 44 920 785 610 30 43 930 775 600 32 45 900 790 590 68 73 890 755 580 72 81 Ni Ті 4,0- 0,80- 0,15- 5,00,3- 0,150,90,05- решта 900-920 8,0 0,90 0,40 6,0 0,5 0,35 1,3 0,15 755-790 590-610 672723 910990 Коефіцієнт тертя при швидкості обертання, об./хв. 300 0,20 0,19 0,22 0,30 0,31 400 0,21 0,20 0,23 0,33 0,34 0,700,72 0,720,74 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Антифрикційний композиційний матеріал на основі інструментальної сталі, що містить фторид кальцію та хімічні елементи - вуглець, марганець, хром, ванадій і кремній, який відрізняється тим, що він додатково містить вольфрам та молібден, які разом з означеними хімічними елементами містяться у відходах інструментальної легованої сталі 7ХГ2ВМФ, при наступному співвідношенні компонентів, мас. %: фторид кальцію 4,00-8,00 вуглець 0,68-0,75 марганець 1,80-2,30 хром 1,50-1,80 ванадій 0,10-0,25 кремній 0,20-0,40 вольфрам 0,55-0,90 молібден 0,50-0,80 залізо решта. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3