Самозмащувальний композиційний антифрикційний матеріал на основі міді для роботи у вакуумі при низьких температурах

Реферат: Винахід належить до галузі кольорової металургії, а саме - до самозмащувального композиційного антифрикційного матеріалу на основі міді для роботи у вакуумі при низьких температурах та може бути використаний в космічній техніці для виготовлення опор ковзання механізмів і агрегатів орбітальних космічних комплексів, в приладобудуванні, машинобудуванні й енергетиці для виготовлення підшипників ковзання, вкладишів, шарнірів тощо. Цей матеріал містить інгредієнти при наступному співвідношенні, мас. % : свинець 10,0-30,0 нікель 4,0 - 20,0 фосфориста мідь 8,0 - 25,0 сірка 0,4 - 0,7 мідь решта. UA 98576 C2 (12) UA 98576 C2 -6 Винахід забезпечує зниження коефіцієнта тертя і інтенсивності зношення у вакуумі 1,5.10 мм. рт. ст. при температурі - 153 °С в 1,4 та в 3,0 разу, відповідно. UA 98576 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 Винахід належить до галузі кольорової металургії, а саме до складу самозмащувального композиційного антифрикційного матеріалу на основі міді, призначеного для опор ковзання механізмів і агрегатів, працездатних у глибокому вакуумі в умовах сухого тертя при низьких температурах, навантаженнях до 8,0 МПа і швидкості ковзання 1 м/с. Аналогом даного винаходу є композиційний антифрикційний самозмащувальний матеріал на основі міді (Патент України № 73217, С22С9/08, 1/02, опублікований 15.06.2005. Бюл. № 6, 2005 р.) наступного хімічного складу, мас. % : свинець 17,00-40,0 фосфор 1,00-4,0 марганець 1,00-10,0 церій 0,50-1,5 мідь решта. Істотним недоліком цього матеріалу є те, що при експлуатації у вакуумі він працездатний тільки при кімнатній температурі (+20 °С) до тиску 10 МПа, а перехід на роботу за мінусових температур призводить до його руйнування. Найближчим аналогом є близький по технічній суті до об'єкта, що заявляється, самозмащувальний композиційний антифрикційний матеріал на основі міді (Патент України № 77601, С22С9/08, опублікований 15.12.2006. Бюл. № 12.2006р.) наступного хімічного складу, мас. % : свинець 12,00-35,0 фосфор 0,80-3,5 олово 3,00-8,00 ітрій 0,30-1,20 мідь решта. Істотним недоліком цього аналога є те, що він по антифрикційних властивостях як при температурі +20 °С, так і при температурі -153 °С поступається матеріалу, який заявляється (див. табл. 2). Задачею винаходу "Самозмащувальний композиційний антифрикційний матеріал на основі міді для роботи у вакуумі при низьких температурах" є забезпечення матеріалу за мінусових температур працездатності і високих антифрикційних властивостей при сухому терті у вакуумі, значних тисках і швидкостях ковзання. Поставлена задача вирішується тим, що у матеріал на основі міді, який містить свинець, згідно з винаходом, додатково вводиться нікель, фосфориста мідь і сірка, а інгредієнти матеріалу взяті у наступній кількості, мас. % : свинець 10,00-30,00 нікель 4,00-20,00 фосфориста мідь 8,00-25,00 сірка 0,40-0,70 мідь решта. Нікель та фосфориста мідь підвищують механічні властивості матеріалу, а отже і зносостійкість та несучу здатність матеріалу, зменшують інтенсивність його зношування. Нікель, утворюючи з міддю твердий розчин, не взаємодіє з свинцем, який застосовується як тверде мастило у матеріалі. Він зміцнює матрицю - несучу структурну складову матеріалу і підвищує комплекс її механічних властивостей, а отже зменшує інтенсивність її зношування. Введення в мідь нікелю понижує схильність матеріалу до схоплення і переносу його на спряжену поверхню. Крім того, наявність нікелю у матеріалі підвищує межу текучості, корозійну стійкість, жаростійкість і зберігає його пластичність при мінусових температурах (Федорченко И.М., Пугина Л.И., Композиционные спеченные антифрикционные материалы. - К.: Наукова думка, 1980. - 440 с.), що при роботі у глибокому вакуумі й сухому терті та низьких температурах, значних тисках і швидкостях ковзання позитивно впливає на працездатність вузла тертя. Підвищення зносостійкості матеріалу досягається за рахунок уведення до складу матеріалу фосфористої міді, яка сприяє підвищенню міцності й твердості матеріалу, а отже підвищенню зносостійкості (Косторнов А.Г., Сімеонова Ю.М., Фущич О.І. та ін. Визначальний вплив трибрсинтезу нових структур у зоні тертя на експлуатаційні властивості антифрикційних матеріалів // Проблеми тертя і зношування: Наук. - техн. зб. - К.: НАУ, 2006. - Вип. 46. - С 109 121). Фосфориста мідь - МФ в процесі синтезу матеріалу Сu-Ni-МФ-S-Pb розплавляється, змочує сплав Сu-Ni і розтікається по межах його зерен. Фаза, розподілена по межах зерен сплаву СuNi, є зміцнювальною і представляє собою складний фосфід (CuNi) 3P з включеннями фосфідної евтектики, яка складається із  - твердого розчину нікелю у міді і кристалів фосфіду (CuNi) 3P. Її 1 UA 98576C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 склад сформувався внаслідок розчинення контактуючого шару сплаву Сu-Ni у рідкій фазі фосфористої міді, а її структура - в результаті рідкофазної дифузії. Зміцнювальна фаза при терті перешкоджає інтенсивній пластичній деформації поверхневого шару і обмежує її у зоні тертя, усуває схоплення, перешкоджає утворенню задирок при сухому терті у вакуумі при низьких температурах, значних навантаженнях і швидкостях ковзання і запобігає переносу матеріалу на спряжену поверхню, зменшує інтенсивність зношування матеріалу, збільшує зносостійкість, несучу здатність, а отже і довговічність опор ковзання із запропонованого матеріалу. Характер розподілу і кількість зміцнювальної фази, як буде показано нижче на прикладах, істотно впливає на інтенсивність зношування, зносостійкість і довговічність матеріалу. Якщо зміцнювальна фаза розташована в структурі матеріалу у вигляді розірваної сітки, то при такому її розподілі матеріал зміцнений, але не втрачає пластичність і має можливість розподіляти рівномірно навантаження, яке виникає у вузлі тертя при роботі у вакуумі при низьких температурах, значних навантаженнях і швидкостях ковзання. Збереження пластичності забезпечує оптимальну перебудову структури поверхневого шару, найбільш вигідної для даних умов роботи, і дозволяє матеріалу працювати в екстремальних умовах без руйнування, що сприяє зменшенню інтенсивності зношування, підвищенню його зносостійкості, а отже і довговічності вузла тертя, до складу якого входить опора ковзання, виконана із запропонованого матеріалу. Крім того, в результаті рідкофазної дифузії, яка має місце в процесі синтезу матеріалу при контактуванні сплаву Cu-Ni з розплавленою фосфористою міддю, формується структура антифрикційного матеріалу. В процесі синтезу матеріалу Сu-Ni-МФ-S-Pb свинець розплавляється. Розплав свинцю добре змочує мідно-нікелеві сплави, котрі виконують роль несучої структурної складової в композиційному матеріалі тертя. Це забезпечує адгезійне зчеплення твердого мастила з матрицею матеріалу. Свинець не дифундує у мідно-нікелеві сплави, не змінює їх склад і структуру. Змащувальні властивості свинцю зберігаються. Свинець - це антифрикційна структурна складова матеріалу. Він виконує роль твердого мастила під час сухого тертя матеріалу у вакуумі при низьких температурах, значних навантаженнях і швидкостях ковзання, відсутності кисню, вологи і традиційного змащування та понижує коефіцієнт тертя. У функції свинцю входить забезпечення легкості ковзання пари при сухому терті у вакуумі за рахунок утворення на їх поверхнях змащувальної плівки свинцю, яка діє, як тверде мастило. Свинець розподілений у вигляді глобулярних включень, розташованих на перетині меж зерен твердого Cu-Ni розчину. Легкоплавкий пластичний свинець, який розподілений рівномірно по всьому об'єму матеріалу, у процесі роботи матеріалу виходить на поверхню тертя внаслідок пластичної деформації і в результаті різниці у коефіцієнтах лінійного розширення компонентів матеріалу. Кількість і розподіл свинцю на поверхні тертя залежить від його вмісту і розподілу в структурі матеріалу, а також від режиму тертя. Із збільшенням потужності тертя кількість свинцю в поверхневому шарі зростає. Таким чином, сформований шар свинцю знижує втрати на тертя, а отже і коефіцієнт тертя матеріалу, і визначає його антифрикційні властивості. Зниження втрат на тертя досягається додатковим уведенням до складу композиції Сu-NiМФ-Pb ще і сірки. Під час синтезу матеріалу за рахунок взаємодії міді з сіркою утворюється сульфід міді Cu2S. Сульфід міді, як і свинець, виконує роль твердого мастила. Введення свинцю і сірки у матеріал приводить до появи одночасної їх сумарної дії, яке і забезпечує новому матеріалу порівняно з відомим зменшення коефіцієнта тертя. Свинець і сірка, яка утворює з міддю в процесі синтезу матеріалу сульфід міді, зменшують втрати на тертя і забезпечують антифрикційні властивості матеріалові у вакуумі при його роботі в парі зі сталями, утворюючи під час роботи змащувальну плівку на робочій поверхні, зменшують знос, збільшують надійність і довговічність матеріалу. Отже, у процесі створення самозмащувального композиційного антифрикційного матеріалу формується його структура, котра відіграє визначальну роль у його поведінці під час тертя і трибосинтезу вторинних структур на робочій поверхні, відповідальних за антифрикційні властивості запропонованого матеріалу. Структура самозмащувального композиційного антифрикційного матеріалу, що заявляється, є мікрогетерогенна. Основне навантаження несе матриця – несуча структурна складова, а у ролі твердого мастила - антифрикційної структурної складової, виступають рівномірно розподілені по об'єму матеріалу пластичний свинець у вигляді глобулярних включень і сульфід міді, який утворюється в процесі синтезу матеріалу в результаті взаємодії міді з сіркою. 2 UA 98576 C2 5 10 15 20 25 30 Матриця - це  - твердий розчин нікелю у міді з мікротвердістю 1190-1580 МПа, вдовж меж зерен якого у вигляді розірваної сітки рівномірно розподілена зміцнювальна фаза з мікротвердістю 1960-4720 МПа – сітка фосфіду (CuNi)3P з включенням фосфідної евтектики, яка складається із  – твердого розчину нікелю у міді і кристалів фосфіду (СuNi) 3Р. Слід зауважити, що твердий розчин нікелю у міді у вакуумі при низьких температурах має кращі антизадирні властивостями у порівнянні з твердим розчином олова у міді. При низьких температурах пластичність твердого розчину олова у міді зменшується. А наявність нікелю у матеріалі не зменшує, а зберігає його пластичність. Це один з факторів, який забезпечує працездатність нового матеріалу при мінусових температурах. Запропонований матеріал отримували наступним методом. У розплавлену і перегріту до температури 1150 °С мідь ввели інші компоненти сплаву в наступній послідовності: спочатку нікель, потім свинець, фосфористу мідь і сірку. Після приготування розплаву його охолодили до фіксації однорідної структури. Вибраний хімічний склад матеріалу, технологія його отримання і перелічені процеси, які мають місце при його синтезі, забезпечують сплавові рівномірний розподіл структурних складових - несучої й антифрикційної та необхідну структурно-морфологічну побудову, тобто мікрогетерогенну структуру, описану вище. В свою чергу останні забезпечують матеріалу працездатність у вакуумі при низьких температурах, значних навантаженнях і швидкостях ковзання, а також - малий коефіцієнт тертя, малу інтенсивність зношування, високу зносостійкість і несучу здатність. Триботехнічні характеристики отриманих композитів вивчали на кріогенно-вакуумній лабораторній установці УТ-ТВ, яка була розроблена спеціальним конструкторсько технологічним бюро Фізико - технічного інституту низьких температур ім. Б.І. ВеркІна НАН України (СКТБ ФТІНТ НАНУ). [Ye. I. Ostrovskaya, Т.P. Yukhno, G.D. Gamulya, Yu. V. Vvedenski, V.I. Kuleba. Low Temperature and Cryogenic Tribology Results at the B. Verkin Institute for Low Temperature Phusics and Engineering (Review) // Triboloogy International. - 2001. - V. 34. - №4. P.267 - 278]. Порівняльні триботехнічні дослідження антифрикційних експериментальних матеріалів були проведені при умовах, приведених у табл. 1. Дослідження фрикційної поведінки пари тертя проводилось по схемі "диск із самозмащувального композиційного антифрикційного матеріалу - сферичний індентор із загартованої сталі ШХ15". У таблиці 2 представлені антифрикційні властивості запропонованого і відомого матеріалів. Таблиця 1 Умови і параметри експерименту № п/п 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Умови експерименту оточуюче середовище тиск оточуючого середовища, мм. рт. ст. початкова об'ємна температура зразків, °С діаметр індентора, мм питоме навантаження, МПа швидкість ковзання, м/с шлях тертя, м Параметри експерименту вакуум -6 1,5.10 -153;+20 2,0 8,0 1,0 5000 35 40 Приклад 1 (див. табл. № 2, п/п 3). Шихта складається з 58,6 г міді; 12,0 г свинцю; 25,0 г фосфористої міді; 4,0 г нікелю; і 0,40 г сірки. Композит одержали за схемою, яка описана вище. Як видно із табл. 2, у вакуумі при тиску 8,0 МПа і швидкості ковзання 1,0 м/с при температурах +20 °С і -153 °С зразки з отриманого композиту мають коефіцієнт тертя 0,16 і 0,20 та інтенсивність зношування 2,3 мг/км і 2,1 мг/км. 3 UA 98576 C2 Таблиця 2 Результати триботехнічних випробувань відомого і композицій нового матеріалу при швидкості ковзання 1 м/с і температурах +20 °С –153 °С Тиск Р=8,0 МПа, Т=+20 °С № п/п Склад матеріалу, мас. % Коефіцієнт Інтенсивність тертя зношування, мг/км 1. Відомий Рb - 20,0; Р - 1,5; 0,22 3,3 Sn-7,0; Y-0,8; Cu - решта 2. Pb - 6,5; МФ - 27,0; Ni 0,23 3,9 3,5; S - 0,35; Сu - решта 3. Pb - 12,0; МФ - 25,0; Ni 0,16 2,3. 4,0; S - 0,4; Сu - решта 4. Pb - 20,0; МФ -15,0; Ni 0,13 1,2. 10,0; S - 0,6; Сu - решта 5. Pb - 25,0; МФ - 8,0; Ni 0,14 2,5. 20,0; S - 0,7; Сu - решта 6. Pb - 30,5; МФ - 5,5; Ni 0,19 3,6 20,5; S - 0,75, Сu - решта 5 10 15 20 25 30 35 40 Тиск Р=8,0 МПа, Т=-153 °С Коефіцієнт Інтенсивніть тертя зношування, мг/км 0,21 3,1 0,22 3,8 0,20 2,1 0,15 1,0. 0,16 1,75. 0,18 3,5 Приклад 2 (див. табл. № 2, п/п 5). Шихта складається з 46,3г міді, 25 г свинцю, 8,0 г фосфористої міді, 20,0 г нікелю і 0,70 г сірки. Композит одержали за схемою, яка описана вище. -6 Як видно з табл. 2, у вакуумі 1,5.10 мм. рт. ст. при тиску 8,0 МПа і швидкості ковзання 1,0 м/с при температурах +20° С і -153 °С зразки з отриманого композиту мають коефіцієнт тертя 0,14 і 0,16, а інтенсивність зношування 2,5 мг/км і 1,75 мг/км. Приклад 3 (див. табл. № 2, п/п 4). Шихта складається з 54,4г міді, 20,0 г свинцю, 15,0 г фосфористої міді, 10,0 г нікелю і 0,60 сірки. Одержали композит за схемою, яка описана вище. -6 Результати досліджень на тертя і зношування показали, що у вакуумі 1,5.10 мм. рт. с. при тиску 8,0 МПа і швидкості ковзання 1,0 м/с при температурах +20° С і -153° С зразки з отриманого композиту № 4 мають оптимальні триботехнічні характеристики - низький коефіцієнт тертя, який відповідно дорівнює 0,13 і 0,15, і малу інтенсивність зношування, що складає 1,2 мг/км і 1,0 мг/км. Високі триботехнічні характеристики композиту № 4 пояснюються наступним: - по-перше, введення (в мас. %) 10,0 нікелю у мідь зміцнює матрицю - несучу структурну складову матеріалу і оптимально підвищує комплекс її механічних властивостей, знижуючи схильність матеріалу до схоплювання і переносу на спряжену поверхню; - по-друге, при наявності у матеріалі 15,0 мас. % фосфористої міді в процесі синтезу утворюється оптимальна кількість зміцнювальної фази (СuNi) 3Р+евтектика), розподіленої у вигляді розірваної сітки. При такій її кількості і такому розподілу цієї фази матеріал зміцнений, але не втрачає пластичність при мінусових температурах і має можливість рівномірно розподіляти навантаження на всю опорну поверхню, дозволяючи йому працювати в екстремальних умовах без руйнування, що сприяє підвищенню його зносостійкості і зменшенню інтенсивності зношування, тобто з табл. 2 витікає, що 20 мас. % свинцю і 0,60 мас. % сірки, яка утворює у процесі синтезу матеріалу сульфід сірки, що має мастильні властивості, забезпечують мінімальні втрати на тертя, оскільки в цьому випадку при оптимальному поєднанні питомого навантаження і механічних властивостей матриці та мастил, процес утворення, вистилання і закріплення захисних змащувальних розділових плівок на опорній робочій поверхні із свинцю та сульфіду міді іде безперервно; - по-третє, вибраний хімічний склад матеріалу та спосіб його отримання забезпечили утворення зміцнювальної фази (СuN)3Р+евтектика) і сульфіду міді Cu 2S, що мають мастильні властивості; формування найбільш зносостійкої для даних умов роботи структури (твердий розчин нікелю у міді, уздовж меж зерен якого розташована сформована у процесі синтезу матеріалу зміцнювальна фаза у вигляді розірваної сітки) і рівномірний розподіл структурних складових, в тому числі свинцю і сульфіду міді, які виконують роль твердого мастила і понижують коефіцієнт тертя матеріалу, утворюють на його поверхні захисну роздільну плівку, яка забезпечує легкість ковзання. 4 UA 98576 C2 5 10 15 20 25 30 35 Позитивний вплив нікелю, фосфористої міді і сірки зберігається в усьому діапазоні приведених концентрацій (свинець 10,0-30,0; нікель 4,0-20,0; фосфориста мідь 8,0-25,0; сірка 0,40-0,75; мідь - решта). Подальше збільшення чи зменшення їх концентрацій, як витікає із табл. 2, не доцільно. Таким чином, введення до складу найближчого аналога з рівня техніки нікелю, фосфористої -6 міді і сірки забезпечує матеріалу у вакуумі 1,5.10 мм. рт. ст. при температурах +20 °С і -153 °С, тиску 8,0 МПа і швидкості ковзання 1,0 м/с працездатність із коефіцієнтом тертя 0,130,16 і 0,150,20 та інтенсивністю зношування (1,22,5) мг/км і (1,02,1) мг/км. -6 Матеріал найближчого аналога в вакуумі 1,5.10 мм. рт. ст. при наведеній у табл. 1. схемі тертя (диск-індентор) і умовах тертя (Р=8,0 МПа, V=1 м/с) є працездатним при температурі +20 °С з коефіцієнтом 0,22 і інтенсивністю зношування 3,3 мг/км, в той час як запропонований матеріал оптимального складу при цих умовах працює з коефіцієнтом 0,13 із інтенсивністю зношування 1,2 мг/км. -6 Це означає, що у вакуумі 1,510 мм. рт. с при температурі + 20,0 °С, тиску 8,0 МПа i швидкості ковзання 1,0 м/с коефіцієнт тертя та інтенсивність зношування запропонованого матеріалу відповідно в 1,7 та в 2,7 разів менші в порівнянні з відповідними властивостями найближчого аналога. -6 Матеріал цього аналога в вакуумі 1,510 мм. рт. ст. при наведеній у табл. 1. схемі тертя (диск-індентор) і умовах тертя (Р=8,0 МПа, V=1 м/с) є працездатним при температурі - 153 °С з коефіцієнтом тертя 0,21 і інтенсивністю зношування 3,1 мг/км, в той час як запропонований матеріал оптимального складу при цих умовах працює з коефіцієнтом 0,15 і з інтенсивністю зношування 1,0 мг/км. -6 Це свідчить, що у вакуумі 1,5.10 мм. рт. ст. при температурі - 153 °С, тискові 8,0 МПа і швидкості ковзання 1,0 м/с коефіцієнт тертя та інтенсивність зношування запропонованого матеріалу відповідно в 1,4 та в 3,0 разу менші в порівнянні з відповідними властивостями найближчого аналога. Вищенаведені результати свідчать про перевагу запропонованого матеріалу у порівнянні з найближчим аналогом. Розроблений матеріал може бути використаний: в космічній техніці для виготовлення опор ковзання механізмів і агрегатів орбітальних космічних комплексів, працездатних у глибокому вакуумі без примусової подачі мастила в зону тертя при низьких температурах, значних навантаженнях і швидкостях ковзання, в приладобудуванні, машинобудуванні й енергетики для виготовлення підшипників ковзання, вкладишів, шарнірів, і т. п., які працюють у вузлах тертя машин і механізмів у глибокому вакуумі при низьких температурах без подачі мастила у зону тертя при значних навантаженнях і швидкостях ковзання. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 40 Самозмащувальний композиційний антифрикційний матеріал на основі міді для роботи у вакуумі при низьких температурах, що містить свинець, який відрізняється тим, що додатково містить нікель, фосфористу мідь і сірку при наступному співвідношенні інгредієнтів, мас. %: cвинець 10,0-30,0 нікель 4,0-20,0 фосфориста мідь 8,0-25,0 сірка 0,4-0,7 мідь решта. Комп’ютерна верстка В. Мацело 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 5