ПОРОШКОВЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА Российский патент 2005 года по МПК B22F1/00 C22C33/02 C22C38/16 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к составам порошковых материалов на основе железа с добавками графита, меди и стекла для использования в качестве сильноточных скользящих контактов - троллейбусных вставок, коллекторных пластин электропоездов и аналогичных узлов, а также в узлах трения с повышенной температурой различных областей техники.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Известен порошковый материал для скользящих электроконтактов на основе железа марки Р7 состава, % мас.: медь - 22, свинец - 5, никель - 1, нитрид бора - 2, железо - 70 (Либенсон Г.А. Производство спеченных изделий. - М.: Металлургия, 1982, С.215-221). Недостатком материала является низкая износостойкость контактов, а также содержание свинца, запрещенного в настоящее время к применению, в составе материала.

Известен также порошковый материал для подвода больших токов (Пат. 50-40088 (Япония). Способ изготовления скользящих электродов для подвода больших токов. - Опубл. 22.12.75) состава, % мас.: графит - 5-30; олово - 2-10; свинец - 2-10; хром - 2-30; серебро - 2-20; медь - до 100. Невысокая износостойкость порошкового материала во влажной атмосфере, сложный состав и высокая стоимость за счет содержания в составе олова, хрома, серебра, а также наличие в составе свинца являются недостатками этого материала.

Завод порошковой металлургии ″Электроконтакт″ (г. Кинешма Ивановской обл.) выпускает вставки троллейбусов согласно ТУ - 303-89 ИЛГТ 741582010 состава, % мас.: медь - 30; графит - 3; свинец - 10; железо - до 100. Недостатком этого материала является низкая износостойкость (до 100 км пробега) и наличие в составе свинца.

Известен также порошковый материал антифрикционного назначения (А.с. №1588788 - Опубл. 30.08.90 г. Бюл. №32). Материал содержит в своем составе компоненты,% мас.: олово - 4-8; графит - 1-4; отходы катализатора - 2-10; медь - остальное. Стеклофазу в этом материале содержат отходы катализатора, в которых находится диоксид кремния (до 65% мас.). Недостатком материала является высокая интенсивность изнашивания - до 5,4 мкм/км, а также повышенные коэффициенты трения при изнашивании без смазки (f=0,06-0,08).

Наиболее близким к заявляемому техническому решению по совокупности признаков, т.е. ближайшим аналогом, является порошковый стеклосодержащий материал на основе железа (А.с. №442227 (СССР). Антифрикционный спеченный материал. - Опубл. 05.09.74 г. БИ №33). Материал содержит, % мас.:

графит 2-5

дисульфид молибдена 2-4

стекло 5-10

стеарат цинка 1,0-1,5

железо остальное

В качестве стеклофазы здесь использовано натрийборосиликатное (оконное) стекло.

Материал предназначен для работы в щелочных растворах, при трении без смазки и в граничном режиме имеет высокие значения коэффициентов трения (f=0,2-0,5) и интенсивность изнашивания (до 1,5-15 мкм/км), что является недостатком этого материала. К недостаткам следует отнести повышенный износ контртела материалом прототипа.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретательская задача состояла в разработке порошкового антифрикционного материала на основе железа, обеспечивающего высокую износостойкость (низкую интенсивность изнашивания) самого материала и работающего с ним в паре контртела в различных режимах трения (различных погодных условиях).

Поставленная задача достигается путем создания порошкового антифрикционного материала на основе железа, содержащего графит и стеклофазу, причем дополнительно он содержит медь, а в качестве стеклофазы - свинцово-боросиликатное стекло при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Графит - 1-3

Медь - 0,1-5,0

Свинцово-боросиликатное стекло - 1-7

Железо - остальное

Порошок графита марок ЭУТ-1, ЭУТ-2 выпускается согласно ГОСТ 10274-79 и используется в порошковой металлургии для получения антифрикционных материалов на основе железа (железографиты) или меди (бронзографиты).

В больших объемах выпускаются порошки железа марок ПЖР (ГОСТ 9849-86), и порошки меди марок ПМС (ГОСТ 4960-75), используемые в порошковой металлургии для изготовления антифрикционных деталей.

Свинцово-боросиликатное стекло, используемое в изобретении, промышленностью не выпускается и было специально получено как низкотемпературная стеклофаза, содержащая свинец (до 70% РbО) в нетоксичной форме, в качестве твердого включения в порошковый антифрикционный материал.

Свинцово-боросиликатные стекла содержат от 30 до 70% мас. РbО (оксида свинца), от 3 до 40% мас. SiO₂ (диоксида кремния), от 15 до 50% мас. В₂O₃ (оксида бора). Для повышения химической стойкости в их состав вводились оксиды: Na₂O (до 10% мас.), Аl₂O_з (до 3% мас.), СаО (до 7% мас.). Стекла варились из химически чистых сырьевых материалов: безводной кремнекислоты - SiO₂, с-го сурика – Рb₃O₄, борной кислоты – Н₃ВО₃, кальцинированной соды – Na₂CO₃, карбоната кальция – СаСО₃, гидроксида алюминия - Аl(ОН)₃ при температуре 1250°С в течение 1 часа. В зависимости от химического состава стекла по фазовому состоянию могут быть гомогенными или гетерогенными.

Плотность стекол лежит в пределах 2870-4820 кг/м³, температура начала размягчения их - в пределах 408-564°С.

Полученные стекла измельчались в бисерной мельнице и отбирались фракции 60-80 мкм, которые вводились в шихту порошковых материалов на основе железа в качестве твердых включений.

Использование заявленной совокупности существенных признаков позволяет получить достигаемый технический результат, а именно: снизить интенсивность изнашивания порошкового материала в 1-30 раз, сопряженного с ним медного контртела - в 0,2-2,0 раза, уменьшить коэффициенты трения в 4-25 раза.

СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ

ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Пример 1. 1 г (1 мас.%) порошка графита, 0,1 г (0,1 мас.%) порошка меди, 1 г (1 мас.%) порошка свинцовоборосиликатного стекла и 98 г (98 мас.%) порошка железа смешивали в смесителе в течение 1,5 час, из полученной шихты в стальной пресс-форме прессовали образцы под давлением 5,5 т/см² (550 МПа) и спекали в среде водорода при температуре 1020-1080°С в течение 1,5 час.

Пример 2. 2 г (2 мас.%) порошка графита, 2 г (2 мас.%) порошка меди, 4 г (4 мас.%) порошка свинцовоборосиликатного стекла и 92 г (92 мас.%) порошка железа смешивали в смесителе в течение 1,5 час, из полученной шихты прессовали образцы под давлением 5,5 т/см² (550 МПа), образцы спекали в среде водорода при температуре 1020-1080°С в течение 1,5 час.

Пример 3. 3 г (3 мас.%) порошка графита, 5 г (5 мас.%) порошка меди, 7 г (7 мас.%) порошка свинцово-боросиликатного стекла и 85 г (85 мас.%) порошка железа смешивали в смесителе в течение 1,5 час, из полученной шихты прессовали под давлением 5,5 т/см² (550 МПа) образцы, которые спекали в среде водорода при температуре 1020-1080°С в течение 1,5 час.

Полученные образцы были испытаны на трение и износ на серийной машине трения ИИ-5018 по схеме ″диск-колодка″. Диск-контртело диаметром 40 мм был выполнен из электротехнической меди (для имитации троллейбусных проводов), колодкой служили полученные образцы.

Режим трения: скорость скольжения - 3 м/с, удельная нагрузка - 1,5 МПа. Режим трения соответствует рекомендациям литературы (Ефремов И.С. и др. Технические средства городского электрического транспорта. - М.: Высшая школа, 1965. - 448 с.) для узла трения токоподвода троллейбусов.

Результаты испытаний приведены в таблице.

Таблица№ примеровАнтифрикционные свойства материалов ИнтенсивностьИнтенсивностьКоэффициенты изнашиванияизнашиваниятрения порошковогомедного  материала,контртела,  мкм/кммкм/км 11,10,070,0320,50,050,0231,50,080,05прототип1,5-15,00,10,2-0,5

Из таблицы видно, что в заявляемом интервале значений содержания ингредиентов в порошковом антифрикционном материале на основе железа поставленная цель достигается: по сравнению с ближайшим аналогом интенсивность изнашивания порошкового антифрикционного стеклонаполненного материала снижается в 1,0-30,0 раз, медного контртела - в 0,2-2,0 раза, коэффициенты трения снижаются в 4-25 раза во всем диапазоне составов порошкового материала.

Эти преимущества позволят порошковому материалу работать в узлах трения значительно дольше, уменьшить число разборок и сборок токосъемного узла, повысить надежность городского электротранспорта.

Предлагаемый материал имеет более высокую коррозионную стойкость за счет заполнения пор стеклом при спекании, что также является достоинством этого материала.

Использование в составе порошкового материала свинцово-боросиликатного стекла позволяет отказаться от применения порошка свинца, являющегося канцерогеном, и улучшить экологическую обстановку в городах, имеющих электротранспорт.

Наконец, при высоких скоростях скольжения, оледенении проводов и т.п. за счет высокой температуры узла токосъема, стекло в составе порошкового материала подплавляется и играет роль твердой смазки.

Изобретение относится к порошковой металлургии, к материалам на основе железа для использования в качестве сильноточных скользящих контактов, а также в узлах трения с повышенной температурой. Предложенный материал на основе железа, содержащий графит и стеклофазу, согласно изобретению дополнительно содержит медь, а в качестве стеклофазы - свинцо-воборосиликатное стекло при следующем соотношении компонентов, мас.%: графит - 1-3, медь - 0,1-5, свинцовоборосиликатное стекло - 1-7, железо - остальное. Обеспечивается снижение интенсивности изнашивания порошкового материала и уменьшение коэффициентов трения. 1 табл.

Порошковый антифрикционный материал на основе железа, содержащий графит и стеклофазу, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь а в качестве стеклофазы - свинцово-боросиликатное стекло при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Графит 1-3

Медь 0,1-5

Свинцово-боросиликатное стекло 1-7

Железо Остальное