Антифрикційний матеріал романіт, спосіб його отримання і елемент вузла тертя

1. Антифрикційний матеріал у вигляді спечених порошків фосфору, заліза, графіту і міді з локалізованими включеннями гранул, що містять мідь і графіт, який відрізняється тим, що вміст компонентів в матеріалі складає, мас.%: фосфор 0,33-1,35 залізо 11,08-30,30 графіт 0,16-5,16 гранули 2,0-24,0 мідь решта, при цьому гранули мають розмір 0,4-1,6 мм і додатково містять дисульфід молібдену при наступному вмісті компонентів в тілі гранул, мас.%: дисульфід молібдену 0,01-23,0 мідь 14,0-37,0 графіт решта. 2. Спосіб отримання антифрикційного матеріалу, що включає отримання гранул шля хом гранулювання першої суміші порошків, що містить порошки графіту і міді, змішування гранул з другою сумішшю порошків, що містить порошки фосфору, заліза, графіту і міді, формування і спікання отриманої шихти, який відрізняється тим, що першу суміш порошків, яка додатково містить порошок дисульфіду молібдену при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: порошок дисульфіду молібдену 0,01-23,0 порошок міді 14,0-37,0 порошок графіту решта, гранулюють з отриманням гранул розміром 0,41,6 мм, гранули змішують з другою сумішшю порошків, що містить, мас.%: фосфор 0,43-1,38 залізо 14,58-30,92 A (54) АНТИФРИКЦІЙНИЙ МАТЕРІАЛ РОМАНІТ, СПОСІБ ЙОГО ОТРИМАННЯ І ЕЛЕМЕНТ ВУЗЛА ТЕРТЯ 42952 ситься до антифрикційних матеріалів, що отримуються методом порошкової металургії, які застосовуються в машинобудуванні в елементах вузлів тертя, різних машин, механізмів і обладнання, а також в струмознімальних елементах. Аналіз науково-технічної інформації показав, що, незважаючи на велику кількість антифрикційних матеріалів і різних варіантів елементів вузлів тертя, їх ресурс не забезпечує термін служби між середніми і капітальними ремонтами машин, механізмів і обладнання. Анти фрикційні матеріали, призначені для роботи у вузлах тертя-ковзання, особливо важконавантажених, і при високих швидкостях ковзання, повинні мати цілий ряд взаємодоповнюючих властивостей, зокрема, крім високої зносостійкості, несучої здібності і теплопровідності, а також низького коефіцієнта тертя, матеріал повинен мати високу об'ємну і поверхневу міцність, мати здатність утворювати повторні структури і підтримувати на поверхнях, що сполучаються міцну розділову плівку твердої змазки, що запобігає схоплюванню і інтенсивному зносу матеріалів. У зв'язку з цим є необхідність в створенні екологічно чистих матеріалів для елементів вузлів тертя-ковзання з високою об'ємною і поверхневою міцністю і зносостійкістю, низьким коефіцієнтом тертя і що забезпечують нанесення на поверхні, які сполучаються, твердої змазки, що оберігає ці поверхні від зносу. Ці матеріали повинні дозволяти виготовляти елементи вузлів тертя вагою від 0,5 до 2000 кг і більше, що можливо тільки для виробів, які мають несучий елемент з напеченим шаром антифрикційного матеріалу. Найбільш близьке рішення було знайдено в патенті Російській Федерації № 2049687, МПК B60L5/08, H01R41/00, опубл. 10.12.1995. Даний патент описує антифрикційний матеріал і спосіб отримання антифрикційного матеріалу у вигляді спечених порошків фосфору, заліза, графіту і міді з локалізованими включеннями гранул, що містять мідь і графіт, при наступному співвідношенні компонентів, мас.% [9]: фосфор 0,48-1,20; залізо 9,6-12,0; цинк 2,4-16,0; графіт 10,5-25,0; мідь решта. При цьому 10-21 мас.% графіту і 9,015,0 мас.% міді входять в матеріал у вигляді гранул розміром 0,4-2,0 мм. Даний спосіб включає отримання гранул шляхом гранулювання першої суміші порошків, що містить порошки графіту і міді, змішування гранул з другою сумішшю порошків, яка містить порошки фосфор у, заліза, цинку, графіту і міді, формування і спікання отриманої шихти. Недоліком описаного матеріалу і способу його отримання є низька механічна міцність антифрикційного матеріалу, що отримується, оскільки цинк, який входить до складу цього матеріалу, не дозволяє підняти температуру спікання вище за 820°С через інтенсивне випаровування цинку, а для отримання матеріалу на мідній основі з високими механічними властивостями, який вміщує 9,6-12,0 мас.% заліза, температура спікання не повинна бути нижче ніж 1000°. Найбільш близька конструкція елемента вузла тертя, що включає несучий елемент з напеченим шаром антифрикційного матеріалу, що вміщує свинець, олово, ПР-Н65Х25Х25С3Р3, мідь і дисульфід молібдену, описана в заявці Російській Федерації № 94038081, МПК С22С9/08, С22С9/02 опубл. 27.02.1997. Система Cr-Ni-Cu є системою з обмеженою розчинністю [16], дифузійні процеси в якій протікають при температурі вище ніж 1083°С, вище ніж температура спікання міді, а олово і свинець, що входять до його складу, не дозволяють підняти температуру спікання вище за 860°С через інтенсивне випаровування олова і свинцю, внаслідок чого відбувається різке зменшення міцності матеріалу. Крім того, при температурі вище ніж 800°С відбувається коксування дисульфіда молібдену, що міститься у вільному стані, внаслідок чого його властивості як твердої змазки різко знижуються. Отже, недоліком цього елемента вузла тертя є низька механічна міцність антифрикційного матеріалу, підвищений знос поверхонь, що сполучаються, а наявність свинця і олова різко збільшує вартість виробу і робить його екологічно небезпечним. У основу винаходу поставлено задачу створити антифрикційний матеріал у вигляді спечених порошків фосфору, заліза, графіту і міді з локалізованими включеннями гранул, що містять мідь і графіт, шляхом підбору співвідношення вищеперелічених компонентів в матеріалі і додаткового додавання дисульфіда молібдену, що дозволяє отримати антифрикційний матеріал, який має високу механічну міцність, зносостійкість, низький коефіцієнт тертя і забезпечує, утворення на поверхні матеріалу розділових плівок, що запобігають зносу контактуючої пари. Іншою задачею винаходу є створення способу отримання антифрикційного матеріалу з такими характеристиками. Ще одною задачею винаходу є створення елемента вузла тертя, що включає несучий елемент з напеченим шаром такого антифрикційного матеріалу. Поставлена задача вирішується тим, що в антифрикційному матеріалі у вигляді спечених порошків фосфору, заліза, графіту і міді з локалізованими включеннями гранул, що містять мідь і графіт, вміст компонентів складає, мас.%: фосфор 0,33-1,35; залізо 11,08-30,30; графіт 0,16-5,16; гранули 2,0-24,0; мідь решта, при цьому гранули мають розмір 0,4-1,6 мм і додатково містять дисульфід молібдену при наступному вмісті компонентів в тілі гранул, мас.%: дисульфід молібдену 0,01-23,0; мідь 14,0-37,0; графіт решта. Інша задача вирішується тим, що у відомому способі отримання антифрикційного матеріалу, що включає отримання гранул шляхом гранулювання першої суміші порошків, що містить порошки графіту і міді, змішування гранул з др угою сумішшю 2 42952 порошків, що містить порошки фосфору, заліза, графіту і міді, формування і спікання отриманої шихти, першу суміш порошків, яка додатково містить порошок дисульфіда молібдену при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: порошок дисульфіда молібдену 0,01-23,0; порошок міді 14,0-37,0; порошок графіту решта, гранулюють з отриманням гранул розміром 0,4-1,6 мм, гранули змішують з др угою сумішшю порошків, що містить, мас.%: фосфор 0,43-1,38; залізо 14,58-30,92; графіт 0,21-5,26; мідь решта, при співвідношенні компонентів, мас.%: гранули 2,0-24,0; друга суміш порошків решта, і отриману ши хту формують і опікають. Переважно, першу суміш порошків гранулюють шляхом пропускання між каліброваними валками прокатного стану. Причому шихту формують шляхом прокатування дозованими порціями між валками прокатного стану. Найбільш переважно шихту спікають в прохідній печі при температурі 900-1070°С в середовищі захисного газу. Ще одна задача вирішується тим, що в елементі вузла тертя, що включає несучий елемент з напеченим шаром антифрикційного матеріалу, що вміщує дисуль фід молібдену і мідь, антифрикційний матеріал у вигляді спечених порошків фосфору, заліза, графіту і міді має локалізовані включення гранул, при наступному вмісті компонентів в матеріалі, мас.%: фосфор 0,33-1,35; залізо 11,08-30,30; графіт 0,16-5,16; гранули 2,0-24,0; мідь решта, при цьому гранули мають розмір 0,4-1,6 мм, при наступному вмісті компонентів в тілі гранул, мас.%: дисульфід молібдену 0,01-23,0; мідь Введення гранул в матеріал дозволяє збільшити кількість графіту в матеріалі без істотного зменшення міцності антифрикційного матеріалу. Дисульфід молібдену значно знижує коефіцієнт тертя, а його вміст в гранулах в кількості від 0,01 до 23,0 мас.% збільшує їх міцність. Мідь додана в гранули для поліпшення умов формування гранул і забезпечення дифузійних зв'язків матеріалу і гранул. Більш детально вплив компонентів на властивості антифрикційного матеріалу буде описаний нижче з посиланнями на графічні матеріали. Використання несучого елемента в елементі вузла тертя дозволяє виготовляти вироби вагою від 0,5-3000 кг і більше. Перелік графічних матеріалів. На фіг. 1 представлений графік залежності твердості і електропровідності матеріалу від вмісту вільного графіту. На фіг. 2 представлений графік залежності міцнісних характеристик від вмісту вільного графіту в матеріалі. На фіг. 3 представлений графік залежності твердості і міцності матеріалу від вмісту гра фіту. На фіг. 4 показаний зразок елемента вузла тертя у вигляді вкладки підчіпника. Таблиця показує залежність коефіцієнта тертя і інтенсивності зносу від навантаження для різних антифрикційних матеріалів. Вибір компонентів антифрикційного матеріалу і їх співвідношення зумовлені наступними властивостями компонентів. Застосування міді як основи антифрикційного матеріалу зумовлене високою теплопровідністю, що забезпечує інтенсивне відведення тепла із зони тертя-ковзання, високими антифрикційними властивостями, корозійною стійкістю внаслідок утворення захисної плівки окислів, помірною схильністю до схоплювання, хорошою пластичністю і невисокою твердістю, що забезпечують швидку припрацьовуваність. Крім того, порошки міді мають хорошою пресованість, спікливість і відносно високу температуру плавлення. Експериментально встановлено, що збільшення вмісту заліза в матеріалі, в порівнянні з прототипом, до 14,58-30,92 мас.% забезпечує отримання міцного сталевого каркаса, який обумовлює збільшення міцності, твердості і зносостійкості матеріалу більш ніж в два рази. Вміст заліза менше за 14,58 мас.% недостатній для отримання міцного сталевого каркаса, добре працюючого на стирання, а при вмісті заліза понад 30,92 мас.% виникає електрохімічна корозія матеріалу через різницю електричних потенціалів міді і заліза. Фосфор введений в матеріал для підвищення несучої здатності міді. Підвищення механічних властивостей при легуванні фосфором від 0,33 до 0,9 мас.% пов'язане з активуючим впливом міднофосфористої евтектики, яка утворюється при температурі понад 707°С і істотно інтенсифікує процес усадки при спіканні [10]. Збільшення вмісту фосфору з 0,9 мас.% до 1,35 мас.% приводить до підвищення вмісту фосфіда міді (Си3Р) в фосфідній евтектиці, мікротвердість якого значно вище за мікротвердість міді [11]. 14,0-37,0; графіт решта. Переважно несучий елемент виконаний з низьковуглецевої сталі і має товщин у 1-250 мм. Найбільш переважно товщина шару антифрикційного матеріалу становить 0,7-15 мм. Застосування міді як основи антифрикційного матеріалу обумовлене її високою теплопровідністю, хорошими антифрикційними властивостями і високою корозійною стійкістю. Вмісту заліза в матеріалі в межах 11,0830,3 мас.% забезпечує отримання міцного сталевого каркаса. Фосфор введений в матеріал для підвищення несучої здатності міді. Графіт виконує роль твердої змазки. 3 42952 Крім того, фосфор підвищує механічні властивості сталевого каркаса матеріалу легуванням твердого розчину a-заліза і гетерогенізацією залізної складової в зв'язку з розчиненням фосфору в a-залізі. Спільне розчинення міді і фосфор у в фериті дуже сильно зміцнює ферит. Мідь зміцнює ферит в 40 раз, а фосфор в 290 раз [12]. Отже, введення фосфору збільшує твердість, стабілізує усадку, одночасно додаючи матеріалу високі механічні властивості [10, 13], підвищує корозійну стійкість матеріалу [10]. Крім того, легування матеріалу фосфором сильно підвищує швидкість дифузійних процесів, що відбуваються в a-фазі [10]. При вмісті фосфор у менше ніж 0,33 мас.% виявляється зміцнення міді по розчинному механізму без значного утворення рідкої фази, тобто не відбувається інтенсифікація приросту щільності при спіканні і не спостерігається значного підвищення міцнісних характеристик. При вмісті фосфору більше ніж 1,35 мас.% відбувається збільшення вмісту крихких фаз по межах зерен заліза сталевого каркаса матеріалу, що знижує його механічні властивості (міцність і пластичність зменшуються). Графіт є легуючим елементом, який не взаємодіє з міддю і виконує роль твердої змазки [14]. У процесі експлуатації графіт утворює і підтримує на поверхні контртіла розділову плівку [14]. Плівка постійно відновлюється при механічних пошкодженнях в окремих ділянках поверхні тертя [15]. Графіт знижує коефіцієнт тертя, сприяє його стабілізації за рахунок розділової плівки, яка створює на поверхні контактуючи х пар, знижує знос поверхні тертя. Крім того. графіт спільно з фосфором забезпечує отримання перлітно-феритної структури сталевого каркаса, зміцненого фосфором і міддю з переважанням в структурі зміцненого перліту. Перлітно-феритні зерна облямовані мідно-фосфористими прошарками, що забезпечує утворення вторинних структур при стиранні, а отже, забезпечує різке підвищення зносостійкості матеріалу. У залежності від умов експлуатації матеріалу вміст графіту у другій суміші порошків може коливатися від 0,21 до 5,26 мас.% [14]. Вміст графіту у другій суміші порошків менше ніж 0,21 мас.% спричиняє в процесі експлуатації локальне схоплювання матеріалу і контртіла [14], а вміст графіту у вільному стані більше ніж 6 мас.% різко зменшує міцність матеріалу (див. фіг. 3) [15]. У той же час, створення матеріалів із вмістом графіту більше ніж 10 мас.% сприяє утворенню на поверхні матеріалу розділової плівки, що запобігає зносу контактуючої пари. Тому пропонується тверду змазку (графіт) вводити у другу суміш порошків в складі гранул розміром 0,4-1,6 мм, що отримуються безперервним прокатом в профільованих валках прокатного стану. Залежність міцнісних характеристик від вмісту гранул в матеріалі показано на фіг. 1-2. З збільшенням вмісту гранул в матеріалі електричний опір збільшується (див. фіг. 1). Гранули можуть мати будь-яку форму, але їх розмір в будь-якому напрямі повинен бути не менше ніж 0,4 мм. При менших розмірах гранули будуть займати велику площу і об'єм, що зменшує несучу здатність матеріалу і його зносостійкість (див. фіг. 2). Гранули розміром більше ніж 1,6 мм, що мають відносно низьку щільність, є концентраторами напруг, які знижують механічні характеристики, особливо ударну в'язкість (див. фіг. 2). Дисульфід молібдену є легуючим елементом, який значно знижує коефіцієнт тертя і сприяє його стабілізації за рахунок збільшення міцності розділових плівок в декілька разів, різко знижує знос поверхонь тертя. Експериментально встановлено, що введення в гранули дисульфіда молібдену в кількості від 0,01 до 23,0 мас.% збільшує міцність гранул більш ніж в два рази і збільшує міцність розділових плівок, що утворюються на поверхні контактуючих пар в декілька разів. Для матеріалів, які повинні мати високу електропровідність, вміст дисульфіда молібдену в гранулах повинен бути мінімальним, оскільки із збільшенням його концентрації відбувається збільшення питомого опору матеріалу. Загальний вміст графіту в межах 10,525,0 мас.% забезпечують шля хом введення у другу суміш порошків від 0,21 до 5,26 мас.% графіту у вільному стані і локалізації в складі гранул в кількості 0,8-20,64 мас.%. Загальний вміст графіту менше ніж 10,5 мас.% не забезпечує створення розділових плівок, а введення графіту в кількості більше ніж 20,64 мас.% різко знижує механічні властивості матеріалу. Мідь додана в гранули для поліпшення формівності гранул і забезпечення дифузійних зв'язків матеріалу і гранул, що реалізовується в процесі спікання. У зв'язку з тим, що дисульфід молібдену міститься в гранулах разом з міддю і графітом, розкладання дисульфіда молібдену на молібден і сірку не відбувається. Оптимальний вміст графіту, дисульфіда молібдену і міді в гранула х визначено експериментальне і складає відповідно (40,0-86,0), (0,01-23,0) і (14,0-37,0) мас.%. Вміст міді в гранула х більше ніж 37 мас.% вимагає відповідного зменшення вмісту графі ту і дисульфіда молібдену, що не забезпечує отримання міцних розділових плівок на поверхнях пари, що треться. Вміст міді в гранулах менше ніж 14 мас.% не забезпечує задовільної формівності гранул, які виходять рихлими, слабо закріпленими в матеріалі і не забезпечують створення міцних розділових плівок на поверхнях пари, що треться. Експериментально встановлено, що співвідношення графіту, дисульфіда молібдену і міді відповідно 63; 0,01 і 37 мас.%, або 63; 23 і 14 мас.% є верхньою межею вмісту гра фіту для формування гранул без руйнування. У таблиці приведені значення коефіцієнта тертя і інтенсивності зносу для різних антифрикційних матеріалів. Анти фрикційний матеріал згідно винаходу отримують таким чином. Суміш порошків дисульфіда молібдену, міді і графіту при наступному співвідношенні компонентів, мас.%: порошок дисульфіда молібдену 0,01-23,0; порошок міді 14,0-37,0; порошок графіту решта, пропускають між каліброваними валками прокатного стану для отримання гранул розміром 0,4 4 42952 1,6 мм. Гранули змішують з другою сумішшю порошків, що містить, мас.%: фосфор 0,43-1,38; залізо 14,58-30,92; графіт 0,21-5,26; мідь решта, при співвідношенні компонентів, мас.%: гранули 2,0-24,0; друга суміш порошків решта, 3. Козлов В.Ф. и др. Структура и свойства спеченного антифрикционного материала бронзографит. - Порошковая металлургия, 1981. - № 6. С. 48-53. 4. Патент НДР 96038, опубл. 05.03.1973. 5. Патент Японії 5306, опубл. 23.04.1964. 6. ОНО Тамоцу "Денреку те Тецудо, Елек., Лайт енд Фесайл Реїлвейс", 1975, 25. - № 10. С. 32-36. 7. A.с. CPCP 254093, 1969. 8. Патент Японії 18-17684, 1972. 9. Патент Росії 2049687. Материалы токосъемного элемента, 1995. 10. Збірник. Порошковые конструкционные материалы. - К.: Ізд. АН УРСР, 1980. - С. 41. 11. Джонс В.Д. Основы порошковой металлургии. - Свойства и применение порошковых материалов. - М.: Мир, 1965. - С. 271-273. 12. Гольдштейн М.И., Грачев С.В., Векслер Ю.Г. Специальные стали. - М.: Металлургия, 1985. - С. 27-28; 45-49. 13. Анциферов В.П., Акименко В.В. Спеченные легированные стали. - М.: Металургія, 1983. С. 86. 14. Биссон Э.Э., Джонсон Р.Л., Андерсон В.Дж. Применение твердых смазок, в частности графита, при температурах до 540°С. - Международная конференция по смазке и износу машин. - Лондон, 1957. - М.: Машгиз, 1962. - С. 305-314/7. 15. Биссон Э.Э., Джонсон Р.Л., Свикерт М.А. Влияние поверхностных твердых пленок на трение, износ и повреждение поверхностей металлов. - Международная конференция по смазке и износу машин. - Лондон, 1957. - М.: Машгиз, 1962. - С. 335-370. 16. Анциферов В.Н., Бобров Г.В и др. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. - М.: Металургія, 1987. - С. 282. отриману шихту формують і спікають при температурі 900-1070°С в прохідній печі в середовищі захисного газу. Для отримання елемента вузла тертя отриману ши хту насипають через дозатор на підготовлену по спеціальній технології поверхню сталевого листа з низьковуглецевої сталі потрібної форми, пресують і потім спікають при температурі 9001070°С в прохідній печі в середовищі захисного газу. На фіг. 4 показаний приклад елемента вузла тертя у вигляді вкладці, який містить несучий елемент 1 і шар антифрикційного матеріалу 2. Несучий елемент 1 виконаний з низьковуглецевої сталі і має товщину 1-250 мм. Анти фрикційний матеріал 2 має описаний вище склад, а товщина його шара становить 0,715 мм. Таким чином, антифрикційний матеріал РОМАНІТ, може бути використаний для виготовлення елементів вузлів тертя, які можуть бути виконані як плоскими (направляючі, накладки, пластини, вкладки і притискні планки), так і круглими (підчіпники, втулки, вкладки ковзання і т.п.). Джерела інформації. 1. Виноградов Г.А., Семенов Ю.Н., Катрус О.А., Ката шинский В.П. Прокатка металлических порошков. - М.: Металургия, 1969. - С. 382. 2. Федорченко И.М., П угана Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. К.: Наук. думка, 1980. - С. 282-297. 5 Таблиця Середній коефіціє нт тертя У тому числі у гранулах Загальне Інтенсивність зносу, мкм/мм.год Навантаження P, Н Нагрузка P, Н 29,4 53,9 122,5 29,4 53,9 122,5 14,5 57,2 10 0,4-2,0 0,1 0,11 Зразки антифрикційних матеріалів для підшипників ковзання 14 61,6 4,5 4,5 4,5 0,4-0,8 0,09 0,09 0,13 0,2 0,24 0,28 0,1 0,1 0,12 0,14 0,06 0,1 0,07 0,012 0,16 0,15 0,14 0,19 0,16 0,16 0,21 0,18 42952 6 У тому числі у гранулах P Загальне Fe Дісульфід молібдену Си У тому числі гранул Zn Загальне С Розмір гранул, мм Вміст компонентів, мас.% Прототип 12 10 0,8 20 15 0,9 18 20 20 15 1,2 1,2 0,9 20 20 20 16 16 16 54,3 54,3 54,3 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 0,4-0,8 0,8-1,0 0,8-1,0 0,04 0,07 0,05 0,05 0,08 0,06 42952 Фіг. 1 Фіг. 2 Фіг. 3 7 42952 Фіг. 4 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 8