ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 2014 года по МПК C22C1/10 C22C29/00 

Изобретение относится к области производства антифрикционных материалов для применения в высокотемпературных зонах промышленного оборудования, в частности на АЭС.

Актуальность решаемой проблемы основана на специфических требованиях, предъявляемых условиями эксплуатации разрабатываемых антифрикционных материалов в активной зоне транспортного ядерного реактора при температуре до 1500°C без замены и обслуживания в течение всего срока службы установки при интенсивном нейтронном облучении, постоянном контакте с материалом оболочки поглощающего элемента (ПЭЛ), невозможность применения смазок, недоступность для обслуживания или замены вышедшего из строя узла.

Из предшествующего уровня техники известен антифрикционный материал (патент РФ №2132364, МПК С01М 125/02, публ. 27.06.1999 г.), содержащий дисульфид молибдена (5-10 мас.%.), эпоксидно-диановую смолу, кокс и графит.

Аналогом предлагаемого высокотемпературного антифрикционного материала является высокотемпературный антифрикционный материал (патент №2220219, МПК С22С 19/03, публ. 27.12.2003 г.), содержащий алюминий, никель, фторид кальция, который наносится в качестве покрытия на защищаемые детали.

Прототипом предлагаемого высокотемпературного антифрикционного материала является высокотемпературный антифрикционный материал (из патента №02461534, МПК С04В 41/80, публ. 20.09.2012 г.), содержащий жаропрочную керамическую матрицу, твердую смазку - нитрид бора, который наносится в качестве покрытия на защищаемые детали.

К недостаткам аналогов и прототипа относится отсутствие возможности использования его в условиях воздействия радиационного излучения и высоких температур (свыше 1500°C).

Задача авторов предлагаемого изобретения заключается в разработке высокотемпературного антифрикционного материала для использования его в труднодоступной для ремонта активной зоне газоохлаждаемого транспортного ядерного реактора при температуре эксплуатации до 1500°C без замены и обслуживания в течение всего срока службы установки.

Новый технический результат при использовании предполагаемого изобретения заключается в обеспечении возможности использования его в условиях воздействия радиационного излучения и высоких температур (свыше 1500°C) в труднодоступных для ремонта местах без замены и обслуживания за счет повышения износостойкости, жаростойкости, твердости и низкой пластичности.

Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном антифрикционном материале, включающем жаропрочную матрицу, твердую смазку, согласно изобретению в нем содержатся в качестве жаропрочной матрицы керамические соединения поликристаллического молибдена, в качестве твердой смазки - дисульфид молибдена, при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:

- дисульфид молибдена не более 10, - керамические соединения поликристаллического молибдена остальное

при этом пористость его характеризуется величиной в пределах 5-35%.

Предлагаемый высокотемпературный антифрикционный материал поясняется следующим образом.

Условия эксплуатации разрабатываемого материала характеризуются наличием интенсивного нейтронного облучения, постоянного контакта с материалом оболочки поглощающего элемента (ПЭЛ) - молибденом (Mo), невозможность применения смазок, недоступность для обслуживания или замены диктуют введение ограничений и специфических требований к нему.

Кроме того, при этом учитываются следующие факторы:

- из-за постоянного контакта с металлической оболочкой поглощающего стержня в условиях высокой температуры возможно взаимодействие оболочки и подшипника с разрушением оболочки и разгерметизацией ПЭЛа;

- постоянное интенсивное нейтронное облучение будет оказывать высокое повреждающее действие на кристаллическую решетку материала.

Следует учесть, что ядра некоторых изотопов могут поглощать нейтроны с прохождением в дальнейшем ядерных реакций, что приведет к выделению в материале значительного количества тепла, изменению его химического состава и дополнительным радиационным повреждениям в кристаллической структуре

Традиционно применяемые в качестве антифрикционных материалов тугоплавкие металлы с температурой плавления, значительно превышающей 1500°C, или сплавы на их основе (в скобках указаны температуры плавления): Hf (2150°C), Nb (2468°С), Ta (2996°C), Mo (2610°C), W (3380°С), Re (3180°C), Ru (2250°C), Os (3027°C), Ir (2410°С) наряду с высокой жаропрочностью обладают рядом существенных недостатков: при высоких температурах они обладают довольно высокой химической активностью. Кроме того, многие металлы имеют по несколько полиморфных модификаций; перестройка кристаллической решетки в ходе нагрева до рабочей температуры, как правило, приводит к резкой потере механической прочности и даже к разрушению материала (при значительной разности в плотностях низко- и высокотемпературных модификаций). Технически чистые металлы благодаря хорошей диффузионной подвижности атомов довольно быстро разупрочняются при нагреве.

Наличие постоянного контакта с молибденовой оболочкой, высокая температура подшипникового узла и длительное время нахождения ПЭЛа в состоянии «покоя» (большинство ПЭЛов используется для полной остановки реактора или в случае аварийной ситуации) может привести к диффузионной сварке между металлической матрицей подшипника и оболочкой.

Из тугоплавких металлов высокое сечение захвата нейтронов имеют (в скобках указано сечение поглощения тепловых нейтронов, ×10^-28 м²): Hf (105), Ta (21), Re (86), Ir (440) и бор. Кроме того, продуктами ядерных реакций с являются газы (гелий, тритий) или литий - крайне активный щелочной металл. По этой причине использование боридов, в том числе и нитрида бора BN, в составе разрабатываемого материала нецелесообразно.

Применение углерода в виде графита в качестве смазывающего компонента также сопряжено с рядом трудностей: все тугоплавкие металлы, в том числе и материал оболочки стержня - Mo, при высокой температуре будут активно взаимодействовать с углеродом с образованием карбидов (твердых материалов, обладающих абразивными свойствами), что приведет к снижению или полной потере антифрикционных качеств.

Тугоплавкие соединения металлов: оксиды, карбиды, бориды, силициды, обладая хорошей жаростойкостью и высокой (по отношению к собственной температуре плавления) жаропрочностью, как правило, имеют высокую твердость и низкую пластичность, что обуславливает трудности при механической обработке.

В связи с изложенными соображениями преимущество в данных условиях имеют керамические соединения в качестве основы высокотемпературного антифрикционного материала.

В качестве «твердых смазок», вводимых в антифрикционный материал в виде порошков на стадии приготовления порошковой смеси, традиционно используют порошки графита, дисульфида молибдена, нитрида бора, селенидов некоторых металлов. С учетом требований обеспечения максимальной рабочей температуры ≈1500°C остаются, фактически, три вещества: графит (C), дисульфид молибдена (MoS₂) и гексагональный нитрида бора (BN).

С учетом приведенных соображений и результатов экспериментов наиболее перспективным является материал на основе керамических соединений молибдена, оптимально - дисилицид молибдена MoSi₂ в сочетании с дисульфидом молибдена MoS₂ в качестве твердой смазки. Такой выбор компонентов позволяет свести к минимуму возможное взаимодействие между матрицей (MoSi₂), твердой смазкой (MoS₂) и материалом оболочки ПЭЛа (Mo). Соединение MoSi₂ является электропроводным, что положительно скажется на обрабатываемости полученного материала методом электроэрозионной обработки. Количество смазки - около 10 мас.%.

На фиг.1 приведено фото структуры полученного материала (MoSi₂+10% MoS₂), полученное при металлографическом исследовании на оптическом микроскопе Axiovert 200 mat. Шлифы приготавливали по общепринятой методике, исследование проводили без травления при увеличении изображения ×1000 раз.

Оптимальным смазывающим материалом является дисульфид молибдена (MoS₂). Он нетоксичен, имеет температуру плавления выше 1500°C и выпускается промышленностью. Порошок MoS₂ марки ДМ-1 по ТУ 48-19-133-90 имеет средний размер частиц 7 мкм, суммарное содержание примесей (Si, Fe, Al, Ca, MoO₃) менее 1 мас.% и хорошо отвечает требованиям к смазывающему компоненту антифрикционного материала.

Таким образом, предлагаемый высокотемпературный антифрикционный материал обеспечивает возможность использования его в условиях воздействия радиационного излучения и высоких температур (свыше 1500°C) в труднодоступных для ремонта местах без замены и обслуживания за счет повышения износостойкости, жаростойкости, твердости и низкой пластичности.

Возможность промышленного использования предлагаемого высокотемпературного антифрикционного материала подтверждается следующим примером.

Пример 1

Предлагаемый высокотемпературный антифрикционный материал был получен в лабораторных условиях.

При проведении лабораторных опытов приготовление порошковых смесей для высокотемпературного антифрикционного материала осуществляли измельчением в планетарной центробежной мельнице (ПЦМ) из порошков (на основе монокристаллического молибдена) дисилицида молибдена MoSi₂ и дисульфида молибдена MoS₂ марки ДМ-1. Опытным путем были установлены следующие условия обработки для измельчения порошков: планетарная мельница «Pulverisette 6», скорость вращения барабана - 150 мин^-1, барабан с футеровкой из «твердого сплава» ВК15, шары стальные (ШХ15), время обработки - 10 мин. По данному примеру приготавливали смесь состава: 90% MoSi₂+10% MoS₂. В примере 2 в тех же условиях получен состав 95% MoSi₂+5% MoS_2.

Для изготовления опытных образцов высокотемпературного антифрикционного материала проводили прессование установке с верхним расположением пресса. Порошок соединения MoSi₂ был получен прямым синтезом из отдельных исходных элементов.

После прессования были получены опытные образцы с плотностью 4,71 г/см³, расчетная относительная пористость около 20% (пористость - от 5 до 35% для высокотемпературных антифрикционных материалов необходима: в порах накапливаются продукты износа, что улучшает триботехнические характеристики материала).

Пример 2

В условиях примера 1 получен состав 95% MoSi₂+5% MoS₂ для получения высокотемпературного антифрикционного материала.

Как показали примеры, предлагаемый высокотемпературный антифрикционный материал обеспечивает возможность использования его в условиях воздействия радиационного излучения и высоких температур (свыше 1500°C) в труднодоступных для ремонта местах без замены и обслуживания за счет повышения износостойкости, жаростойкости, твердости и низкой пластичности.

Таблица 1 Пример реализации Основные ингредиенты, их соотношение мас.%. Износостойкость, жаропрочность, Твердость, пластичность Пористость, %
Плотность г/см³ Прототип Керамическая матрица, нитрид бора 1000°C Нет данных Нет данных Предлагаемый материал Пример 1 MoSi₂ 90 1500°C   5-35 MoS₂ 10 4,71 Пример 2 MoSi₂ 95 1500°C   5-35 MoS₂ 5 4,50

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к высокотемпературным антифрикционным материалам. Может использоваться в высокотемпературных зонах промышленного оборудования, в частности на АЭС. Антифрикционный материал содержит, мас.%: дисульфид молибдена не более 10, керамические соединения монокристаллического молибдена - остальное. Пористость его составляет 5-35%. Обеспечивается возможность использования в условиях воздействия радиационного излучения и высоких температур в труднодоступных для ремонта местах без замены и обслуживания за счет повышения износостойкости, жаростойкости, твердости и низкой пластичности. 1 ил., 1 табл., 2 пр.

Высокотемпературный антифрикционный материал, включающий порошкообразные жаропрочную матрицу и твердую смазку, отличающийся тем, что в качестве жаропрочной матрицы он содержит керамические соединения монокристаллического молибдена, а в качестве твердой смазки - дисульфид молибдена, при следующем соотношении компонентов, мас.%:
дисульфид молибдена не более 10
керамические соединения
монокристаллического молибдена остальное
при этом пористость материала характеризуется величиной в пределах 5-35%.