Антифрикційний зносостійкий порошковий матеріал на основі заліза

Антифрикційний зносостійкий порошковий матеріал на основі заліза, що містить мідь і бор, який відрізняється тим, що він додатково містить олово, фосфор і свинець при такому співвідношенні інгредієнтів, мас. %: мідь 25,0-50,0 82158 (21) a200612640 (22) 01.12.2006 (24) 11.03.2008 (72) КОСТОРНОВ АН АТОЛІЙ ГРИГОРОВИЧ, UA, ФУЩИЧ ОЛЬГА ІВАН ІВНА, U A, ЧЕВИЧЕЛОВА ТЕТЯНА МИХАЙЛІВН А, U A, КОСТЕНКО ОЛЕКСІЙ ДМИТРІЙОВИЧ, UA (73) ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАТЕРІАЛОЗНАВСТВА ІМ.І.М.ФРАНЦЕВИЧА НАЦІОН АЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК УКРАЇНИ, UA (56) SU, 481 653, A, 25.08.1975, Бюл. 31 SU, 628 362, A, 15.10.1978 SU, 905 313, A, 15.02.1982 SU, 990 869, A, 23.01.1983 SU, 1 578 927, A1, 15.03.1989 UA, 47 544, C2, 15.07.2002 UA, 56 743, C2, 15.05.2003 RU, 2 006 511, C1, 30.01.1994 RU, 2 040 574, C1, 25.07.1995 RU, 2 170 281, C2, 20.01.2001 DE, 2 150 155, A, 23.11.1972 EP, 0 125 442, A1, 21.11.1984 JP, 56-020144, A, 25.02.1981 JP, 58-130254, A, 03.08.1983 C2 2 (11) 1 3 82158 Цинк 9,0 Бор 1,0 Залізо решта Недоліком цього матеріалу є те, що при експлуатації в умовах сухого тертя у вузлах тертя з абразивним середовищем під тиском 7,5МПа і при швидкості ковзання 6,0м/с він непрацездатний, а абразивна його стійкість при швидкості 4,0м/с і тискові 1,0МПа мала і складає 300мкм/км. Прототипом винаходу, що заявляється, є найбільш близький до нього по технічній суті зносостійкий порошковий матеріал на основі заліза (А. с. №1578927, В 22 F 1/00, С 22 С 38/16, зареєстроване у Державному реєстрі винаходів СРСР 15 березня 1990р. наступного хімічного складу, мас. %: Мідь 24,0-40,0 Цинк 6,0-10,0 Бор 0,8-1,2 Фтористий алюміній 0,1-1,3 Залізо решта Однак і цьому матеріалові властиві недоліки. Коефіцієнт тертя і знос матеріалу прототипу при тискові 5,0-7,5МПа і швидкості 6,0м/с у вузлах тертя з абразивним середовищем порівняно високі і відповідно складають 0,27-0,29; 70,0-95,0мкм/км. Його абразивна стійкість при 4м/с і тискові 1,0МПа хоча вища, ніж в аналога, але є ще зависока і складає 140мкм /км. Задачею винаходу "Анти фрикційний зносостійкий порошковий матеріал на основі заліза" є підвищення абразивної стійкості і несучої здатності, а також зниження коефіцієнту тертя антифрикційного порошкового матеріалу при роботі без мастила в умовах значних тисків і підвищених швидкостях ковзання з абразивним середовищем. Поставлена задача вирішується тим, що у матеріал на основі заліза, який містить мідь і бор, згідно винаходу, додатково вводяться олово, фосфор та свинець, а інгредієнти матеріалу взяті у такому співвідношенні, мас %: Мідь 25,0-50,0; Олово 2,0-9,0; Фосфор 0,8-1,2; Бор 0,8-1,2; Свинець 5,0-25,0; Залізо решта. Суть винаходу полягає у тому, що в антифрикційний матеріал на основі заліза, крім міді і бору, додатково вводиться олово, фосфор та свинець у наступному співвідношенні, мас.%: мідь 25,0-50,0; олово 2,0-9,0; фосфор 0,8-1,2; бор 0,81,0; свинець 5,0-25,0; залізо - решта. Запропонований матеріал відмінний від відомих, які використовуються в аналогічних умовах, процентним вмістом міді і додатково введеними компонентами, які виконують як функції елементів, які зміцнюють несучу структурну складову (олово, фосфор), так і функції антифрикційної структурної складової (свинець). 4 Процеси, які відбуваються при спіканні порошкової композиції Fe-Сu-Sn-Р-В-Рb приводять до формування матеріалу з мікрогетерогенною структурою, яка представляє собою композицію, в якій суміш двох фаз [перша фаза - частинки заліза, леговані бором у вигляді боридів заліза FeB і FeB; пов'язана між собою другою, більш пластичною фазою - a - твердим розчином олова у міді, по межам якого розподіляються фосфіди міді Си3Р і включення (Cu3P+ евтектика) - це матриця, яка несе основне навантаження при терті, а рівномірно розподілений по об'єму свинець у вигляді глобулярних включень - це тверде мастило. Олово, яке з міддю утворює а - твердий розчин, і фосфор, який приводить до утворення фосфіду міді Сu3Р, зміцнюють більш пластичну складову матриці матеріалу, а таким чином зміцнюють і саму матрицю, підвищують комплекс її механічних властивостей. Легування бором приводить до зміцнення заліза, а відповідно до зміцнення другої фази матриці за рахунок утворення боридів заліза FeB і FeB2. Останні підвищують мікротвердість заліза і його твердість НВ. Зміцнення матриці порошкового матеріалу на основі заліза за рахунок утворення при спіканні FeСu-Sn-Р-В-Рb таких фаз, як a - твердого мідно олов’яного розчину з включеннями зміцнюючих складових Си 3Р і (Си3Р+ евтектика), та частинок заліза з включеннями боридів заліза FeB і FeB2, позитивно впливає на працездатність вузла тертя при роботі без мастила з абразивним середовищем, на підвищення абразивної стійкості і несучої здатності при значних тисках і підвищених швидкостях ковзання. Свинець - це антифрикційна структурна складова матеріалу. Він виконує роль твердого мастила під час сухого тертя з абразивним середовищем при значних тисках і підвищених швидкостях ковзання. Легкоплавкий пластичний свинець, який розподілений рівномірно по всьому об'ємові матеріалу у вигляді глобулярних включень, у процесі його роботи виходить на поверхню тертя внаслідок підвищення температури в робочій зоні, пластичної деформації і в результаті різниці у коефіцієнтах лінійного розширення компонентів матеріалу. Із збільшенням потужності тертя кількість мастила (свинцю) в поверхневому шарі зростає, втрати на тертя зменшуються, а отже зменшується і коефіцієнт тертя матеріалу. Запропонований матеріал отримували методом порошкової металургії, а саме: порошки вихідних компонентів змішували (сухе змішування), а потім додатково змішували з добавкою стеарату цинку (0,3мас.%). Отриману шихту пресували в прес - формі під тиском 5т/см 2 і спекли у водні на протязі однієї години при температурі 900-920°С Випробовування на тертя і зношування здійснювали на машині тертя МТ-68 при роботі без мастила у парі з сталлю 45 (HRC 48 ¸ 52), постійній швидкості ковзання, рівній 6м/с, і тисках, які ступінчато змінювали. В процесі експерименту 5 82158 визначали інтенсивність зношування зразків І, мкм/км та силу тертя, по якій розраховували коефіцієнт тертя f. Також проводили випробовування на абразивну стійкість. В цьому випадку замість стального контртіла використовували абразивний круг марки АС6 300/100-МІ-100, який містив алмази. Оцінка стійкості при стиранні до закріпленого абразиву здійснювали при швидкості ковзання 4м/с і тискові 1,0МПа. При цьому визначали величину інтенсивності зношування зразків Іабр, мкм/км. Результати досліджень запропонованого і відомого матеріалів представлені у Таблиці. Приклад 1 (див. Табл., №п/п 1). Взяли 41,0г порошку заліза; 42,8г порошку міді; 8,0г порошку фосфористої міді МФ-10 (8,0г МФ-10 містить 0,8г фосфор у і 7,2г міді); 2,0г порошку олова; 0,8г порошку бора; 5,0г порошку свинцю. Зразки приведеного складу отримували по вище описаній технології. *) Фосфор уводили з фосфористої міді МФ-10, яка містить 10мас.% фосфору. Щоб увести 0,8г фосфор у, взяли 8,0г порошку фосфористої міді МФ-10, який містить 0,8г фосфор у і 7,2г міді. При необхідності введення у шихту 50,0г міді, але наявності у ній уже 8,0г фосфористої міді МФ-10, потрібно додати у ши хту тільки 42,8г міді (42,8г Cu+7,2г Сu із МФ-10=50,0г Сu). В усі х наступних прикладах кількість уведеного порошку міді залежить від кількості введеного порошку фосфористої міді МФ-10. Із результатів випробовувань композиту 1 витікає: При тискові 2,5-7,5МПа і швидкості ковзання 6,0м/с зразки з отриманого композиту, як видно із таблиці, при сухому терті мають коефіцієнт тертя 0,18-0,25. З-за недостатньої кількості свинцю (5,0мас.%), який виконує роль твердого мастила, коефіцієнт тертя при тискові 7,5МПа складає 0,25. Очевидно, що введена кількість свинцю не забезпечує при сухому терті формування на робочій поверхні змащувальної плівки в необхідній кількості і відповідно не забезпечує більш низький коефіцієнт тертя. Інтенсивність зношування отриманого композиту при тискові 7,5МПа відносно висока і становить 80,0мкм/км, що пояснюється: - Недостатньою кількістю введеного до його складу легуючи х елементів олова (2,0мас.%), фосфор у (0,8мас.%) і бору (0,8мас.%) і, як наслідок, незначне зміцнення всієї матриці композиту - несучої стр уктурної складової матеріалу. 1. Так, при введені у композит 0,8мас.% фосфор у кількість сформованої у процесі синтезу зміцнюючих фаз Сu3Р і (Сu3Р+ евтектика) недостатня для оптимального і суттєвого зміцненя мідно олов’яного сплаву (однієї із складових матриці матеріалу), необхідного для обмеження протікання пластичної деформації поверхневого шару у зоні тертя при роботі композиту під тиском. Крім того, введення 2,0мас.% олова у мідь 6 приводить тільки до незначного зміцнення самого мідно олов’яного сплаву. Вище приведені причини приводять до зменшення опору стиранню і збільшенню інтенсивності зношування матеріалу. 2. При введені у композит 0,8мас.% бору утворена ним у середині зерен заліза кількість тугоплавких сполук - боридів заліза невелика. Відповідно має місце незначне зміцнення і другої складової матриці матеріалу. Таким чином, при введені у композит згаданої кількості легуючих елементів має місце незначне зміцнення матриці матеріалу, що зменшує його зносостійкість і несучу здатність та збільшує інтенсивність зношування. Приклад 2 (див Табл., №п/п 3). Взяли 39,0г порошку заліза; 14,2г порошку міді; 12,0г порошку фосфористої міді МФ-10 (12,0г МФ-10 містить 1,2г фосфору і 10,8г міді); 9,0г порошку олова, 1,2г порошку бора; 25,0г порошку свинцю. Зразки приведеного складу отримували по вище описаній технології. Результати випробовувань показали (див. Табл., №п/п 3), що зразки з отриманого композиту при тискові 2,5-7,5МПа і швидкості ковзання 6,0м/с при сухому терті мають інтенсивність зношування