способ получения антифрикционного изделия из композиционного материала

Формула изобретения

1. Способ получения антифрикционного изделия из композиционного материала, включающий приготовление исходной смеси, содержащей порошок меди или сплава на основе меди с размером частиц 30-100 мкм, с последующим ее прессованием и механической обработкой, отличающийся тем, что исходная смесь дополнительно содержит квазикристаллический нанопорошок системы Al-Cu-Fe, перед прессованием исходную смесь подвергают механическому легированию с получением композиционных гранул, каждая из которых содержит матрицу на основе меди, упрочненную квазикристаллами, прессование осуществляют при температуре 150-800°С и давлении 350-500 МПа, а после прессования проводят экструдирование.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что механическое легирование осуществляют в вибросмесителе в среде аргона или спирта.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что размер частиц квазикристаллического нанопорошка составляет 1-5 мкм.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение компонентов в исходной смеси в мас.% составляет (84-90)/(10-16).

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что экструдирование проводят при температуре 150-800°С.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к способам получения изделий из композиционных материалов, используемых в качестве антифрикционных элементов подшипников скольжения, в частности к порошковым способам получения антифрикционных изделий из композиционных материалов на основе медных матриц.

Известен способ получения композиционного материала на основе алюминиевого сплава, упрочненного квазикристаллическими частицами. Способ включает приготовление исходной смеси компонентов, ее компактирование с получением уплотненной композитной заготовки, и деформацию композитной заготовки с получением композиционного материала с алюминиевой матрицей, упрочненной квазикристаллическими частицами, с повышенными механическими свойствами. В качестве исходной смеси берут порошок алюминия или алюминиевого сплава и частицы квазикристаллического материала. Компактирование сырой заготовки осуществляют путем холодного изостатического прессования полученной смеси с получением сырой заготовки плотностью 80-90% и последующего горячего изостатического прессования сырой заготовки при температуре 450°C в течение 4 час с получением уплотненной композитной заготовки (Патент США № 5851317).

Данным способом можно получить стабильный при нагреве износостойкий материал, однако для применения в качестве антифрикционного материал на алюминиевой матрице имеет ряд недостатков, таких как повышенный коэффициент трения, высокая абразивность продуктов коррозии и износа, низкая температура плавления, склонность к образованию твердых интерметаллидов при взаимодействии со сталями. Кроме того, операции холодного и горячего изостатического прессования предполагают использование высокотехнологичного дорогостоящего оборудования, требующего специальных условий эксплуатации, связанных с наличием специально построенных помещений для работы с высоким давлением газов, и специально обученного персонала, а также с необходимостью предварительной дегазации контейнера-оболочки с порошковой сырой заготовкой, поэтому получаемый материал будет дорогостоящим.

Известен также способ получения изделий из порошковых алюминиевых бронз, работающих при граничной смазке в режиме самосмазывания, например в пористых подшипниках. Способ включает приготовление исходной смеси (шихты), содержащей не менее 87 мас.% порошка меди, не менее 5 мас.% алюминия и других легирующих элементов, смешивание полученной шихты с 1-2 мас.% минерального масла в шаровой мельнице, ее прессование и последующее спекание на воздухе в режиме самовоспламенения с ускоренным охлаждением детали в ненагретой масляной ванне (Патент РФ № 2032494).

Недостатком данного способа является то, что при горении частиц алюминия в составе шихты образуются сравнительно крупные частицы Al₂O₃ в виде корунда, способных при незначительных нарушениях технологического процесса, либо при изменении условий эксплуатации, вызывать повышенный износ контртела.

Наиболее близким к предлагаемому является выбранный за прототип способ изготовления антифрикционных износостойких деталей из композиционного материала, включающий приготовление исходной шихты, содержащей медь или сплав на основе меди с размером частиц 30-100 мкм, порошок железа с размером частиц 60-200 мкм, олово с размером частиц 5-100 мкм, и графит, ее прессование при давлении 300 МПа, спекание при 780°C, дважды проводимую калибровку и маслопропитку (Патент РФ № 2163270).

Недостатком этого способа является грубая структура получаемого композиционного материала, благоприятная для пористых самосмазываемых подшипников, однако ухудшающая несущие свойства материала при работе с внешней смазкой. Пористая структура материала в условиях тяжелонагруженного трения склонна к выкрашиванию частиц материала из антифрикционного элемента и повышенному износу контртела. Наличие железа в качестве несущей основы ухудшает триботехнические свойства изделия при трении по сталям, образуя с ними пары трения из близких по составу и свойствам материалов, что вызывает повышенную склонность трущихся поверхностей к схватыванию и приводит к увеличению коэффициента трения и повышенному износу детали.

Технической задачей данного изобретения является создание способа получения антифрикционного изделия из композиционного материала на основе медной матрицы, с высокой плотностью, высокими прочностными и трибологическими свойствами.

Для решения поставленной задачи предложен способ получения антифрикционного изделия из композиционного материала, включающий приготовление исходной смеси, содержащей порошок меди или сплава на основе меди с размером частиц 30-100 мкм, с последующим ее прессованием и механической обработкой, отличающийся тем, что в исходная смесь дополнительно содержит квазикристаллический нанопорошок системы Al-Cu-Fe, перед прессованием исходную смесь подвергают механическому легированию с получением композиционных гранул, каждая из которых содержит матрицу на основе меди, упрочненную квазикристаллами, прессование осуществляют при температуре 150-800°C и давлении 350-500 МПа, а после прессования проводят экструдирование.

Механическое легирование осуществляют в вибросмесителе в среде аргона или спирта.

Размер частиц квазикристаллического нанопорошка составляет 1-5 мкм.

Соотношение компонентов в исходной смеси составляет в мас.%: (84-90)/(10-16).

Экструдирование проводят при температуре 150-800°C.

В отличие от способа-прототипа, по которому получают материал с грубой пористой структурой, благоприятной для самосмазываемых подшипников, но обладающей низкими несущими свойствами, материал, полученный предлагаемым способом, имеет мелкодисперсную структуру, в которой мелкие твердые квазикристаллические частицы равномерно распределены в более мягком медном сплаве, в результате чего материал способен нести нагрузку и обладает высокими антифрикционными свойствами. Механическое легирование позволяет соединить разнородные составляющие в единую однородную структуру, причем при использовании медных сплавов в качестве матричного материала, обеспечивается двухуровневая структура, в которой квазикристаллы присутствуют в твердой фазе не только в меди, но и в других компонентах сплава, что позволяет разгрузить медный каркас и увеличить допустимые нагрузки на материал в условиях граничного трения. В процессе механического легирования, осуществляемого в высокоэнергетических вибросмесителях, матричные компоненты первоначально деформируются в пластины или чешуйки. С увеличением времени обработки в результате многократной микроскопической ковки матричные частицы усталостно разрушаются, и в них внедряются упрочняющие частицы. Эти процессы чередуются с эффектом перемешивания и наслоения частиц одна на другую, в результате чего компоненты материала образуют гранулы со слоистой структурой, которая затем исчезает, а гранулы приобретают округлую форму и имеют однородную структуру, состоящую из матрицы и мелкодисперсного упрочнителя. Размер частиц упрочнителя составляет 1-5 мкм, это позволяет получить наиболее высокие прочностные свойства композиционного материала. Использование частиц размером более 5 мкм приводит к снижению пластичности получаемого материала.

Горячее прессование осуществляют при температуре 150-800°C. Давление горячего прессования составляет от 350 до 500 МПа. Давление ниже 350 МПа не обеспечит степень компактирования сырой порошковой заготовки, достаточную для сохранения механической целостности во время дальнейшей обработки. Давление выше 500 МПа нецелесообразно, так как может привести к расслаиванию сырой заготовки.

Примеры осуществления.

Пример 1.

Получение цилиндрического антифрикционного изделия диаметром 16 мм и длиной 150 мм из композиционного материала, содержащего порошок меди и квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe.

Порошок меди марки ПМС-1 с размером частиц 30-100 мкм и квазикристаллический нанопорошок системы Al-Cu-Fe с размером частиц 1-5 мкм в соотношении 90:10 перемешали и подвергли механическому легированию в среде аргона. Полученные в результате композиционные гранулы подвергли горячему прессованию на гидравлическом прессе при температуре 800°C и давлении 500 МПа. Полученные заготовки экструдировали при температуре 800°C с коэффициентом вытяжки 25 с получением прутка диаметром 20 мм. Из прутка механической обработкой получили цилиндрические изделия диаметром 16 мм и длиной 150 мм и определили их основные характеристики: прочность, плотность, твердость, пористость и коэффициент трения.

Пример 2

Получение цилиндрического антифрикционного изделия диаметром 16 мм и длиной 150 мм из композиционного материала, содержащего порошок медного сплава и квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe.

Порошок бронзы марки ПР БРОС-10-1,5, содержащий 10-11% олова и 1,2-1,5% свинца, остальное - медь, с размером частиц 30-100 мкм и квазикристаллический нанопорошок системы Al-Cu-Fe размером 1-5 мкм в соотношении 87:13 перемешали и подвергли механическому легированию в среде спирта. Полученные в результате композиционные гранулы подвергли горячему прессованию на гидравлическом прессе при температуре 600°C и давлении 400 МПа 1 мин. Полученные заготовки экструдировали при температуре 600°C с коэффициентом вытяжки 25 с получением прутка диаметром 20 мм. Из прутка механической обработкой получили цилиндрические изделия диаметром 16 мм и длиной 150 мм и определили их основные характеристики: прочность, плотность, твердость, пористость и коэффициент трения.

Пример 3

Получение цилиндрического антифрикционного изделия диаметром 16 мм и длиной 150 мм из композиционного материала, содержащего порошок сплава на основе меди и квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe.

Порошок бронзы марки ПР БРОС-1-22, содержащий 0,8-1,2% олова и 21-22% свинца, остальное - медь, с размером частиц 30-100 мкм и квазикристаллический нанопорошок системы Al-Cu-Fe размером 1-5 мкм в соотношении 84:16 перемешали и подвергли механическому легированию в среде аргона. Полученные в результате композиционные гранулы подвергли горячему прессованию на гидравлическом прессе при температуре 150°C и давлении 350 МПа. Полученные заготовки экструдировали при температуре 150°C с коэффициентом вытяжки 25 с получением прутка диаметром 80 мм. Из прутка механической обработкой получили цилиндрические изделия диаметром 80 мм и длиной 150 мм и определили их основные характеристики: прочность, плотность, твердость, пористость и коэффициент трения.

Пример 4 (по прототипу)

Получение цилиндрического изделия диаметром 16 мм и длиной 150 мм из композиционного материала, содержащего порошок сплава на основе меди и порошок железа.

Приготовили исходную смесь состава: Fe - 50 мас.% (размер частиц 60-200 мкм), Cu (марки ПМС-1, размер частиц 20-100 мкм) - 44%, Sn (марки ПО-1, размер частиц 5-10 мкм) - 5% и графит (размер частиц 5-100 мкм). Полученную смесь перемешивали в шаровой мельнице 4 часа, затем подвергли холодному прессованию на гидравлическом прессе при давлении 300 МПа. Полученные заготовки спекали при температуре 780°C в течение 2 часов. Полученную заготовку дважды подвергли калибровке. Затем механической обработкой из нее получили цилиндрические изделия диаметром 16 мм и длиной 150 мм и определили их основные характеристики: прочность, плотность, твердость, пористость и коэффициент трения. Свойства представлены в таблице.

Таблица
№ образца	Предел прочности, МПа	Плотность, г/см3	Коэффициент трения	Твердость по Бринеллю НВ	Пористость, %
1	650	8,92	0,28	120	0,5
2	550	9,10	0,19	140	0,5
3	500	9,14	0,15	100	2,0
4 (прототип)	200	8,07	0,35	60	10

Из таблицы видно, что изделие, полученное предлагаемым способом, обладает более высокой прочностью, плотностью и твердостью, более низкой пористостью при коэффициенте трения, соответствующем требованиям к антифрикционным изделиям.

Предлагаемый способ позволит получить детали, работающие в более жестких условиях, например, тяжелонагруженные элементы для подшипников скольжения и узлов трения (вкладыши, втулки и др), скользящие токосъемники на железной дороге и другие антифрикционные износостойкие детали машиностроительного назначения, с повышенным ресурсом и надежностью.