ПОРОШКОВЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ СПЛАВ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА
POWDER FRICTION ALLOY ON BASIS OF IRON

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к порошковым фрикционным сплавам на основе железа для работы в условиях ударного трения, и может быть использовано во фрикционных узлах поглощающих аппаратов автосцепки железнодорожных транспортных средств.
Известен металлокерамический фрикционный сплав на основе железа [1], содержащий, мас.%:
олово
4-6
графит
8-9
дисульфид молибдена
1,5-3
диоксид кремния
2-4
железо
остальное.
Недостатками данного фрикционного сплава являются низкая износостойкость и низкая общая прочность при работе в условиях ударного трения.
Наиболее близким к предлагаемому сплаву является порошковый фрикционный сплав на основе железа [2], содержащий, мас.%:
олово
4-6
графит
3,5-4,5
дисульфид молибдена
1,5-3
свинец
1,5-2,5
диоксид кремния
2-4
железо
остальное.
Недостатками данного материала являются недостаточная износостойкость и низкая стабильность коэффициента трения при работе в условиях ударного трения.
Изобретение направлено на решение задачи повышения долговечности и надежности работы фрикционных узлов, работающих в режиме ударного трения, путем увеличения износостойкости фрикционного сплава при заданной величине стабильности коэффициента трения.
Поставленная задача достигается за счет того, что порошковый фрикционный сплав на основе железа, содержащий олово, графит, дисульфид молибдена, свинец, диоксид кремния, содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
олово
4,5-6,5
графит
3,5-4,5
дисульфид молибдена
1,5-3
свинец
4-6
диоксид кремния
1,5-2,5
железо
остальное.
Для изготовления порошкового фрикционного сплава используются порошковые материалы. В режиме ударного трения, характеризуемого малой длительностью процесса (0,03…0,15 с) и высоким давлением (до 100 МПа) при температурах вспышки на поверхности трения до 870 К, компоненты выполняют следующие функции.
Железо - порошок серебристого цвета с температурой плавления около 1600 К классов М, ВМ, марок ПЖВ2, ПЖ3, ПЖ4 по ГОСТ 9849-86, просеянный через сетку 0125 (ГОСТ 6613-53). Железо является основным связующим компонентом и обеспечивает общую прочность фрикционного сплава.
Олово - порошок серого цвета с температурой плавления 505 К марок ПОЭ, ПО1, ПО2 по ГОСТ 9723-73. Благодаря низкой температуре плавления олово образует в процессе ударного трения фрикционный рабочий слой, обеспечивающий положительный градиент механических свойств по глубине и предохраняющий поверхности трения от интенсивного изнашивания. Содержание олова менее 4,5 мас.% приводит к снижению износостойкости. Введение в состав сплава более 6,5 мас.% олова снижает показатель стабильности коэффициента трения.
Дисульфид молибдена - порошок серого цвета с температурой плавления 1458 К марок ДМИ-7, ДМС-140, соответствующих ТУ-48-19-135-85. Дисульфид молибдена служит в процессе трения твердой смазкой, препятствующей молекулярному схватыванию поверхностей, и способствует повышению общей прочности сплава. Содержание в сплаве дисульфида молибдена менее 1,5 мас.% резко уменьшает износостойкость, повышение содержания более 3 мас.% не приводит к существенным изменениям характеристик порошкового сплава в процессе ударного трения.
Диоксид кремния используется в виде песка формовочного кварцевого марок 1K, 2К, 3К с содержанием кремнезема не менее 97% по ГОСТ 2138-91 с температурой плавления около 1980 К, прошедшего сетку 016 и оставшегося на сетке 0063. Диоксид кремния увеличивает коэффициент трения. При введение в сплав менее 1,5 мас.% диоксида кремния коэффициент трения значительно снижается. Введение в сплав более 2,5 мас.% диоксида кремния приводит к значительному снижению износостойкости.
Графит кристаллический - порошок черного цвета марок ГСМ-1, ГСМ-2 по ГОСТ 17022-81 с температурой возгонки около 4070 К, прошедший через сетку 02 и оставшийся на сетке 01. Графит имеет сложную структуру и в процессе ударного трения служит твердой смазкой, препятствуя молекулярному схватыванию трущихся поверхностей. Содержание в составе металлокерамического материала графита менее 3,5 мас.% приводит при некотором увеличении износостойкости к значительному снижению стабильности коэффициента трения. При увеличении количества графита более 4,5 мас.% с ростом стабильности значительно снижается износостойкость.
Свинец - порошок темно-серого цвета с температурой плавления 600 К марок ПС1, ПС2 по ГОСТ 16138-78. Введение в состав порошкового фрикционного сплава свинца увеличивает общую прочность сплава и повышает его износостойкость. Введение в состав сплава менее 4 мас.% свинца приводит к снижению износостойкости; повышение в составе сплава свинца более 6 мас.% снижает стабильность коэффициента трения.
Указанные свойства компонентов, вводимых в предлагаемый состав в предлагаемом соотношении, обеспечивают повышение износостойкости и стабильности коэффициента трения при работе в условиях ударного трения.
Пример. Для экспериментальной проверки свойств предлагаемого металлокерамического фрикционного сплава подготовили восемь смесей ингредиентов (см. таблицу).
Сплав готовят перемешиванием исходных порошков, прессованием полученной шихты в стальных пресс-формах при удельном давлении 650 МПа и спеканием в атмосфере водорода при температуре 1303-1323 К под давлением 1,5 МПа в течение 2,5-3 ч. Охлаждение спеченного сплава после выдержки осуществляют в среде водорода до температуры 373 К под давлением 1,5 МПа.
Исследования фрикционных характеристик сплава в условиях ударного трения проводилось на специальной лабораторной установке (см. Никольский Л.Н., Кеглин Б.Г. Амортизаторы удара подвижного состава. - М.: Машиностроение, 1986, с.105-107) при начальной скорости трения 3 м/с и давлении 30 МПа. По результатам испытаний определялись: интенсивность износа - отношение весового износа к вызвавшей его энергии ударов; средний коэффициент трения в паре со сталью; стабильность коэффициента трения - отношение среднего коэффициента трения к максимальному за удар.
В таблице представлены полученные результаты для предлагаемого сплава (п.2); сплавов, состав ингредиентов которых выходит за предлагаемые пределы (п.1, п.3-6); данные по аналогу (п.7) и прототипу (п.8).
Результаты испытаний свидетельствуют о том, что при введении в сплав свинца (п.1, п.3), диоксида кремния (п.4, п.5) и дисульфида молибдена (п.6) в количествах, выходящих за рамки предлагаемых пределов, существенно снижается износостойкость сплава; коэффициент трения и его стабильность меняется в меньшей степени.
Предлагаемый порошковый фрикционный сплав по сравнению с известным (п.8) позволяет в 1,7 раза снизить износ материала при практически том же значении коэффициента трения и его стабильности, что обеспечивает более высокую надежность и долговечность поглощающих аппаратов автосцепки железнодорожного подвижного состава и увеличения их срока службы; позволяет снизить затраты на ремонт, связанный с заменой металлокерамических элементов аппаратов.
Таблица
№ п/п
Химический состав, мас.%
Интенсивность износа, мг/кДж
Средний коэффициент трения
Стабильность коэффициента трения
Sn
Pb
MoS<sub>2</sub>
SiO<sub>2</sub>
С
Fe
1
5,5
3
2
2
4
ост.
0,90
0,31
0,83
2
5,5
5
2
2
4
ост.
0,60
0,31
0,82
3
5,5
7
2
2
4
ост.
0,86
0,30
0,81
4
5,5
5
2
1
4
ост.
0,85
0,29
0,79
5
5,5
5
2
4
4
ост.
1,2
0,34
0,85
6
5,5
5
1
2
4
ост.
2,0
0,37
0,80
7
5
-
2
3
9
ост.
1,35
0,34
0,85
8
5
2
2
3
4
ост.
1,0
0,30
0,82
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №398674, Кл. C22C 32/02, 1970.
2. Патент РФ №1749287, Кл. C22C 33/02, 38/60, 1992.