ПОРОШКОВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2011 года по МПК C22C1/05 C22C9/02 C22C9/08 

Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при получении деталей узлов трения из порошкового композиционного материала на основе медной матрицы, работающих при температуре до 350°C.

Известен высокоизносостойкий композиционный материал с пониженным трением на основе меди, содержащий в масс %: многостенные углеродные нанотрубки - 0,2-4,5, TiB₂ 0.1-1.3 и 0,35-12,0 Sn (патент КНР №1425784).

Материал имеет хорошую износостойкость, низкий коэффициент трения, относительно высокую прочность на сжатие и на растяжение, умеренную твердость, однако недостатком данного композиционного материала является окомкование нанотрубок, что делает непригодным использование его при повышенных нагрузках.

Известен спеченный антифрикционный материал на основе алюминиевой бронзы, содержащий в вес.%: Al 8.0-8.5, FeAl₃ 5.0-6.5, Cu - остальное (патент РФ №2155241).

Материал имеет хорошие триботехнические характеристики, но обладает невысокой износостойкостью.

Известен порошковый композиционный материал, содержащий алюминиевую матрицу, в которой распределены армирующие квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe. Армирующие частицы имеют размер 20-30 мкм (патент США №5851317).

Недостатком этого композиционного материала является невысокая степень термохимической стабильности и высокий коэффициент трения.

Наиболее близким к заявляемому является порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, упрочнитель в виде порошка железа с размером частиц 60-200 мкм и графит при следующем соотношении компонентов (масс.%): олово 2-5, графит 0-2, железо 30-60, медь - остальное.

Недостатком данного материала является грубая структура, благоприятная для пористых самосмазываемых подшипников, однако ухудшающая несущие свойства материала при работе с внешней смазкой. Наличие железа в качестве упрочнителя 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 изобретения является получение порошкового композиционного материала с низким коэффициентом трения в сочетании с высокой износостойкостью и прочностью при растяжении, работоспособного при температуре до 350°C.

Для решения поставленной задачи предложен порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, и упрочнитель, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит свинец, а в качестве упрочнителя используют квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, допированные B, и Al₂O₃ при следующих соотношениях компонентов (масс.%):

квазикристаллы 5,0-6,0 Al₂O₃ 1,0-1,5 матрица ост.

Матрица имеет следующий химический состав (мас.%):

олово 0,9-1,2 свинец 18,0-22,0 медь ост.

Размер частиц квазикристаллов и Al₂O₃ не превышает 5 мкм.

Использование в качестве матрицы медного сплава, содержащего олово и свинец в указанных количествах, а также добавление в упрочнитель Al₂O₃ позволяет узлам нагрузки выдерживать без заедания высокие удельные давления и скорости скольжения, работать в маловязких средах и при повышенных температурах (200-350°C). Олово и свинец по границам зерен образуют хорошо развитую, однородную по структуре эвтектику с благоприятной формой выделяющихся фаз. Квазикристаллы, дисперсностью менее 5 мкм, обладающие высокой твердостью и низким коэффициентом трения, дают значительное упрочение матрицы и снижают коэффициент трения. Допирование квазикристаллов бором позволяет поднять механические свойства квазикристалла, например модуль упругости увеличивается с 8,7 до 14,5, и дополнительно снизить коэффициент трения. Снижение размеров частиц упрочнителя улучшает трибологические характеристики. Введение Al₂O₃ придает композиционному материалу дополнительное упрочнение.

Пример осуществления:

Порошок матрицы (93,5%) состава: 18.0% свинца, 1.2% олова и остальное - медь, смешали с порошком квазикристалла, допированного бором, (5%), и порошком Al₂O₃ (1,5%), далее проводили механическое легирование смеси не менее 25 ч, горячее брикетирование при 150°C и давлении 500 МПа и экструзию при 150°C. Примеры 2, 3 аналогичны примеру 1.

Порошковый композиционный материал испытывали в условиях торцового трения при P_уд - 15 МПа, V_вращ - 0.31 м/с без смазки. Механические испытания проводились на установке «INSTRON-1195».

В таблице представлены составы порошкового композиционного материала, прототипа и их свойства.

Как видно из таблицы, предлагаемый порошковый композиционный материал имеет лучшие показатели, чем у прототипа по износу, коэффициенту трения, прочности на растяжение.

Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в узлах трения обеспечит их работоспособность в воздушной среде при температуре до 350°C, хорошими триботехническими характеристиками, и высокими механическими свойствами. Применение предлагаемого материала способно повысить надежность и ресурс деталей узлов трения.

Таблица № Состав упрочнителя мас.% матрица Состав матрицы, вес.% Износ мкм/ч при P_уд=15 МПа V=0.31 м/с Коэффициент трения Прочность на растяжение
σ_в кг/мм Квазикристаллы Al₂O₃ Fe гра-
фит Cu Pb Sn 1 5 1,5 - - 93,5 ост. 18,0 1,2 0,30 0,18 18 2 5,5 1,2 - - 93,3 ост. 20,0 1,0 0,2 0,15 20 3 6 1,0 - - 93,0 ост. 22,0 0,9 0,18 0,11 21 4 (по прототипу) - - 50 1 - 44 - 5 0.37 0,25 12

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым композиционным материалам на основе меди. Может быть использовано при получении деталей узлов трения, работающих при температуре до 350°С. Порошковый композиционный материал содержит матрицу на основе медного сплава и упрочнитель, содержащий квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, допированные В, и Al₂O₃, при следующих соотношениях компонентов, мас.%: квазикристаллы 5,0-6,0; Al₂O₃ 1,0-1,5; матрица - остальное. Матрица может содержать, мас.%: олово 0,9-1,2; свинец 18,0-22,0; медь - остальное. Материал имеет высокую износостойкость, низкий коэффициент трения, высокую прочность на растяжение, а также обеспечивает работоспособность деталей трения в воздушной среде при температуре до 350°С. 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, и упрочнитель, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит свинец, а в качестве упрочнителя используют квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, допированные В, и Al₂O₃ при следующих соотношениях компонентов, мас.%:
квазикристаллы 5,0-6,0 Al₂O₃ 1,0-1,5 матрица остальное

2. Порошковый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что матрица имеет следующий химический состав, мас.%:
олово 0,9-1,2 свинец 18,0-22,0 медь остальное

3. Порошковый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что частицы квазикристаллов и Al₂O₃ имеют размер не более 5 мкм.