СОСТАВ ПОРОШКОВОГО АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 1997 года по МПК B22F1/00 C22C33/02 

Изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано преимущественно для изготовления деталей антифрикционного назначения из материалов на основе железа, в особенности для деталей с повышенными требованиями по износостойкости и точности геометрических размеров.

Получение деталей с повышенной износостойкостью и точностью размеров представляет значительные трудности, для преодоления которых предложены различные технические решения, в том числе связанные с получением материалов определенного состава. В железную шихту добавляются различные ингредиенты, приводящие, в частности к повышению износостойкости и стабилизации размеров при спекании. Чаще всего это введение меди и графита и некоторых других ингредиентов в соотношении, обеспечивающем оптимальную износостойкость и неизменность геометрических размеров после спекания.

Например, предлагается вводить в шихту на основе железа 7-45% массовых меди, 1-2,5% графита, 0,5-5% олова, 1,5-3,5% талька (авт.св. N 1458077, опублик. 15.02.89).

Наиболее близким к изобретению является техническое решение, (патент Японии N 6362802, опублик. 08.03.89). Патентом защищен материал на основе железа, в который добавлено до 20% массовых меди и до 5% массовых графита. Недостатком материала является недостаточная стабильность размеров после спекания и низкая износостойкость.

Целью изобретения является повышение износостойкости и стабильности размеров после спекания.

Поставленная цель достигается за счет того, что в состав порошкового материала дополнительно введен алюминиевый порошок в количестве 0,03-1,4 массовых процентов при следующем содержании компонентов, мас.

Медь 1-20
Графит 0,5-5,0
Железо Остальное,
при этом содержание алюминия к содержанию меди берется в соотношении (по массе) 0,03-0,07.

В основе изобретения лежит экспериментально установленный факт повышения износостойкости и стабильности размеров после спекания в результате введения алюминия в указанных пропорциях.

Введение графита в материал на основе железа приводит к снижению коэффициента трения и способствует уменьшению геометрических размеров деталей после спекания (усадке).

Введение меди приводит к повышению твердости и уменьшению усадки, либо даже, при значительном массовом проценте, к увеличению геометрических размеров после спекания.

При совместном введении меди и графита, как показывают эксперименты, изменение геометрических размеров зависит от исходной плотности деталей таким образом, чем больше плотность, тем меньше усадка деталей после спекания. Вместе с тем, невозможно получить одинаковую плотность как по объему отдельно взятой детали, так и при переходе от детали к детали в партии.

Не одинаковая плотность деталей в одной партии возникает из-за вариации давления прессования, насыпной плотности порошка и других причин. Разноплотность в объеме отдельно взятой детали возникает из-за трения о стенки прессформы. В результате в системе железо-графит-медь невозможно получить стабильность геометрических размеров, что, в свою очередь, является одной из причин снижения износостойкости.

Было экспериментально установлено, что введение алюминия, также как и введение меди, приводит к снижению усадки, либо даже к увеличению геометрических размеров после спекания, однако при этом наблюдается обратная зависимость от исходной плотности: чем больше плотность, тем больше усадка или тем меньше увеличение размеров. Дальнейшие эксперименты показали также, что можно подобрать такое соотношение компонентов, при котором изменения геометрических размеров не зависят от плотности. В частности, можно подобрать такое соотношение компонентов, при котором геометрические размеры остаются практически стабильными после спекания в заданном диапазоне плотности.

Введение алюминия в количестве, меньшем 0,03 от массового процента меди, приводит к увеличению усадки у деталей низкой плотностью по сравнению с деталями с высокой плотностью.

Увеличение содержания алюминия до величины, превышающей 0,07 от массового процента меди, приводит, напротив к росту геометрических размеров относительно малопрочных деталей в большей степени, чем у более плотных деталей.

Помимо стабилизации геометрических размеров, введение алюминия существенно, в 1,5-2 раза увеличивает износостойкость материала при триботехнических испытаниях. Алюминий образует с железом ряд твердых растворов, а также ряд интерметаллических соединений.

При относительно небольшом количестве алюминия, которое вводится в состав материала в соответствии с изобретением, следует ожидать, что наибольшее количество алюминия содержится в виде твердого раствора в железе и меди.

Износостойкость материалов в значительной степени определяется сдвиговой усталостной прочностью. Атомы алюминия, растворенные в железной и медной матрице, тормозят движения дислокации, в результате чего повышается сдвиговая усталостная прочность и износостойкость материала.

Уменьшение содержания алюминия ниже 0,03 от массового процента меди делает его введение неэффективным из-за низкой концентрации. Увеличение его содержания свыше 0,07 от массового процента меди приводит к охрупчиванию материала, появлению системы макро- и микротрещин, что также снижает и износостойкость материала при его триботехнических испытаниях.

Примеры реализации изобретения приведены в таблице.

Опробование составов было проведено на материале, изготовленном из смеси железного порошка марки ПЖ 4 ГОСТ 9849-86, медного порошка марки ПМА ГОСТ 4960-86, графитового порошка марки ГС-1 ГОСТ 8295-73 и порошка алюминиевого марки А6 ГОСТ 11069-74. Исходная плотность от 5,3 до 6,3 г/см³ получена в диапазоне давлений от 2 до 6 т/см². Спекание было проведено в атмосфере водорода при температуре 1130-1150^oC в течение 30-40 мин, что соответствует общепринятой методике изготовления деталей из материалов на основе железа.

Определение трифоботехнических характеристик было проведено на машине Шкода-Савине и на машине МИ-1. В первом случае определяли износ по величине погружения вращающегося твердосплавного диска в испытываемый материал при фиксированной нагрузке 20 кг в течение 1 мин. Во втором случае коэффициент трения и относительный критерий износа определяли на сегменте кругового кольца из исследуемого материала при его трении о вращающийся вал.

При этом относительный критерий износа расчитывали по формуле:

где h линейный износ, см
q удельное давление, кг/см²,
L путь трения, см.

Приведенные в таблице данные подтверждают правильность решения и выбранных интервалов.

Экономический эффект от изобретения определяется повышением износостойкости и срока службы подшипников в 1,5-2 раза при использовании незначительного количества относительно дешевого алюминиевого порошка. Кроме того, за счет повышения точности размеров при спекании уменьшается себестоимость изготовления подшипников за счет повышения срока службы прессинструмента; в ряде случаев возможно исключение операции калибровки.

Использование: в области порошковой металлургии, преимущественно для изготовления деталей антифрикционного назначения из материалов на основе железа, в основном для деталей с повышенными требованиями по точности геометрических размеров и износостойкости. Сущность изобретения: в состав порошкового материала дополнительно введен алюминиевый порошок при следующем содержании компонентов /процент массовый/: алюминий 0,03-1,4, медь 1-20, графит 0,5-5,0, железо - остальное, при этом содержание алюминия к содержанию меди берется в соотношении (по массе) 0,03-0,07. 1 табл.

Порошковый антифрикционный материал на основе железа, содержащий медь и графит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит алюминий при следующем соотношении компонентов, мас.

Медь 1 20
Графит 0,05 5
Алюминий 0,03 1,4
Железо Остальное
при этом массовое отношение содержания алюминия к содержанию меди составляет 0,03 0,07.