Износостойкий сплав для высоконагруженных узлов трения
WEAR-RESISTANT ALLOY FOR HIGH-LOAD FRICTION UNITS

Изобретение относится к области порошковой металлургии и предназначено для производства износостойких сплавов на основе карбонитридов титана, работающих в сложных условиях динамического нагружения, высоких контактных давлений и скоростей.
Известны различные износостойкие металлические материалы, получаемые методом порошковой металлургии и широко применяемые в различных отраслях промышленности и народного хозяйства. Например, по ГОСТ 28378 известны сплавы типа ПК70ХЗ, ПК40Х13М2), а также аналоги типа сплава ВКЗ. Сплав ПК40Х13М2 имеет твердость HV=2800 МПа, при временном сопротивлении 550 МПа, а сплав ПК70Х3-1400 МПа и 450 МПа соответственно. Основным недостатком этих сплавов, а также других известных сплавов типа ВК3 является низкая работоспособность и эксплуатационная надежность в условиях длительного воздействия повышенных контактных давлений, температур и скоростей характерных для высоконагруженных подшипниковых конструкций и узлов трения, особенно в узлах сухого и граничного трения, используемых в изделий судового, транспортного и энергетического машиностроения.
Наиболее близким прототипом по технической сущности и содержанию и функциональному назначению ингредиентов к заявляемому является твердый сплав (прототип), содержащий: никель, вольфрам, молибден, хром, железо, углерод и серу. При следующем соотношении компонентов в мас.%:
никель
4,0-5,5
вольфрам
47,0-49,5
молибден
3,0-4,0
хром
8,5-9,0
железо
8,0-10,0
углерод
2,3-2,4
сера
0,4-0,5
карбонитрид титана (TiC<sub>0,5</sub>N<sub>0,5</sub>)
остальное
(патент на изобретение РФ №2509170, МПК 22С/29/04, опублик. 10.03.2012 г.).
Технико-экономический эффект от применения данного твердого сплава выражается в повышении работоспособности, эксплуатационной надежности, а также ресурсных характеристик создаваемых подшипниковых узлов пограничного и сухого трения в разрабатываемых образцах корабельной, транспортной, энергетической и космической техники нового поколения.
Вместе с тем, недостатком известного сплава является достаточно низкое содержание карбонитрида титана, который во многом определяет уровень служебных свойств и антифрикционных характеристик. В частности, снижается наиболее важная из них - износостойкость в условиях длительного динамического нагружения и воздействия высоких температур контактных давлений, и скоростей трения.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является создание износостойкого сплава, обладающего улучшенным комплексом основных служебных антифрикционных характеристик, включая коэффициент трения и износостойкость, обеспечивающих более высокий уровень эксплуатационной надежности.
2
Технический результат в заявляемом изобретении достигается за счет того, что в базовый состав матрицы, имеющей те же компоненты и то же содержание в мас.%, что и в известном сплаве (прототипе), дополнительно легирован диборидом титана (TiB) в количестве 0,68-1,54 мас.%.
0,5
0,5
Содержание карбонитрида титана TiCN в заявляемом сплаве повышено до (73,2-75,2) мас.% от (19,1-26,8) мас.%, имевшихся в прототипе. При этом массовая доля матрицы в сплаве соответственно снижается от 73,2-80,6 до 24,8-26,8 мас.%. Общее содержание матрицы и карбонитрида титана в сплаве должно составлять 100%. При этом содержание компонентов в заявляемом в сплаве составляет:
никель
1,32-1,5
вольфрам
15,4-16,0
молибден
1,02-1,1
хром
2,73-2,9
железо
2,70-2,83
углерод
0,72-0,78
сера
0,14-0,15
диборид титана
0,68-1,54
карбонитрид титана (TiC<sub>0,5</sub>N<sub>0,5</sub>)
73,2-75,2
0,5
0,5
Введение в заявляемый сплав карбонитрида титана состава TiCN в количестве 73,2-75,2% улучшает комплекс свойств, определяющих износостойкость сплава в сложных условиях воздействия повышенных температур, давлений и скоростей трения. Наличие расплавляющейся при спекании связующей матрицы эвтектического состава в сплаве с температурой плавления 1085°С способствует созданию благоприятных условий для повышения технологичности на стадии металлургического производства, когда при спекании в жидкой матрице, существенно повышается компактность и практически полностью исключается пористость заявляемого сплава. Соотношение указанных составляющих заявляемого сплава (матрицы и карбонитрида титана) выбрано таким образом, чтобы сплав обеспечивал формирование наиболее оптимального структурно-фазового состояния, требуемый уровень механических свойств износостойкости и коэффициентов трения, определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность, а также ресурсные характеристики создаваемых подшипниковых конструкций и высоконагруженных узлов трения.
2
0,5
0,5
0,5
0,5
Введение в состав и структуру матрицы диборида титана (TiB), получаемого методом порошковой металлургии, имеющего высокую твердость, в количестве 0,68 до 1,58 мас.%, является важным фактором обеспечения длительной эксплуатации высоконагруженных узлов трения и дополнительным упрочняющим компонентом матрицы, повышающим антифрикционные свойства и износостойкость сплава. В условиях длительного воздействия высоких контактных рабочих давлений это позволяет обеспечить расчетные ресурсные характеристики создаваемых подшипниковых узлов трения. Заготовку - полуфабрикат заявляемого состава получали путем совместного помола предварительно синтезированной основы эвтектического состава из указанных компонентов и базовой основы карбонитрида титана (TiCN). Соотношение основы эвтектического состава составляет от 24,8-26,8 мас.%, к соответствующему содержанию карбонитрида титана (TiCN) в количестве 73,2-75,2 мас.%. Помол проведен в среде этанола в лабораторной шаровой мельнице. Из полученной высушенной и пластифицированной массы, методом прессования, на промышленном прессовом оборудовании, изготовлены заготовки требуемой формы и размеров с последующим спеканием в вакуумной печи при температуре от 1320 до 1350°С. Химический состав опытных образцов представлен в табл. 1.
Результаты определения основных служебных свойств и характеристик представлены в табл. 2
Представленные результаты показывают, что коэффициенты трения у заявляемого состава ниже, а износостойкость значительно выше, чем у известного сплава (прототипа), что свидетельствует о существенном росте его антифрикционных свойства.
Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанного износостойкого сплава в машиностроительных отраслях промышленности и народного хозяйства выразится в повышении работоспособности, эксплуатационной надежности, а также ресурсных характеристик создаваемых подшипниковых конструкций и узлов пограничного и сухого трения в разрабатываемых образцах корабельной, транспортной, энергетической и космической техники нового поколения.