антифрикционный материал
Классы МПК: | F16C33/12 структура материала; применение особых материалов или способов обработки поверхности, например для придания антикоррозийных свойств C22C38/00 Сплавы черных металлов, например легированные стали |
Автор(ы): | Апурин Александр Анатольевич (RU), Гордеева Ольга Геннадьевна (RU), Дементьев Андрей Викторович (RU), Ефремова Лидия Александровна (RU), Пухов Александр Германович (RU), Смирнова Елена Анатольевна (RU), Цветков Виктор Васильевич (RU), Шипов Сергей Викторович (RU) |
Патентообладатель(и): | Общество с ограниченной ответственностью "Производственная компания "ПРОГРЕССИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2009-07-15 публикация патента:
20.06.2010 |
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления износостойких устройств и элементов машиностроительного назначения, в частности подшипников скольжения, работающих в условиях граничного и сухого трения. Антифрикционный материал выполнен на основе железа, графита, фтористого кальция, фосфора, сернистого марганца, цинка и меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: графит 0,5-3, фтористый кальций 0,1-1, фосфор 0,05-1, сернистый марганец 0,1-1, цинк 0,05-1, медь 10-30, железо - остальное. Технический результат направлен на получение высокотемпературных дисперсно-уплотненных порошковых материалов на основе железа с повышенной твердостью и коррозийной стойкостью.
Формула изобретения
Антифрикционный материал на основе железа, содержащий графит, фтористый кальций, фосфор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит сернистый марганец, цинк и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%: графит 0,5-3; фтористый кальций 0,1-1; фосфор 0,05-1; сернистый марганец 0,1-1; цинк 0,05-1; медь 10-30; железо - остальное.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления износостойких устройств и элементов машиностроительного назначения, в частности подшипников скольжения, работающих в условиях граничного и сухого трения.
Известен порошковый антифрикционный материал, состоящий из следующих компонентов, мас.%: медь - 80, графит - 15 и железо - 5 (Патент ФРГ № 2027902, 1972). Материал обладает хорошими антифрикционными свойствами в присутствии жидкой смазки между деталью, изготовленной из вышеуказанного материала и сопрягаемой деталью, изготовляемой обычно из стали.
Преобладающее содержание меди определяет высокую стоимость материала. Кроме того, данный материал содержит 15% графита, что уменьшает его механические свойства и поэтому область его применения ограничена.
Известны материалы антифрикционные на основе железа (ГОСТ 26802-86). Материалы обладают хорошими антифрикционными свойствами в условиях обильной смазки. В условиях самосмазывания ресурс снижается на треть, материалы подвержены в значительной степени коррозии.
Известен антифрикционный материал, состоящий из следующих компонентов, мас.%: железо 30-60, олово 2-5, графит 0-2, медь - остальное.
Материал имеет хорошие антифрикционные свойства в условиях подпитки узла трения смазкой. В условиях самосмазывания ресурс подшипникового узла снижается на 30-40% (патент РФ № 2163270).
Наиболее близким по достигаемому техническому результату является антифрикционный материал по патенту РФ № 2040574.
Упомянутый спеченный антифрикционный материал на основе железа содержит при следующем соотношении компонентов, мас.%: графит 0,1-0,2; латунь 4-5; фтористый кальций 0,5-0,8; фосфор 0,2-0,6; хром 0,1-0,4 и остальное - железо. Изделия из данного материала показали хорошие эксплуатационные свойства, однако недостаточно износостойкие.
Решаемая техническая задача заключается в создании антифрикционного материала на основе железа, применение которого для изготовления деталей машин обеспечит им повышенный срок эксплуатации.
Техническим результатом при использовании изобретения является получение высокотемпературных дисперсно-уплотненных порошковых материалов на основе железа с повышенной твердостью и коррозийной стойкостью.
Указанный технический результат достигается тем, что антифрикционный материал на основе железа, содержащий графит, фтористый кальций, фосфор, дополнительно содержит сернистый марганец, цинк и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Графит | 0,5-3,0 |
Медь | 10,0-30,0 |
Сернистый марганец | 0,1-1,0 |
Фосфор | 0,05-1,0 |
Цинк | 0,05-1,0 |
Железо | остальное |
Необходимо отметить, что пределы компонентов заявляемого материала были выбраны экспериментально и являются оптимальными.
Что касается физико-химических свойств используемых компонентов, то использование железа в качестве основы порошкового материала обусловлено относительно высокой температурой плавления, прочностью, твердостью и пластичностью, необходимых для получения требуемых свойств материала, использование меди в качестве составляющей материала определяется высокой теплопроводностью, обеспечивающей высокий отвод тепла из зоны трения, использование графита в указанных пределах способствует стабилизации коэффициента трения за счет разделительной пленки, образующейся на поверхности контактирующей пары.
Использование сернистого марганца направлено на обеспечение повышенной твердости спеченного материала. Введение фтористого кальция в композицию приводит к образованию тонкой кальций-фторидной пленки, которая активизирует процесс консолидации порошков, особенно при высоких температурах, что повышает антифрикционные, противозадирочные свойства.
Фосфор и цинк занимают третье место по удерживающей способности синтетических и органических смазок после таких дорогостоящих металлов, как олово и никель. Пропитанный смазкой антифрикционный материал, содержащий фосфор и цинк, обладает повышенной способностью удерживать смазку, поэтому ресурс работы изделия, изготовленного из такого материала в режиме самосмазывания повышается в 2-3 раза при одинаковых условиях работы. Кроме того, фосфат цинковая пленка менее активно взаимодействует с кислородом, чем железо, поэтому она защищает основу подшипника от воздействия окружающей среды, повышая тем самым коррозийную стойкость материала на 30-40%. Теплопроводность фосфат цинка в 1,3 раза выше, чем у железа, поэтому вторичный слой, содержащий фосфат цинка, обладает повышенной теплопроводностью и обеспечивает отвод тепла от изделия, изготовленного из предлагаемого материала, на 30% эффективнее при тяжелых условиях работы.
Вместе со смазкой, поступающей из пор материала, в зону трения попадают атомы аморфного цинка и фосфора, образуя антифрикционную пленку вторичного слоя, надежно удерживающую смазку в зоне трения. Фосфор и цинк в состав материала вводят известными путями.
Возможность осуществления изобретения может быть показана на примере получения материала ПА-ЖГр3Д3ОКфМсФЦ с конкретным содержанием компонентов в заявленных пределах и изготовления из него элемента машиностроительного назначения, например подшипника скольжения.
Антифрикционный материал, состоящий из следующих компонентов, мас.%:
Графит | 2,0 |
Медь | 20,0 |
Сернистый марганец | 0,4 |
Фосфор | 0,1 |
Фтористый кальций | 0,5 |
Цинк | 0,06 |
Железо | остальное, |
изготавливают следующим образом: исходные компоненты смешивают, полученную шихту прессуют в металлической пресс-форме с плотностью 5,8-6,1 г/см3 и пористостью около 20%.
Затем спекают в защитной атмосфере при температуре 980-1030°С в течение 30 мин, калибруют в металлической пресс-форме при давлении 300-400 МПа, затем пропитывают смазкой и применяют по назначению.
Проведены испытания подшипников скольжения цилиндрической формы, изготовленных из серийного материала ПА-ЖГрД5, изготовленных из предложенного материала и серийного бронзового дорогостоящего подшипника ПА-БрОГр4. Испытания проводились в режиме самосмазывания, контртело-вал из закаленной стали с отполированной поверхностью, давление 2 МПа, скорость скольжения 3 м/с.
Расход смазки проверялся взвешиванием. Износ определяли изменением размера внутреннего отверстия методом предустановленных баз, когда на испытываемую поверхность предварительно вдавливали трапецеидальные углубления, у которых измеряли катет до испытания и после. Испытания проводили до превышения силы тока в электроприводе, допустимой испытаниями величины. Наработку определяли в часах. Результаты приведены в таблице.
Марка материала | Наработка в ч. | Расход смазки в мг | Износ (мкм) |
ПА-ЖГрД5 | 4932 | 311 | 12 |
ПА-ЖГр3Д30КфМсФЦ | 8136 | 98 | 5 |
ПА-БрОГр4 | 6874 | 198 | 8 |
Из таблицы видно, что у изделия из предложенного материала расход смазки и износ меньше, а ресурс наработки больше, чем у изделия из серийного материала. Кроме того, показатели изделия из предложенного антифрикционного материала превышают показатели изделия из серийного бронзового материала, что дает основание использовать его в режиме самосмазывания вместо дорогостоящего изделия из бронзового материала.
Класс F16C33/12 структура материала; применение особых материалов или способов обработки поверхности, например для придания антикоррозийных свойств
Класс C22C38/00 Сплавы черных металлов, например легированные стали