АНТИФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
ANTIFRICTION MATERIAL

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано для изготовления износостойких устройств и элементов машиностроительного назначения, в частности подшипников скольжения, работающих в условиях граничного и сухого трения.
Известен порошковый антифрикционный материал, состоящий из следующих компонентов, мас.%: медь - 80, графит - 15 и железо - 5 (Патент ФРГ №2027902, 1972). Материал обладает хорошими антифрикционными свойствами в присутствии жидкой смазки между деталью, изготовленной из вышеуказанного материала и сопрягаемой деталью, изготовляемой обычно из стали.
Преобладающее содержание меди определяет высокую стоимость материала. Кроме того, данный материал содержит 15% графита, что уменьшает его механические свойства и поэтому область его применения ограничена.
Известны материалы антифрикционные на основе железа (ГОСТ 26802-86). Материалы обладают хорошими антифрикционными свойствами в условиях обильной смазки. В условиях самосмазывания ресурс снижается на треть, материалы подвержены в значительной степени коррозии.
Известен антифрикционный материал, состоящий из следующих компонентов, мас.%: железо 30-60, олово 2-5, графит 0-2, медь - остальное.
Материал имеет хорошие антифрикционные свойства в условиях подпитки узла трения смазкой. В условиях самосмазывания ресурс подшипникового узла снижается на 30-40% (патент РФ №2163270).
Наиболее близким по достигаемому техническому результату является антифрикционный материал по патенту РФ №2040574.
Упомянутый спеченный антифрикционный материал на основе железа содержит при следующем соотношении компонентов, мас.%: графит 0,1-0,2; латунь 4-5; фтористый кальций 0,5-0,8; фосфор 0,2-0,6; хром 0,1-0,4 и остальное - железо. Изделия из данного материала показали хорошие эксплуатационные свойства, однако недостаточно износостойкие.
Решаемая техническая задача заключается в создании антифрикционного материала на основе железа, применение которого для изготовления деталей машин обеспечит им повышенный срок эксплуатации.
Техническим результатом при использовании изобретения является получение высокотемпературных дисперсно-уплотненных порошковых материалов на основе железа с повышенной твердостью и коррозийной стойкостью.
Указанный технический результат достигается тем, что антифрикционный материал на основе железа, содержащий графит, фтористый кальций, фосфор, дополнительно содержит сернистый марганец, цинк и медь при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Графит
0,5-3,0
Медь
10,0-30,0
Сернистый марганец
0,1-1,0
Фосфор
0,05-1,0
Цинк
0,05-1,0
Железо
остальное
Необходимо отметить, что пределы компонентов заявляемого материала были выбраны экспериментально и являются оптимальными.
Что касается физико-химических свойств используемых компонентов, то использование железа в качестве основы порошкового материала обусловлено относительно высокой температурой плавления, прочностью, твердостью и пластичностью, необходимых для получения требуемых свойств материала, использование меди в качестве составляющей материала определяется высокой теплопроводностью, обеспечивающей высокий отвод тепла из зоны трения, использование графита в указанных пределах способствует стабилизации коэффициента трения за счет разделительной пленки, образующейся на поверхности контактирующей пары.
Использование сернистого марганца направлено на обеспечение повышенной твердости спеченного материала. Введение фтористого кальция в композицию приводит к образованию тонкой кальций-фторидной пленки, которая активизирует процесс консолидации порошков, особенно при высоких температурах, что повышает антифрикционные, противозадирочные свойства.
Фосфор и цинк занимают третье место по удерживающей способности синтетических и органических смазок после таких дорогостоящих металлов, как олово и никель. Пропитанный смазкой антифрикционный материал, содержащий фосфор и цинк, обладает повышенной способностью удерживать смазку, поэтому ресурс работы изделия, изготовленного из такого материала в режиме самосмазывания повышается в 2-3 раза при одинаковых условиях работы. Кроме того, фосфат цинковая пленка менее активно взаимодействует с кислородом, чем железо, поэтому она защищает основу подшипника от воздействия окружающей среды, повышая тем самым коррозийную стойкость материала на 30-40%. Теплопроводность фосфат цинка в 1,3 раза выше, чем у железа, поэтому вторичный слой, содержащий фосфат цинка, обладает повышенной теплопроводностью и обеспечивает отвод тепла от изделия, изготовленного из предлагаемого материала, на 30% эффективнее при тяжелых условиях работы.
Вместе со смазкой, поступающей из пор материала, в зону трения попадают атомы аморфного цинка и фосфора, образуя антифрикционную пленку вторичного слоя, надежно удерживающую смазку в зоне трения. Фосфор и цинк в состав материала вводят известными путями.
Возможность осуществления изобретения может быть показана на примере получения материала ПА-ЖГр3Д3ОКфМсФЦ с конкретным содержанием компонентов в заявленных пределах и изготовления из него элемента машиностроительного назначения, например подшипника скольжения.
Антифрикционный материал, состоящий из следующих компонентов, мас.%:
Графит
2,0
Медь
20,0
Сернистый марганец
0,4
Фосфор
0,1
Фтористый кальций
0,5
Цинк
0,06
Железо
остальное,
3
изготавливают следующим образом: исходные компоненты смешивают, полученную шихту прессуют в металлической пресс-форме с плотностью 5,8-6,1 г/см и пористостью около 20%.
Затем спекают в защитной атмосфере при температуре 980-1030°С в течение 30 мин, калибруют в металлической пресс-форме при давлении 300-400 МПа, затем пропитывают смазкой и применяют по назначению.
Проведены испытания подшипников скольжения цилиндрической формы, изготовленных из серийного материала ПА-ЖГрД5, изготовленных из предложенного материала и серийного бронзового дорогостоящего подшипника ПА-БрОГр4. Испытания проводились в режиме самосмазывания, контртело-вал из закаленной стали с отполированной поверхностью, давление 2 МПа, скорость скольжения 3 м/с.
Расход смазки проверялся взвешиванием. Износ определяли изменением размера внутреннего отверстия методом предустановленных баз, когда на испытываемую поверхность предварительно вдавливали трапецеидальные углубления, у которых измеряли катет до испытания и после. Испытания проводили до превышения силы тока в электроприводе, допустимой испытаниями величины. Наработку определяли в часах. Результаты приведены в таблице.
Марка материала
Наработка в ч.
Расход смазки в мг
Износ (мкм)
ПА-ЖГрД5
4932
311
12
ПА-ЖГр3Д30КфМсФЦ
8136
98
5
ПА-БрОГр4
6874
198
8
Из таблицы видно, что у изделия из предложенного материала расход смазки и износ меньше, а ресурс наработки больше, чем у изделия из серийного материала. Кроме того, показатели изделия из предложенного антифрикционного материала превышают показатели изделия из серийного бронзового материала, что дает основание использовать его в режиме самосмазывания вместо дорогостоящего изделия из бронзового материала.