СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗДЕЛИЯ ИЗ СПЕЧЕННОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА СО СВЯЗКОЙ ИЗ СТАЛИ Российский патент 2011 года по МПК B22F3/24 B24B1/00 B22F3/12 

Изобретение относится к машиностроительной промышленности и применяется при изготовлении пар трения скольжения тяжело нагруженных подшипников, изготавливаемых из композиционных материалов.

Известен способ поверхностного упрочнения чугунных изделий (патент РФ 2011687, C21D 5/00, опубл. 1994.04.30), включающий нагрев поверхности высокоскоростным трением скольжения и охлаждение путем подачи в зону обработки смазочно-охлаждающей жидкости с введением в смазочно-охлаждающую жидкость коллоидного графита в количестве 4,4-6%. В результате упрочнения на поверхности детали за счет импульсного нагрева до температуры выше Ас₃, высокоскоростного пластического деформирования, ускоренного охлаждения и происходящих при этом термодиффузионных процессов формируется белый слой, состоящий из остаточного аустенита, мелкоигольчатого мартенсита и дисперсных карбидов, обладающий повышенной твердостью по сравнению с мартенситом обычной закалки.

Недостатком данного способа упрочнения является как сложность его осуществления, так и использование смазочно-охлаждающих жидкостей специального состава.

Известен способ поверхностного упрочнения деталей из железоуглеродистых сплавов (патент РФ №2190024, C21D 7/04, B24B 55/00, опубл. 2002.09.27), в котором упрочнение достигается тем, что поверхность упрочняемого изделия из железоуглеродистых сплавов нагревается высокоскоростным трением скольжения и охлаждается путем подачи в зону обработки смазочно-охлаждающей жидкости, а затем охлаждение зоны обработки осуществляется со скоростью 3·10⁴-2,2·10⁵ К/с путем подачи под углом 40-50° к поверхности детали смазочно-охлаждающей жидкости с коэффициентом ее использования 0,5-0,7.

Недостатком известного способа является сложность процесса, при котором формируется антифрикционный слой, состоящая в использовании смазочно-охлаждающих жидкостей и специального устройства для подачи этой жидкости под определенным углом к поверхности детали.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является способ получения изделия из спеченного композиционного материала на основе карбида вольфрама со связкой из стали (JP 03-061304 A, 13.03.1991), включающий формование порошковой смеси и последующее спекание изделия.

Недостатком прототипа является то, что изделия, полученные известным способом, имеют недостаточно высокий срок службы.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в разработке способа получения изделия из спеченного композиционного материала на основе карбида вольфрама со связкой из стали. Полученные предлагаемым способом изделия из спеченного композиционного материала упомянутого состава для пар трения отличаются повышенным сроком службы за счет формирования на поверхности изделия квазиаморфного трибослоя, что приводит к снижению коэффициента трения.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения изделия из спеченного композиционного материала на основе карбида вольфрама со связкой из стали, включающем формование порошковой смеси и последующее спекание изделия, в качестве связки используют сталь Гадфильда 110Г13, при этом после спекания на поверхности изделия формируют упрочненный квазиаморфный трибослой посредством высокоскоростной обработки трением со скоростью 20-30 м/сек, давлением 3-5 МПа и в течение 1,5-2 минут.

Формуют порошковую смесь, содержащую 8 вес.ч. карбида вольфрама и 2 вес.ч. связки из стали Гадфильда.

Изделие формуют при давлении 500-600 МПа.

Изделие спекают при температуре 1350-1400°С в течение 30-60 минут.

Скорость скольжения и давление при высокоскоростной обработке трением повышают до упомянутых значений линейно.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в следующем.

Для получения изделия из композиционного материала на основе карбида вольфрама со связкой из стали Гадфильда 110Г13 авторы предлагают сначала сформировать нужное изделие из порошковой смеси упомянутых компонентов, например, в стальной пресс-форме при давлении 500-600 МПа, затем спрессованное изделие спекают в вакууме либо в инертной атмосфере при температуре 1350-1400°С в течение 30-60 минут. После шлифовки рабочую поверхность изделия подвергают высокоскоростной обработке трением со скоростью 20-30 м/сек при приложении давления порядка 3-5 МПа.

Время высокоскоростной обработки составляет 1.5-2 минуты.

Повышение скорости скольжения до 20-30 м/сек сопровождается ростом температуры в зоне трибоконтакта до ~1400°С, которая близка к температуре плавления связки.

При скорости скольжения меньше 20 м/сек происходит недостаточный разогрев поверхности изделия, незначительное фрагментирование поверхностного слоя и, как следствие, незначительное повышение износостойкости.

Использование скорости скольжения выше 30 м/сек нецелесообразно, т.к. это приводит к излишним энергетическим затратам при достижении того же уровня износостойкости.

При приложении давления менее 3 МПа значительно увеличивается время обработки для формирования квазиаморфного износостойкого слоя, что приводит к излишним энергетическим затратам и увеличению времени обработки.

Повышение давления выше 5 МПа приводит к значительному повышению температуры в зоне трения, что нежелательно, т.к. происходит интенсивное размягчение и окисление как связки, так и карбида вольфрама. При таком режиме трения формирование износостойкого слоя затруднено, и изделие не приобретает высокой износостойкости.

Высокоскоростная обработка трением со скоростью скольжения 20-30 м/сек и давлением 3-5 МПа приводит к интенсивному перемешиванию и измельчению структурных составляющих в поверхностном слое изделия из спеченного композиционного материала, а быстрый отвод тепла за счет высокой теплопроводности спеченного композиционного материала в основной объем изделия, формирует на поверхности изделия упрочненный квазиаморфный трибослой, так называемый белый слой, представляющий собой дисперсный, фрагментированный в процессе трения композит WC-сталь 110Г13, микротвердость которого достаточно высока (10.5±0.5 ГПа).

Структура этого упрочненного квазиаморфного трибослоя (белого слоя) толщиной 3-5 мкм представляет высокодисперсную (размер кристаллитов 10-20 нм), смесь карбидов и связки (α-, ε- и γ-фаз), количество дисперсных карбидов в котором на 7-10 об.% больше, чем в исходном спеченном композиционном материале. Под упрочненным квазиаморфным трибослоем (белым слоем) находится слой композиционного материала (8-10 мкм) с повышенным объемным содержанием частиц WC (2-5 об.%), вследствие уменьшения среднего размера межкарбидных прослоек в 1.3-1.5 раза, по сравнению со структурой спеченного композиционного материала до обработки трением (испытаний). Данный слой сопряжен с основным спеченным композиционным материалом изделия.

Результатом высокоскоростной обработки трением является сформированный квазиаморфный трибослой глубиной порядка 3-5 мкм. Дисперсная структура слоя обладает высокой адгезионной прочностью, которая обусловлена когерентной границей между квазиаморфным слоем и основным спеченным композиционным материалом, материалом изделия.

Время высокоскоростной обработки трением составляет 1.5-2 минуты, что достаточно для того, чтобы процесс формирования «белого слоя», необходимой толщины и структуры, полностью завершился.

Благодаря предлагаемой высокоскоростной обработке трением износостойкость поверхности изделия из спеченного композиционного материала WC - 110Г13 увеличивается в 2.5-3 раза. Высокая износостойкость поверхности изделия из спеченного композиционного материала сохраняется и при тех скоростях скольжения, где наблюдается катастрофический износ поверхности изделия, необработанной предлагаемой высокоскоростной обработкой трением.

Пример 1

Порошок карбида вольфрама смешивают с порошком стали Гадфильда в пропорции 8 вес.ч. к 2 вес.ч. соответственно. Из порошковой смеси компонентов формуют изделие при давлении 500 МПа и спекают в вакууме при температуре 1350°С в течение 60 минут. Далее рабочую поверхность изделия из спеченного композиционного материала WC - 110Г13 шлифуют и подвергают интенсивной высокоскоростной обработке трением. При этом скорость скольжения и давление трения повышают линейно до 20 м/сек и 5 МПа, соответственно. После чего делается выдержка в течение 2 минут. Затем скорость скольжения и давление снижают и обработку трением заканчивают. Поверхность изделия приобретает высокую износостойкость при скоростях скольжения до 50 м/сек.

Пример 2

Порошок карбида вольфрама смешивают с порошком стали Гадфильда в пропорции 8 вес.ч. к 2 вес.ч. соответственно. Из порошковой смеси компонентов формуют изделие при давлении 600 МПа и спекают в вакууме при температуре 1380°С в течение 30 минут. Далее рабочую поверхность изделия из спеченного композиционного материала WC - 110Г13 шлифуют и подвергают интенсивной обработке трением. При этом скорость скольжения и давление трения повышают линейно до 25 м/сек и 4 МПа соответственно. После чего делается выдержка в течение 1.8 минут. Затем скорость скольжения и давление снижают и обработку трением заканчивают. Поверхность изделия приобретает высокую износостойкость при скоростях скольжения до 50 м/сек.

Пример 3

Порошок карбида вольфрама смешивают с порошком стали Гадфильда в пропорции 8 вес.ч. к 2 вес.ч. соответственно. Из порошковой смеси компонентов формуют изделие при давлении 550 МПа и спекают в вакууме при температуре 1400°С в течение 40 минут. Далее рабочую поверхность изделия из спеченного композиционного материала WC - 110Г13 шлифуют и подвергают интенсивной обработке трением. При этом скорость скольжения и давление трения повышают линейно до 30 м/сек и 3 МПа соответственно. После чего делается выдержка в течение 1.5 минут. Затем скорость скольжения и давление снижают и обработку трением заканчивают. Поверхность изделия приобретает высокую износостойкость при скоростях скольжения до 50 м/сек.

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к способам получения изделий из спеченных композиционных материалов, и может быть использовано при изготовлении пар трения скольжения тяжело нагруженных подшипников. В заявленном способе в качестве основы материала используют карбид вольфрама, а в качестве связки - сталь Гадфильда 110Г13. Способ включает формование порошковой смеси и последующее спекание изделия. При этом после спекания на поверхности изделия формируют упрочненный квазиаморфный трибослой посредством высокоскоростной обработки трением со скоростью скольжения 20-30 м/сек, давлением 3-5 МПа и в течение 1,5-2 минут. Технический результат - повышение срока службы изделий за счет снижения коэффициента трения. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ получения изделия из спеченного композиционного материала на основе карбида вольфрама со связкой из стали, включающий формование порошковой смеси и последующее спекание изделия, отличающийся тем, что в качестве связки используют сталь Гадфильда 110Г13, при этом после спекания на поверхности изделия формируют упрочненный квазиаморфный трибослой посредством высокоскоростной обработки трением со скоростью скольжения 20-30 м/с, давлением 3-5 МПа и в течение 1,5-2 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что формуют порошковую смесь, содержащую 8 вес. ч. карбида вольфрама и 2 вес. ч. связки из стали Гадфильда.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделие формуют при давлении 500-600 МПа.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что изделие спекают при температуре 1350-1400°С в течение 30-60 мин.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость скольжения и давление при высокоскоростной обработке трением повышают до упомянутых значений линейно.