антифрикционный материал романит-увл, способ его получения и элемент узла трения

Формула изобретения

1. Спеченный антифрикционный материал, содержащий феррофосфор, железо, графит, медь и локализованные включения гранул, содержащих медь и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит углеродное волокно при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:

феррофосфор	0,5-5,4
углеродное волокно	0,5-15,0
железо	10,91-26,25
графит	0,16-5,16;
гранулы	2,0-24,0
медь	остальное

при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем содержании компонентов в грануле, мас.%:

медь	37,0-60,0
графит	остальное

2. Способ получения спеченного антифрикционного материала, включающий получение гранул путем гранулирования первой смеси порошков, содержащей порошки графита и меди, смешивание гранул со второй смесью порошков, содержащей порошки феррофосфора, железа, графита и меди, формование и спекание полученной шихты, отличающийся тем, что получают гранулы размером 0,4-2,0 мм из первой смеси порошков, содержащей, мас.%:

порошок меди	37,0-60,0
порошок графита	остальное

смешивание гранул со второй смесью порошков осуществляют при соотношении гранул и второй смеси порошков 1:50-1:3 мас.ч., при этом вторая смесь дополнительно содержит углеродное волокно при следующем содержании компонентов, мас.%:

феррофосфор	0,65-5,52
углеродное волокно	0,65-15,31
железо	14,36-26,79
графит	0,21-5,26
медь	остальное

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что гранулы получают путем пропускания первой смеси между калиброванными валками прокатного стана.

4. Способ по п.2, отличающийся тем, что формование осуществляют путем прокатывания шихты дозированными порциями между валками прокатного стана.

5. Способ по п.2, отличающийся тем, что спекание осуществляют при температуре 830-1100°С в среде защитного газа.

6. Элемент узла трения, включающий несущий элемент с напеченным слоем антифрикционного материала, содержащего феррофосфор, железо, графит, медь и локализованные включения гранул, содержащих медь и графит, отличающийся тем, что антифрикционный материал дополнительно содержит углеродное волокно при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:

феррофосфор	0,5-5,40
углеродное волокно	0,5-15,0
железо	10,91-26,25
графит	0,16-5,16
гранулы	2,0-24,0
медь	остальное

при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в грануле, мас.%:

медь	37,0-60,0
графит	остальное

7. Элемент узла трения по п.6, отличающийся тем, что несущий элемент выполнен из низкоуглеродистой стали.

8. Элемент узла трения по п.6, отличающийся тем, что несущий элемент имеет толщину 1-250 мм.

9. Элемент узла трения по п.6, отличающийся тем, что толщина слоя антифрикционного материала составляет 0,7-25 мм.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области порошковой металлургии и машиностроению, в частности к антифрикционным материалам, используемых в элементах узлов трения различных машин, механизмов и оборудования.

Анализ научно-технической информации показал, что, несмотря на большое количество антифрикционных материалов, отсутствуют порошковые материалы для подшипников жидкостного трения различных машин, механизмов и оборудования. Это обусловлено недостаточной самосмазывающейся способностью этих материалов и недостаточной их механической прочностью.

Нормальная эксплуатация антифрикционных материалов в подшипниках жидкостного трения возможна в случае высокой самосмазывающейся их способностью, низкого коэффициента трения, высокой износостойкости сопрягаемых поверхностей и высокой механической прочности.

Известен антифрикционный материал и способ получения антифрикционного материала (патент Российской Федерации №2049687) в виде спеченных порошков фосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Фосфор	0,48-1,20
Железо	9,60-12,00
Цинк	2,40-16,00
Графит	10,50-5,00
Медь	остальное.

При этом 10-21 мас.% графита и 9,00-15,00 мас.% меди входят в материал виде гранул размером 0,4-2,0 мм.

Недостатком этого материала и способа его получения является низкая механическая прочность получаемого антифрикционного материала, так как входящий в состав материала цинк не позволяет поднять температуру спекания выше 820°С из-за интенсивного испарения цинка, а для получения материала на медной основе с высокими механическими свойствами, содержащего 9,60-12,00 мас.% железа, температура спекания не должна быть ниже 1000°С.

Известен антифрикционный материал элемента узла трения и способ получения антифрикционного материала (патент Украины №42952 А) в виде спеченных порошков фосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих дисульфид молибдена, медь и графит, при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:

Фосфор	0,33-1,35
Железо	11,08-30,30
Графит	0,16-5,16
Гранулы	2,00-24,00
Медь	остальное.

При этом гранулы имеют размер 0,4-1,6 мм и дополнительно содержат дисульфид молибдена при следующем содержании компонентов в теле гранул, мас.%:

Дисульфид молибдена	0,01-23,0
Медь	14,00-37,00
Графит	остальное.

Данный способ включает получение гранул путем гранулирования первой смеси порошков, содержащей порошки графита, дисульфида молибдена и меди, смешивания гранул со второй смесью порошков, содержащей порошки фосфора, железа, графита и меди, формование и спекание полученной шихты.

Недостатком данного способа получения антифрикционного материала и элемента узла трения является низкая механическая прочность антифрикционного материала, которая обусловлена тем, что входящий в состав этого материала фосфор не позволяет поднять температуру спекания выше 900°С из-за интенсивного образования медно-фосфористой эвтектики при температуре свыше 707°С и образования жидкой фазы. Для получения антифрикционного материала на медной основе с высокими механическими свойствами, содержащего 11,08-30,30 мас.% железа, температура спекания не должна быть ниже 1000°С. Кроме того, как показывает опыт, введение дисульфида молибдена в гранулы значительно снижает антифрикционные свойства материала. Во время трения температура в зоне контакта достигает 800°С, а дисульфид молибдена, несмотря на введение в гранулы, коксуется уже при температуре свыше 400°С, что резко ухудшает антифрикционные свойства материала из-за ухудшения процесса образования разделительной пленки на сопрягаемой поверхности.

Известен материал и способ его изготовления на основе медно-графитовой композиции, содержащей по крайней мере один карбид металла IV-VI группы и короткие углеродные волокна (патент Российской Федерации №2088682) при следующих соотношениях компонентов, мас.%

Частицы графита	6,30-60,00
По крайней мере один
карбид металла IV-VI группы	15,00-60,00
Углеродные волокна	0,10-4,20
Медь или ее сплав	остальное.

Данный материал обладает недостаточной самосмазывающейся способностью и является дорогостоящим вследствие использования карбидов металлов IV-VI группы. Он не обладает достаточной механической прочностью вследствие неоднородности полученной структуры даже при введение углеродного волокна. Повышение самосмазывающейся способности и увеличение толщины разделительной пленки можно достичь, повысив содержание углеродного волокна и свободного графита в материале. Однако введение в этот материал углеродного волокна свыше 4,2 мас.% приводит к неравномерному распределению волокна по всему объему композиционного материала, а увеличение свободного графита снижает прочностные характеристики. Кроме того, способ изготовления такого материала является достаточно трудоемким, так как процесс смешения порошков проводят в течение длительного времени, а в процессе спекания на графитовые частицы сплошным покрытием наносят карбиды металлов IV-VI гуппы.

Наиболее близким к заявляемому решению является антифрикционный материал, способ получения антифрикционного материала и элемент узла трения (патент Украины №47235 А от 17.06.2002 г.), в котором антифрикционный материал получен в виде спеченных порошков феррофосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при следующем содержании компонентов в материале, мас.%:

Феррофосфор	0,50-5,40
Железо	10,91-26,25
Графит	0,16-5,16
Гранулы	2,00-24,00
Медь	остальное.

Данный материал более дешевый, чем предыдущий аналог, и менее трудоемкий в изготовлении, однако, в свою очередь, имеет существенные недостатки.

Недостатком данного материала, способа его получения и элемента узла трения, полученного с использованием этого материала, является повышенный износ подшипников трения из этого материала при недостаточном содержании свободного графита, невысокая механическая прочность из-за большого содержания свободного графита в материале и вследствие его пористости, а также недостаточная самосмазывающаяся способность материала, что приводит к быстрому износу сопрягаемых поверхностей.

В основу изобретения поставлена задача создать антифрикционный материал в виде спеченных порошков феррофосфора Fe₃P, железа, графита, меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, в котором путем дополнительного введения углеродного волокна и соответствующего подбора компонентов получают антифрикционный углеволокнистый беспористый материал с высокой самосмазывающейся способностью, повышенной износостойкостью, механической прочностью, низким коэффициентом трения.

Другой задачей изобретения является создание такого способа получения антифрикционного материала, в котором путем гранулирования первой смеси порошков до определенного размера гранул и смешения со второй смесью порошка, содержащей углеводородные волокна, при определенном соотношении этих смесей образуется беспористый материал с высокой самосмазывающейся способностью, повышенной износостойкостью и высокой механической прочностью материала.

Еще одной задачей изобретения является создание такого элемента узла трения, в котором путем использования антифрикционного материала, полученного путем определенного подбора компонентов и определенного способа получения этого материала, достигается получение на поверхности материала толстой разделительной пленки, предотвращающей износ контактирующих пар трения.

Поставленная задача решается тем, что в известном антифрикционном материале в виде спеченных порошков феррофосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, которые содержат медь и графит, согласно изобретению он дополнительно содержит углеродные волокна при следующем соотношении компонентов в материале, мас.%:

Феррофосфор	0,50-5,40
Углеродные волокна	0,50-15,00
Железо	10,91-26,25
Графит	0,16-5,16
Гранулы	2,00-24,00
Медь	остальное,

при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас.%:

Медь	37,00-60,00
Графит	остальное.

Еще одна задача решается тем, что в известном способе получения антифрикционного материала, включающем получение гранул путем гранулирования первой смеси порошков, содержащей порошки графита и меди, смешивание гранул со второй смесью порошков, содержащей порошки феррофосфора, железа, графита и меди, формование и спекание полученной шихты, согласно изобретению первую смесь порошков, содержащую, мас.%:

Порошок меди	37,00-60,00
Порошок графита	остальное,

гранулируют с получением гранул размером 0,4-2,0 мм, гранулы смешивают со второй смесью порошков, которая дополнительно содержит углеродные волокна, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Феррофосфор	0,65-5,52
Углеродные волокна	0,65-15,31
Железо	14,36-26,79
Графит	0,21-5,26
Медь	остальное,

при следующем соотношении, мас. ч.:

Гранулы: вторая смесь порошков

1:50-1:3.

Предпочтительно первую смесь порошков гранулируют путем пропускания между калиброванными валками прокатного стана.

Формование шихты может быть выполнено путем прокатывания дозированными порциями между валками прокатного стана.

Предпочтительно шихту спекают при температуре 830-1100°С в среде защитного газа.

Еще одна задача решается тем, что в известном элементе узла трения, включающем несущий элемент с напеченным слоем антифрикционного материала из спеченных порошков феррофосфора, железа, графита и меди с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, согласно изобретению антифрикционный материал дополнительно содержит углеродные волокна при следующем содержании компонентов, мас.%:

Феррофосфор	0,50-5,40
Углеродные волокна	0,50-15,00
Железо	10,91-26,25
Графит	0,16-5,16
Гранулы	2,00-24,00
Медь	остальное,

при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас.%:

Медь	37,00-60,00
Графит	остальное.

Предпочтительно несущий элемент выполнен из низкоуглеродистой стали.

Толщину несущего элемента выбирают в пределах 1-250 мм, при этом толщина слоя антифрикционного материала может составлять 0,7-25 мм.

Введение в антифрикционный материал углеродных волокон позволяет получить волокнистую композицию с равномерно распределенной повторяющейся геометрией углеродных волокон в пластичной матрице. Это обеспечивается благодаря тому, что в результате спекания углеродных волокон и гранул, содержащих графит и медь, со смесью порошков происходит равномерное заполнение всех пор спекаемого материала.

При этом экспериментально установлено, что материалы, содержащие более 5,5 мас.% графита в свободном состоянии, обладают высокими смазывающими свойствами. При увеличении содержания в материале более 5,5 мас.% графита в свободном состоянии толщина разделительной пленки на поверхностях трения увеличивается в несколько раз. Однако количество графита в свободном состоянии более 5,5 мас.% вызывает резкое снижение механических свойств материала в результате разупрочнения им матрицы. В то же время создание материалов с содержанием графита в свободном состоянии более 5,5 мас.% благоприятствует образованию на поверхностях трения разделительных пленок, предотвращающих износ контактирующей пары. Для получения желаемого результата в порошковую матрицу антифрикционного материала вводят твердую смазку в виде углеродных волокон или нитей, содержащих до 95-97% углерода. При спекании углеродных волокон вместе с гранулами, содержащими медь и графит, при температуре свыше 900°С часть углеродных волокон диффундирует в стальной каркас матрицы, что обеспечивает прочное закрепление их в материале. В результате образуется единый монолит углеродо-стального каркаса матрицы антифрикционного материала, обладающего высокой прочностью, а также способного создавать на поверхности толстую разделительную пленку, обладающую самосмазывающейся способностью. При этом экспериментально установлено, что при увеличении содержания в антифрикционном материале углеродных волокон более 15% начинается разупрочнение матрицы материала и происходит снижение его механических свойств.

Введение в материал волокон углеродных менее 0,5 мас.% не обеспечивает заметного увеличения толщины разделительных пленок, а следовательно, и увеличение самосмазывающейся способности материала и заметного увеличения его прочностных характеристик.

Таким образом, оптимальное содержание углеродных волокон в материале составляет 0,50-15 мас.%.

В антифрикционном углеволокнистом материале сдвиговый механизм торможения трещин, характерный для традиционных сплавов, дополняется торможением трещин самими волокнами, вследствие чего происходит резкое повышение прочности материала, и в результате получают беспористый антифрикционный материал с высокой механической прочностью.

Гранулирование первой смеси порошков до размера гранул 0,4-2,0 мм путем пропускания между калиброванными валками прокатного стана и смешение далее со второй смесью порошков, содержащих дополнительно углеродное волокно, прокатывание шихты дозированными порциями между валками прокатного стана и спекание полученной шихты при температуре 830-1100°С в среде защитного газа позволяют получить в конечном результате антифрикционный материал с самосмазывающейся способностью, обладающий высокой механической прочностью и износостойкостью, с низким коэффициентом трения.

Узел трения с несущим элементом с напеченным слоем антифрикционного материала позволяет получить на поверхности материала, обладающего повышенной механической прочностью и износостойкостью, толстую разделительную пленку, предотвращающую износ контактирующих пар трения.

Антифрикционный материал согласно изобретению получают следующим образом:

смесь порошков графита и меди в количестве, мас.%:

Медь	37,00-60,00
Графит	остальное,

пропускают между калиброванными валками прокатного стана для получения гранул размером 0,4-2,0 мм.

Углеродные волокна режут ножницами на куски, а затем измельчают в мельницах до необходимых размеров, просеивают на вибросите, отделяют фракции менее 1 мм и добавляют их во вторую смесь порошков. Эту смесь загружают в смеситель и производят сухое смешение. Затем добавляют увлажнитель и производят мокрое смешение.

Гранулы смешивают со второй смесью порошков, содержащей мас.%:

Феррофосфор	0,65-5,52
Углеродные волокна	0,65-15,31
Железо	14,36-26,79
Графит	0,21-5,26
Медь	остальное.

При этом соотношение гранул и второй смеси порошков выбирают 1:50-1:3.

Полученную шихту сначала формуют, прокатывая дозированными порциями между валками прокатного стана, а затем спекают при температуре 830-1100°С в проходной печи в среде защитного газа.

Для получения элемента узла трения полученную шихту насыпают через дозатор на подготовленную по специальной технологии поверхность стального листа из низкоуглеродистой стали нужной формы толщиной 1-250 мм, прессуют и затем спекают при температуре 830-1100°С в проходной печи в среде защитного газа. При этом толщина антифрикционного материала элемента узла трения составляет 0,7-25 мм.

Таким образом, изобретение позволяет создать углеволокнистый беспористый антифрикционный материал, обладающий самосмазывающейся способностью, осуществить способ его получения и создать элемент узла трения с напеченным слоем антифрикционного материала, который обладает высокой механической прочностью, износостойкостью, очень низким коэффициентом трения, способностью образовывать на поверхности материала толстые разделительные пленки, которые предотвращают износ контактирующей пары при работе без смазки.