Твердый сплав для высоконагруженных узлов трения Российский патент 2023 года по МПК C22C29/04 

[01] Область техники

[02] Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к износостойкому твердому сплаву, предназначенному для работы в сложных условиях динамического нагружения, высоких контактных давлений и скоростей.

[03] Уровень техники

[04] Известны износостойкие металлические материалы, получаемые методом порошковой металлургии и широко применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, сплавы типа ПК 70, ПХР, ПК40Х132). Однако известные сплавы не обеспечивают требуемого уровня основных физико-механических характеристик и эксплуатационных свойств в условиях длительного воздействия повышенных контактных давлений, температур и скоростей, что существенно снижает наработку на отказ высоконагруженных узлов трения и пар трения в подшипниках скольжения, используемых в судовом, транспортном и энергетическом машиностроении.

[05] Известен износостойкий и коррозионностойкий сплав на основе карбонитрида хрома, описанный в патенте РФ RU 2015189, 30.06.1994. Сплав содержит никель в количестве 15-20 мас. % и карбонитрид хрома - остальное. Однако указанный сплав не предназначен для использования в высоконагруженных узлах трения.

[06] В патенте США US 4948425, 06.04.1989 описан сплав на основе карбонитрида титана и карбида хрома, содержащий также по меньшей мере один из элементов группы: титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, марганей, железо, кобальт, никель и кремний. Данный сплав характеризуется наличием составе титана, что неприемлемо в случае применения в водородной энергетике. Титан образует с водородом металлогидраты, изменяющие свойства сплавов в худшую сторону (набухание, потеря прочностных свойств, образование губчатого материала) Это сплав имеет также набор свойств, ухудшающихся с увеличением рабочей температуры в условиях длительного динамического нагружения и воздействия высоких контактных давлений и температур.

[07] Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является сплав для высоконагруженных узлов трения на основе карбонитрида титана TiCN, описанный в патенте РФ RU 2509170, 10.03.2014). Сплав также содержит в своем составе никель, молибден, вольфрам, хром, железо, углерод и серу.

[08] Однако данный состав также не обладает упомянутым комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств.

[09] Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является невозможность реализации в сплаве комплекса свойств, обеспечивающих высокий уровень износостойкости и наработки на отказ (надежности), особенно в случае применения его в водородной энергетике и в конструкциях, адаптированных к водороду.

[010] Раскрытие сущности изобретения

[011] Технический результат изобретения заключается в повышении износостойкости сплава, выражающейся в увеличении прочности на изгиб, твердости и снижении коэффициента трения.

[012] Указанная задача решается, а технический результат достигается в заявленном изобретении за счет того, что твердый сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: никель - 7,0-20, медь - 0,4-0,6, марганец 0,9-1,1, карбонитрид хрома остальное.

[013] Согласно частному варианту реализации изобретения размер карбонитридной фазы составляет 1-2 мкм.

[014] Карбонитрид хрома обеспечивает высокий уровень микротвердости сплава и стойкости против износа. Карбонитрид хрома обеспечивает также низкое значение коэффициента трения в паре карбонитрид хрома по карбонитриду хрома и, соответственно, минимальный нагрев пар трения-скольжения в процессе эксплуатации

[015] Никель, медь и марганец являются матрицей для твердой фазы карбонитрида хрома. Медь обеспечивает смачиваемость металлов матрицы и карбонитрида хрома. Соотношение компонентов обеспечивает формирование оптимальной структуры сплава, обеспечивающей достаточно высокую прочность и наработку на отказ.

[016] В целом приведенный состав сплава обеспечивает низкое значение коэффициента трения в паре и длительную работу в условиях применения водорода в качестве топлива.

[017] Осуществление изобретения

[018] Заявленный износостойкий сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: никель - 7,0-20, медь - 0,4-0,6, марганец 0,9-1,1, карбонитрид хрома остальное. В качестве карбонитрида хрома используется соединение формулы Cr₃CN. Соотношение марганца к меди (Mn/Cu) не должно превышать 3.

[019] Сплав обладает мелкозернистой структурой (размеры карбонитридной фазы от 0,5 до 1,5 мкм) с равномерно распределенной металлической фазой и характеризуется низкой пористостью (0,1-0,2 об. %) и высокими значениями твердости и прочности при изгибе.

[020] Сплав может быть получен следующим способом.

Компоненты в виде порошков в заданном соотношении помещаются в атритер для интенсивного размола и получения однородной массы. Среда размола этанол. Затем смесь сушат в специальном шкафу с удалением продуктов испарения, гранулируют до размера гранул 100-250 мкм, проводят контроль влажности, прессование заготовок и спекание отпрессованных заготовок в вакуумной термодинамической установке при максимальной температуре 1450°С и выдержкой в течении 1 часа.

[021] В таблице 1 приведены примеры состава сплава по заявленному изобретению и ближайшему аналогу (прототипу)

[022]

[023] В таблице 2 показаны результаты испытаний заявленного сплава и прототипа. Результаты механических испытаний усреднены по пяти образцам. Механические свойства исследованных сплавов, включая предел прочности при изгибе и твердости по шкале Роквелла (Ra) определялись в соответствии с требованиями ГОСТ 29919-74 и ГОСТ 20017-74. Определение износостойкости образцов проводилось на лабораторной установке. Оценка износостойкости исследуемых сплавов проводилась в относительных единицах по отношению к прототипу.

[024]

Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к твердому износостойкому сплаву, предназначенному для работы в сложных условиях динамического нагружения, высоких контактных давлений и скоростей. Сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: никель - 7,0-20, медь - 0,4-0,6, марганец - 0,9-1,1, карбонитрид хрома - остальное. Размер карбонитридной фазы составляет 1-2 мкм. Обеспечивается повышение износостойкости сплава, выражающейся в увеличении прочности на изгиб, твердости и снижении коэффициента трения. 1 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Твердый сплав на основе карбонитрида хрома для высоконагруженных узлов трения, содержащий никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь и марганец при следующем соотношении компонентов, мас. %:

никель 7,0-20 медь 0,4-0,6 марганец 0,9-1,1 карбонитрид хрома остальное

2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что размер карбонитридной фазы составляет 1-2 мкм.