СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
MANUFACTURING METHOD OF HIGH-TEMPERATURE ANTIFRICTION MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится области порошковой металлургии, а именно к технологии производства композиционных металлокерамических антифрикционных материалов для применения в высокотемпературных зонах промышленного оборудования, в частности, на АЭС.
В настоящее время при эксплуатации АЭС обозначилась острая потребность в высокотермостойких композиционных материалах, надежно функционирующих в условиях повышенных механических (фрикционных) и радиационных нагрузок.
3
2
5
4
2
4
2
2
Известен из предшествующего уровня техники способ получения композиционного антоифрикционного материала (патент РФ №2160856, МПК С10М 111/00, публ. 20.12.2000 г., БИ №24/12), в котором предварительно механоактивируют смесь размельченного вещества, представляющего собой композицию природных минералов, содержащую, мас.%: MgSiO(OH) - 10-60, MgFeO - 10-60, MoS - 1-20, сопутствующие редкоземельные элементы - 0,1-10, HO - не более 5; со связующим, что способствует повышению стабильности, прочности и долговечности готового материала.
Известен способ получения высокотемпературного антифрикционного материала (патент РФ №2220219, МПК C22C 19/03, публ. 27.12.2003 г.), включающий приготовление исходной смеси смешением порошков алюминия, никеля, фторида кальция со стеклом, обеспечивающий повышенные износостойкость и жаропрочность материала при темпераурах до 1100°C.
Известен в качестве прототипа способ получения металлокерамического термостойкого материала (патент РФ №02455376, МПК B22F 3/12, публ. 10.07.2012 г.), включающий подготовку порошкообразных компонентов исходной смеси (порошка стали, алюминия, порошка фторида кальция и углерода), измельчение полученной порошкообразной смеси, прессование формуемой порошкообразной смеси и термообработку ее при температуре 1250-1380°C.
К недостаткам аналога и прототипа относится отсутствие возможности использования их в условиях воздействия радиационного излучения и высоких температур (свыше 1500°C).
Задача предлагаемого изобретения заключается в разработке способа изготовления высокотемпературного композиционного 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, достигаемый при использовании предлагаемого изобретения, заключается в обеспечении возможности использования полученного с его помощью высокотемпературного антифрикционного материала в условиях воздействия радиационного излучения и высоких температур (свыше 1500°C) в труднодоступных для ремонта местах без замены и обслуживания за счет повышения его износостойкости, жаростойкости, твердости и низкой пластичности.
Указанные задача и новый технический результат обеспечиваются тем, что в известном способе изготовления высокотемпературного антифрикционного материала (ВАМ), включающем подготовку порошкообразных компонентов исходной смеси, смешение их и прессование формуемой порошкообразной смеси и термообработку ее, согласно изобретению сначала проводят измельчение путем механоактивации смеси порошков молибдена и кремния с последующим добавлением к полученной порошкообразной смеси порошка дисульфида молибдена и повторной механоактивацией ее в планетарной мельнице с частотой оборотов не менее 150 об/мин, а прессование формуемой порошкообразной смеси на основе дисилицида молибдена и дисульфида молибдена ведут в индукционно-вакуумной установке с верхним расположением пресса и в графитовых пресс-формах в качестве формообразующего инструмента, поэтапно с выдержкой на первом этапе при температуре 1300-1350°C в течение не менее 1 ч, а затем при 1600°C в течение не менее 1 ч на втором основном этапе с удельным давлением прессования не менее 25 МПа.
Предлагаемый способ поясняется следующим образом.
Условия эксплуатации разрабатываемого материала характеризуются наличием интенсивного нейтронного облучения, постоянного контакта с материалом оболочки поглощающего элемента (ПЭЛ) - молибденом (Мо), 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.
В качестве метода получения антифрикционного материала выбрали горячее прессование - одновременное воздействие высокой температуры и механического усилия, что позволяет получать достаточно плотные, прочные изделия с минимальными припусками под механическую обработку. Метод горячего прессования менее чувствителен к «совместимости» компонентов материала. Этот метод имеет и существенные недостатки: он малопроизводителен, довольно дорог, однако позволяет экономить дефицитные материалы, уменьшать отходы, снижать общую трудоемкость изготовления и при небольших сериях деталей может иметь преимущество.
2
2
2
2
-1
При проведении предварительных опытов приготовление порошковых смесей осуществляли в планетарной центробежной мельнице (ПЦМ) из порошков MoSi и MoS марки ДМ-1. Опытным путем были установлены следующие условия обработки: планетарная мельница «Pulverisette 6», скорость вращения барабана - 150 мин (соответствует центробежному ускорению 5 g), соотношение «шары:смесь»=1:1, барабан с футеровкой из «твердого сплава» ВК15, шары стальные (ШХ15), время обработки - 10 мин. По указанному технологическому режиму приготавливали смесь состава: 90% MoSi + 10% MoS.
2
Горячее прессование проводили на индукционно-вакуумной установке с верхним расположением пресса, в качестве формообразующего инструмента использовали графитовые пресс-формы. При этом использовали одновременное воздействие высокой температуры и механического усилия, что позволяет получать достаточно плотные, прочные изделия с минимальными припусками под механическую обработку. Горячее прессование вели с промежуточной выдержкой при температуре 1300°C, что ниже точки плавления чистого кремния (1415°C) для того, чтобы реакция между Si и Мо прошла полностью (порошок соединения MoSi был получен синтезом из элементов). Экспериментально были установлены основные технологические параметры процесса горячего прессования для изготовления образцов антифрикционного материала.
2
2
В процессе реакционного горячего прессования при взаимодействии компонентов смеси (Мо и Si) образуется керамическая матрица на основе соединения MoSi, в которой однородно распределены частицы «твердой смазки» MoS. В структуре материала формируется пористость (около 20%), функция которой состоит в удержании продуктов износа.
Все компоненты материала имеют высокую стойкость к нейтронному облучению, поэтому данный материал применим в атомной промышленности в условиях высоких уровней радиационного излучения для подвижных деталей, работающих без обслуживания в течение всего периода эксплуатации.
3
После горячего прессования были получены образцы с плотностью 4,71 г/см, расчетная относительная пористость около 20% (некоторая пористость - обычно от 5 до 35% для антифрикционных материалов необходима: в порах накапливаются продукты износа, что улучшает триботехнические характеристики материала).
2
2
На фиг.1 изображена микроструктура материала состава MoSi + 10% MoS, где:
а) при увеличении изображения ×500, в) при увеличении изображения ×1000.
На фиг.2 представлен вид готового сложнопрофильного антифрикционного вкладыша подшипника скольжения.
2
2
Изготовленный предлагаемым способом керамический антифрикционный материал состава MoSi10MoS является нетоксичным, пожаробезопасным, взрывобезопасным.
Исследования показали, что изготовленный предлагаемым способом материал имеет однородную двухфазную структуру с равномерно распределенной пористостью, что полностью отвечает требованиям к структуре антифрикционного материала.
Таким образом, при использовании предлагаемого способа изготовления высокотемпературного антифрикционного материала был достигнут новый технический результат, заключающийся в обеспечении возможности использования полученного с его помощью высокотемпературного антифрикционного материала 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 по сравнению с прототипом.
Возможность промышленного применения предлагаемого способа подтверждается следующими примерами.
2
2
2
2
-1
Пример 1. Предлагаемый способ получения высокотемпературного антифрикционного материала был опробован в лабораторных условиях. При проведении лабораторных опытов приготовление порошковых смесей для высокотемпературного антифрикционного материала осуществляли измельчением в планетарной центробежной мельнице (ПЦМ) смеси из порошков (на основе поликристаллического молибдена) дисилицида молибдена MoSi и дисульфида молибдена MoS марки ДМ-1. Опытным путем были установлены следующие условия обработки для измельчения порошков: планетарная мельница «Pulverisette 6», скорость вращения барабана - 150 мин, барабан с футеровкой из «твердого сплава» ВК15, шары стальные (ШХ15), время обработки - 10 мин. По данному примеру приготавливали смесь состава: 90% MoSi + 10% MoS.
2
Для изготовления заготовок применяется порошковая шихта, состоящая из 56,8% мас. порошка молибдена марки ПМ 99,95 по ТУ 14-22-160-2002, 33,2% мас. порошка кремния кристаллического марки Кр-1 (не хуже, допускается материал марок Кр-0, Кр-00) по ГОСТ 2169-69 и 10% масс. порошка дисульфида молибдена MoS марки (ДМ-1) по ТУ 48-19-133-90. Порошковая шихта получается в две стадии. Первая стадия - совместная механоактивация порошков молибдена и кремния в течение 10 минут. Вторая стадия - к полученной композиции добавляется порошок дисульфида молибдена и проводится повторная совместная механоактивация порошков в течение 10 минут. Для получения шихты используется планетарная центробежная мельница типа Pulverisette-6 с керамическими шарами.
Полученная шихта применяется для горячего прессования заготовок. Из горячепрессованных заготовок изготавливаются детали узлов трения. Материал электропроводный обрабатывается электроэрозионным методом или шлифованием.
2
Для изготовления опытных образцов высокотемпературного антифрикционного материала проводили прессование установке с верхним расположением пресса. Порошок соединения MoSi был получен прямым синтезом из отдельных исходных элементов.
3
После прессования были получены опытные образцы с плотностью 4,71 г/см, 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).
2
2
Пример 2. В условиях примера 1 в данном примере получен состав 95% MoSi + 5% MoS для получения высокотемпературного антифрикционного материала.
Экспериментально установлено, что использование в составе материала дисульфида молибдена приводит к проявлению антифрикционного эффекта в готовом материале, поскольку дисульфид молибдена функционирует в качестве «твердой смазки».
Свойства порошка дисульфида молибдена не позволяют приготавливать однородные смеси с ним перемешиванием в смесителях традиционной конструкции. Экспериментально установлено, что в условиях высокоинтенсивной механической обработки (механоактивация) в планетарной центробежной мельнице при скорости вращения барабана 150 об/мин образуется однородная порошковая шихта.
2
2
На фиг.1 а и б представлена микроструктура образцов, полученных предлагаемым способом при разной кратности увеличения, где видно, что частицы «твердой смазки» MoS (темная фаза) равномерно распределены в матрице из MoSi (светлая фаза). Поры мелкие, равномерно распределены в материале.
2
Хорошая электропроводность MoSi позволяет легко обрабатывать заготовки из антифрикционного материала способом электроэрозионной обработки (фиг.2).
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.