СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДВУХСЛОЙНОГО ПОРОШКОВОГО АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ МЕДИ
METHOD FOR PRODUCING TWO-LAYER POWDER ANTIFRICTIONAL MATERIAL BASED ON COPPER

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления антифрикционных материалов на основе меди, предназначенных для получения деталей триботехнического назначения, подвергаемых пластической деформации для формообразования.
Известны способы получения антифрикционных материалов на основе меди, содержащих 6-12% олова [Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы, Киев, Наукова думка, 1980., стр. 230]. Антифрикционные материалы с содержанием олова 6-8% имеют высокую пластичность, но низкие прочность и триботехнические свойства (невысокую износостойкость), материалы с содержанием олова 10-18% имеют высокую прочность за счет наличия в структуре эвтектики, но низкую пластичность, не позволяющую подвергать изделия пластической деформации.
Имеются сведения о введении твердых смазок для повышения износостойкости порошковых материалов, например, графита в количестве 1-25%. Однако добавки графита приводят к снижению пластичности и прочности материала.
Известно также введение в порошковые материалы на основе меди омедненного графита в количестве 16-17% и гранулы омедненного полимера в количестве 7-9% [RU 960148] или добавок 10-15% углерода, 4-8% нитрида кремния, 3-5% оксида алюминия, 2-3% бериллия [RU 4902661], или добавок оксида алюминия никельсодержащего соединения [US 6844085]. Однако такие материалы имеют низкую пластичность, прочность и высокий коэффициент трения.
В качестве прототипа выбран способ получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, включающий приготовление шихты смешиванием
порошков меди, олова, оксида алюминия и оксида никеля, формование из шихты прессованием заготовки и ее спекание в защитно-восстановительной атмосфере [BY 11527].
Однако материал имеет низкую пластичность, прочность и недостаточно высокие триботехнические свойства из-за того, что включения оксидов, не взаимодействующие с медной основой, в процессе трения выкрашиваются, снижается износостойкость, кроме того, материал имеет низкую пластичность, что не дает возможность подвергать изделия пластической деформации.
Задача - повышение пластичности, прочности и триботехнических свойств антифрикционного материала на основе меди.
Поставленная задача решается тем, что в способе получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, включающем приготовление шихты смешиванием порошков меди, олова и добавок, формование из шихты прессованием в пресс-форме заготовки и ее спекание в защитно-восстановительной атмосфере, при формовании заготовки в пресс-форму засыпают послойно шихту основы, содержащую масс. %: 4-8 олова, остальное медь и шихту антифрикционного слоя на основе меди с 8-10 мас. % олова при соотношении массы шихты слоя основы к массе шихты антифрикционного слоя 8-10:1
Послойное засыпание шихты основы и шихты антифрикционного слоя в пресс-форму при прессовании позволяет получать двухслойную заготовку, в которой основу составляет материал на основе меди с содержанием олова 4-8%, имеющий большую пластичность, чем материал антифрикционного слоя, в котором содержится олова 8-10 мас. %и дополнительно добавки, снижающие пластичность материала.
Соотношение массы шихты слоя основы к массе шихты антифрикционного слоя 8-10:1 позволяет после прессования получить в заготовке необходимый для осуществления пластической деформации слой, имеющий удовлетворительную прочность, и объем антифрикционного слоя, необходимый для обеспечения требуемых прочности и триботехнических свойств. При соотношении
массы шихты слоя основы к массе шихты антифрикционного слоя менее 8:1 после прессования получается объем основы, недостаточный для проведения пластической деформации, а при соотношении более 10:1 образующийся антифрикционный слой недостаточной толщины и в процессе трения быстро изнашивается.
Введение в основу 4-8% олова позволяет получить структуру α-твердого раствора олова в меди, обладающего удовлетворительной пластичностью, а введение 8-10 мас. % олова в антифрикционный слой способствует повышению прочности, износостойкости материала за счет образования эвтектоида α+δ в α-твердом растворе.
2
3
Возможен способ получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, отличающийся тем, что шихта антифрикционного слоя дополнительно содержит 0,1-0,5 мас. % композиционного порошка FeAl/15% AlO, полученного самораспространяющимся высокотемпературным синтезом с предварительной механоактивацией (МАСВС). Введение этой добавки позволяет повысить износостойкость благодаря большей, чем основа, твердости частиц, снизить коэффициент трения антифрикционного слоя при сохранении его прочности благодаря легированию медной основы железом и алюминием, а также наличии. Твердых включений оксида алюминия. Введение менее 0,1% добавки не оказывает влияние на триботехнические свойства антифрикционного слоя, а более 0,5% вызывает снижение его прочности, так как частицы порошка располагаются преимущественно по границам зерен основы и ослабляют их.
2
3
2
3
2
5
2
2
5
2
3
Как показали микрорентгеноспектральный (МРСА) и рентгеноструктур-ный (РФА) анализы основной фазой в порошке FeAl/15% AlO является ин-терметаллид FeAl, в котором распределены наноразмерные включения AlO в количестве ~15%, которые равномерно распределены в матрице интерметал-лида, а также в небольших количествах идентифицируются включения интер-металлида FeAl и α-Fe. В небольших количествах присутствуют фазы FeAl и FeAl, что подтверждается наличием в структуре фаз, имеющих содержание алюминия до 7 мас. % и 30-40 мас. %. Микротвердость порошка FeAl/15% AlO составляет 2740-3000 МПа.
2
3
Возможен также способ получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, отличающийся тем, что шихта антифрикционного слоя дополнительно содержит 0,1-1 мас. % композиционного МАСВС порошка NiAl/15% AlO.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
Введение этой добавки также позволяет повысить износостойкость благодаря еще большей, чем у частиц порошка FeAl/15% AlO твердости, снизить коэффициент трения антифрикционного слоя при сохранении его прочности благодаря легированию медной основы никелем и алюминием, а также наличию твердых включений оксида алюминия. Так же, как и при введении композиционного МАСВС порошка FeAl/15% AlO, введение композиционного МАСВС порошка NiAl/15% AlO менее 0,1% добавки не оказывает влияние на триботехнические свойства антифрикционного слоя, а более 1% вызывает снижение прочности, так как частицы порошка располагаются преимущественно по границам зерен основы и ослабляют их. В отличие от порошка FeAl/15% AlO, который состоит из интерметаллидов различного фазового состава, и как сказано ранее, ослабляет границы зерен основы, порошок NiAl/15% AlO, согласно РФ А и МРСА, состоит из интерметаллида NiAl, вкраплений оксида алюминия в количестве до 13-15%, когерентно связанных с матрицей интерметаллида, и свободный никель в количестве до 9%. Наличие свободного никеля приводит к упрочнению медной основы за счет образования твердого раствора, поэтому предельное количество вводимой добавки порошок NiAl/15% AlO - 1%, выше, чем добавки FeAl/15% AlO - 0,5%. Кроме того, микротвердость порошка NiAl/15% AlO больше и составляет 3000-3300 МПа.
Возможен также способ получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, отличающийся тем, что шихта антифрикционного слоя дополнительно содержит 0,1-0,3 мас. % композиционного МАСВС порошка Ti8Cr46Al.
3
2
0
67
0,08
0,25
0
67
0,08
0,25
2
3
Частицы порошка Ti-46Al-8Cr, согласно РФА, состоят из основы в виде интерметаллида γ- TiAl, легированного хромом, содержащего 64-68 ат. % Ti, 30-34 ат. % Al и до 5 ат. % Cr, включений двойных интерметаллидов TiAl и AlCr, и τ-фазы в виде тройного интерметаллида Al,CrTi. Тонкие вторичные выделения τ-фазы Al,CrTi, выпадающие в зернах моноалюминида титана, содержат порядка 68-71 ат. % Al, 20-25 ат. % Ti, 7-12 ат. % Cr и имеют кубическую решетку, обеспечивающую когерентность границ с γ-фазой. Фаза α-TiAl (пространственная группа Р63/mmc) локализуется, главным образом, по границам зерен. Кроме того, у границ зерен моноалюминида титана располагаются также включения избыточных фаз соединений хрома с алюминием и титаном.
Как и в первых двух случаях, введение добавки менее 0,1% не оказывает влияние на свойства материала, а столь сложный состав порошка, а также наличие хрома, образующего оксиды, приводит к тому, приводит к тому, что максимальное количество добавки, приводящей к повыщению свойств материала на основе меди, - 0,3%.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется в примерах.
Примеры 1-10.
2
3
2
3
Для получения шихты основы исходные порошки в количестве (мас. %): 4-8% олова и 92-96% меди смешивали в лопастном смесителе в течение 0,5 ч. Шихту антифрикционного слоя получали смешиванием в лопастном смесителе в течение 0,5 ч исходных порошков в количестве: 8-10 мас. %олова, 0, 0,1, 0,3, 0,5, 0,8 мас. % композиционного МАСВС порошка состава FeAl/15% AlO, остальное медь или в количестве: 8-10 мас. % олова, 0, 0,1, 0,5, 1,0, 1,5 мас. % композиционного МАСВС порошка состава NiAl/15% AlO, остальное медь или 8-10 мас. %олова, 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,5 мас. % композиционного МАСВС порошка Ti8Cr46Al, остальное медь.
Отношение массы шихты основы и антифрикционного слоя составляла: 6:1, 8:1, 9:1, 10:1, 12:1. В стальную пресс-форму засыпали последовательно сначала шихту основы, затем шихту антифрикционного слоя и прессовали при давлении 350 МПа. Спрессованные заготовки спекали в защитно-восстановительной атмосфере эндогаза при температуре 750-820°С.
Триботехнические свойства материала (коэффициент трения, износ) определяли на машине трения МТ-2, предел упругости при сжатии и предельно допустимую деформацию, которая характеризует пластичность материала, определяли на испытательной машине «Инстрон». Данные испытаний приведены в таблице.
По способу-прототипу исходные порошки в количестве (мас. %): 9,0 олова, 2,7% оксида алюминия, 0,3% оксида никеля, медь остальное смешивали в лопастном смесителе в течение 0,5 ч. Смешанную шихту прессовали при давлении 350 МПа в заготовки и спекали в защитно-восстановительной атмосфере эндогаза при температуре 850-870°С. Свойства полученного материала приведены в таблице.
Таким образом, предлагаемый способ получения двухслойного порошкового антифрикционного материала на основе меди обеспечивает высокие триботехнические свойства, пластичность и прочность: коэффициент трения - 0,012-0,02, интенсивность изнашивания материала - 0,02-0,07 мкм/км, пластичность (предельно допустимая деформация) - 79-87%, предел прочности при изгибе - 640-680 МПа, по сравнению с известным материалом, обладающим свойствами: коэффициент трения - 0,022, износ материала - 0,09 мкм/км, пластичность (предельно допустимая деформация) - 48%, предел прочности при изгибе - 630 Мпа. Соответственно пластичность в 1,6-1,8 раз, прочность на 10-95% выше, а коэффициент трения в 1,1-1,8 раз и интенсивность изнашивания в 1,1-3 раза ниже, чем у известного материала.