МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ АНТИФРИКЦИОННЫЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ ИЗНОСОСТОЙКИЕ ДЕМПФИРУЮЩИЕ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ СПЛАВЫ НА МЕТАСТАБИЛЬНОЙ ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА СО СТРУКТУРОЙ ГЕКСАГОНАЛЬНОГО ε-МАРТЕНСИТА И ИЗДЕЛИЯ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭТИХ СПЛАВОВ С ЭФФЕКТОМ САМООРГАНИЗАЦИИ НАНОСТРУКТУРНЫХ КОМПОЗИЦИЙ, САМОУПРОЧНЕНИЯ И САМОСМАЗЫВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ ТРЕНИЯ, С ЭФФЕКТОМ САМОГАШЕНИЯ ВИБРАЦИЙ И ШУМОВ
MULTI-FUNCTION ANTIFRICTION NANOSTRUCTURE WEAR-RESISTANT DAMPING ALLOYS WITH SHAPE MEMORY EFFECT ON METASTABLE BASIS OF IRON WITH STRUCTURE OF HEXAGONAL ε-MARTENSITE, AND ITEMS USING THESE ALLOYS WITH EFFECT OF SELF-ORGANISATION OF NANOSTRUCTURE COMPOSITIONS, SELF-STRENGTHENING AND SELF-LUBRICATION OF FRICTION SURFACES, WITH EFFECT OF SELF-DAMPING OF VIBRATIONS AND NOISES

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к традиционной и порошковой, к литым и порошковым сплавам на основе железа и системы железо-марганец со структурой гексагонального έ-мартенсита, антифрикционным наноструктурированным износостойким демпфирующим с эффектом памяти формы высокопрочным метастабильным и изделиям с использованием данного сплава для работы при нормальной и отрицательных температурах с универсальным применением в конструкциях общего и специального машиностроения.
Сущность изобретения. Предложен многофункциональный антифрикционный наноструктурированный износостойкий демпфирующий с эффектом памяти формы высокопрочный сплав на метастабильной основе железа и системы Fe-Mn, отличающийся тем, что дополнительно содержит азот при следующем соотношении компонентов, мас.%:
марганец
5,0-44,0
углерод
0,001-0,3
азот
0,03-0,12
железо
остальное,
причем структура содержит 5-95% фазы ε-мартенсит, остальное фазы γ-аустенит и/или α-мартенсит.
Сплав может дополнительно содержать, мас.%:
кремний и/или кобальт
0,5-8,0
один или несколько элементов из группы, содержащей:
титан
0,06-1,0
ванадий
0,06-0,2
ниобий
0,05-0,20
Заявляемый сплав отличается тем, что обладает twinning-эффектом.
Предложенное изделие, выполненное целиком и/или содержащее рабочую поверхность из антифрикционного наноструктурированного износостойкого демпфирующего с эффектом памяти формы высокопрочного метастабильного сплава на основе железа со структурой гексагонального ε-мартенсита, отличающееся тем, что оно выполнено из этого сплава, содержащего, мас.%: марганец 5,0-44,0, углерод 0,001-0,3, азот 0,03-0,12, железо остальное и имеющего структуру, содержащую 5-95% фазы ε-мартенсита, остальное метастабильные фазы γ-аустенит и/или α-мартенсит. Сплав может дополнительно содержать кремний и/или кобальт при следующем соотношении компонентов, мас.%: 0,5-8,0, а также один или несколько элементов из группы, содержащей титан 0,06-1,0, ванадий 0,06-0,20, ниобий 0,05-0,20 (фиг.8-13), обеспечивающий заявляемым изделиям уникальный комплекс свойств: эффект самоорганизации наноструктурированных композиций, эффект самоупрочнения и самосмазывания поверхностей трения, эффект самогашения вибраций и шумов.
Изобретение иллюстрируется графиками.
Фиг.1 - фазовая диаграмма железомарганцевых сталей и сплавов, полученных методами традиционной и порошковой металлургии, в заявленном интервале содержания марганца 5-44%.
Фиг.2 - структура гексагонального ε-мартенсита системы Fe-Mn в состоянии после закалки (×1000).
Фиг.3 -  сравнительные механические и антифрикционные свойства заявляемых наноструктурированных и стандартно применяемых антифрикционных материалов.
Фиг.4 - изменение трибологических и диссипативных свойств железомарганцевых сплавов в зависимости от содержания марганца.
Фиг.5 - изменение структурного и фазового состава на поверхностях интенсивного трения.
Фиг.6 - изменение структуры и фазового состава, микротвердости по глубине упрочненного наноструктурированного слоя антифрикционного сплава на основе метастабильного ε-мартенсита.
Фиг.7 - фрактограммы поверхностей изломов ударных образцов α-, ε- и γ-сплавов системы Fe-Mn при температурах верхнего (а, в, д) и нижнего (б, г, е) порогов хладноломкости (×1000).
Фиг.8 - детали, изготовленные из нового класса антифрикционных наноструктурированных материалов. Втулка двигателя.
Фиг.9 - втулка системы гидропривода.
Фиг.10 - подпятник системы гидропривода.
Фиг.11 - шестерня - вал масляного насоса с модулем зуба 2,5-3,5.
Фиг.12 - втулка масляного насоса.
Фиг.13 - детали двигателя: фланцы, ступицы, сепараторы, втулки, стаканы, ниппели, уплотнения.
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к традиционной и порошковой, и касается антифрикционных наноструктурированных износостойких демпфирующих с эффектом памяти формы высокопрочных метастабильных сплавов как литых, так и порошковых на основе железа, содержащих марганец в качестве основного легирующего элемента, отличающихся тем, что дополнительно содержат азот, а также изделий, выполненных из заявляемых сплавов. Заявляемые сплавы могут быть получены в виде отливок, поковок, листа или сортового проката, в виде порошка и компактных изделий из них.
Присутствие марганца в заявляемых сплавах в качестве основного легирующего элемента не является достаточным условием для достижения заявляемого комплекса физико-механических и специальных свойств. Необходимыми условиями являются: наличие в исходной структуре фазы ε-мартенсит с гексагональной плотноупакованной (ГПУ) решеткой, образующейся при закалке по реакции γ→ε (мартенсит охлаждения); оптимальное соотношение в исходной структуре метастабильных фаз γ-аустенит и ε-мартенсит, обеспечивающих формирование ультрадисперсных фаз деформации, состоящих из мартенсита деформации, образованного по реакциям γ→ε, γ→α, γ→ε→α (tripp-эффект), и двойников деформации и дефектов упаковки высокой дисперсности и плотности (twinning-эффект) [монография «Высокомарганцовистые стали и сплавы», Т.Ф.Волынова, М.: Металлургия, 1988 г. 343 с.].
Присутствие азота в заявляемых сплавах обеспечивает повышение прочности, твердости, пластичности, износостойкости как в состоянии после закалки, так и после холодной деформации. Азот измельчает зерно и снижает склонность к росту зерна при нагреве под закалку; оказывает влияние на морфологию и химический состав упрочняющих фаз - нитридов и карбонитридов, количество и степень дисперсности которых возрастает с увеличением содержания азота. Азот снижает уровень энергии дефекта упаковки марганцовистого аустенита, что приводит к повышению дисперсности структур деформации: расщепленные подвижные дислокации высокой плотности, связанные с дефектами упаковки и двойниками деформации [монография «Высокоазотистые стали. Металлургия под давлением», Цоло В.Рашев, София.: Издательство Болгарской АН, 1995 г. 268 с.].
Впервые получены сплавы на основе системы Fe-Mn, содержащие максимально возможное количество ε-мартенсита (до 95%) (фиг.1, 2), на основе которых разработаны заявляемые составы. Аналогов в мировой и отечественной практике нет.
Поскольку железомарганцевые сплавы с заявляемым уникальным комплексом свойств как в мировой, так и в отечественной практике не применялись, аналоги и прототип выбирались по следующим признакам: назначению (антифрикционные, демпфирующие, с эффектом памяти формы), по уровню прочности; содержанию марганца; содержанию ε-мартенсита в структуре.
в
Антифрикционные сплавы. Известные антифрикционные материалы для узлов трения скольжения: чугуны, бронзы, легкоплавкие сплавы - баббиты на основе свинца, олова, цинка или алюминия. Лучшими антифрикционными материалами являются бронзы, а из бронз - оловянистые (~10% Sn). Однако бронзы не могут выдержать больших давлений из-за низкой прочности (фиг.3) (при изменении плотности порошковых сплавов от 15 до 80% предел прочности - σ изменяется от 10 до 120 МПа у оловянистых и до 320 МПа у алюминиевых бронз) и из-за сравнительно небольшого нагрева (низкая температура плавления). К тому же бронзы состоят из таких дефицитных элементов, как медь, олово, свинец, и детали, изготовленные из бронз, очень дороги. Бронзы уступают заявляемым сплавам по диссипативным свойствам - декремент затухания заявляемых сплавов Ψ=40%, штатных бронз <5%. Второе место после бронзовых занимают подшипники из сплавов железа, в их числе порошковые и чугуны. Прочность чугунов достигает 500 МПа (фиг.3), однако их применение ограничено невысокими нагрузками и малыми скоростями. Одни из последних - подшипники на основе алюминия, широко применяемые для двигателей внутреннего сгорания.
Теоретические предпосылки использования особенностей структуры ε-мартенсита, имеющего ГПУ-решетку, в качестве основы при разработке нового класса антифрикционных материалов, а также демпфирующих и с эффектом памяти формы [монография «Высокомарганцовистые стали и сплавы», Т.Ф.Волынова, Металлургия, 1988 г., 343 с.]:
- соотношение осей с/α=1,604, близкое к идеальному, обеспечивающее наименьшее число действующих систем скольжения и преимущественное развитие базисного скольжения (наименьший коэффициент трения при идеальном соотношении с/α=1,63);
- нестабильность структурных составляющих системы Fe-Mn, наличие в системе всех трех известных для сплавов на железной основе мартенситных превращений (γ→ε, γ→α, γ→ε→α), которые могут происходить одновременно и обеспечивать самоорганизацию наноструктурированных композиций на поверхностях интенсивного трения;
- низкий уровень энергии дефекта упаковки марганцовистого аустенита, обеспечивающие возможность образования высокой степени дисперсности дефектов упаковки и двойников деформации метастабильных наноструктур деформации - twmning-эффект.
2
Результаты эксперимента подтвердили теоретические предпосылки: установлена четко выраженная корреляция между коэффициентом трения, износостойкостью и количеством ε-мартенсита; материалы с гексагональной структурой по сравнению с другими решетками (ОЦК и ГЦК) имеют более высокую износостойкость: интенсивность изнашивания I=0,018 для ε-сплавов, I=0,045 для α-сплавов, I=0,083 мг/мм для γ-сплавов) и более низкий коэффициент трения (Фиг.4).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату, по составу и структуре к заявляемому сплаву является антифрикционный сплав на основе железа [3]. В сплаве-прототипе [3] данных по демпфирующим свойствам и эффекту памяти формы, по морфологии и кинетике формирования наноструктурированных композиций на поверхностях трения, обеспечивающих повышение трибологических свойств заявляемых сплавов (твердости, износостойкости, коэффициента трения) и уникальных свойств изделий, изготовленных из этих сплавов, нет.
Сплав [3] содержит, мас.%
марганец
10,0-33,0
углерод
0,002-0,20
железо
остальное
может дополнительно содержать, мас.%:
кремний и/или кобальт
0,5-8,0
в
ТР.БЕЗ СМАЗКИ
ТР. СО СМАЗКОЙ
в
в
Сплав-прототип обладает следующими свойствами: предел прочности: σ=600-850 МПа при коэффициенте трения К=0,25-0,35, К=0,01. Недостатком сплава-прототипа [3], как конструкционного материала, является несоответствие уровня конструкционной прочности все возрастающим требованиям к антифрикционным материалам по скоростям скольжения и удельным нагрузкам в узлах трения современных механизмов и машин. Задача повышения прочности в сплаве-прототипе и заявляемом решена через увеличение количества ε-мартенсита за счет легирования кобальтом (0,5-8,0) и/или кремнием (0,5-8,0), и обеспечивающего для сплава-прототипа уровень прочности σ=600-850 МПа, недостаточный для заявляемого сплава. Задача дополнительного повышения прочности в заявляемом сплаве на Δσ=50-100 МПа может быть решена через легирование азотом N, а также дополнительного легирования карбидо- и нитридообразующими: титаном, ниобием, ванадием (Ti, Nb, V), где впервые сочетание высокой прочности, низкого коэффициента трения и высокой износостойкости достигается за счет твердорастворного упрочнения и использования способности к упрочнению метастабильного марганцовистого аустенита за счет образования фаз деформации (известный tripp-эффект) и высокой степени дефектности двойников деформации и дефектов упаковки - twinnig-эффект, за счет самоорганизации управляемых наноструктурированных композиций на поверхности трения.
Известен антифрикционный порошковый материал на основе железа [1], содержащий, мас.%:
графит
0,5-1,5
кремний
1,0-2,5
медь
21,0-26,0
марганец
7,5-11,5
олово
1,0-2,5
железо
остальное
в
50
ТР. БЕЗ СМАЗКИ
ТР. СО СМАЗКОЙ
Исходя из химического состава и плотности (20-30% пор) можно предположить, что данный материал обладает следующими механическими свойствами: σ=200-250 МПа; δ<2%; Т=(+400)-(+450)°С; К=0,1; К=0,006.
При низком коэффициенте трения существенным недостатком сплава [1] являются низкая прочность при почти нулевой пластичности, низкая технологичность и большие трудозатраты при изготовлении. При этом сплав [1] имеет ограничения по нагрузкам и скоростям скольжения и значительно уступает заявляемым сплавам по прочности и долговечности.
Известен антифрикционный материал на основе железа - литой чугун следующего состава [2], мас.%:
углерод
2,8-3,6
кремний
2,1-3,8
марганец
0,7-1,2
сурьма
0,02-0,07
алюминий
0,01-0,03
кальций
0,02-0,06
нитриды ванадия
0,06-0,15
иттрий
0,002-0,01
железо
остальное
В
ТР.
Сплав [2] обладает следующими механическими и трибологическими свойствами: σ=334-556 МПа; К=0,026-0,121. Исходя из химического состава индекс демпфирования составляет не выше 5%.
Порошковые спеченные сплавы на основе железа [1], как и литые чугуны [2], при удовлетворительных антифрикционных свойствах имеют ограничения в применении по скорости скольжения и нагрузке, при их возрастании недопустимо уменьшается толщина масляной пленки. Меньшая по сравнению с литыми подшипниками прочность обусловлена значительной пористостью порошковых сплавов, что вызывает повышенную чувствительность к ударам и давлению на кромку.
Химический состав заявляемых антифрикционных сплавов и прототипа [3] представлены в таблице №1, механические и трибологические свойства - в таблице №2.
Демпфирующие сплавы. Реализация высоких демпфирующих свойств заявляемых материалов на основе системы Fe-Mn обеспечивает самогашение и снижение уровня вибраций и шумов, возникающих при работе в узлах трения механизмов и машин, а следовательно, повышение вибрационной и динамической прочности, надежности, долговечности и срока службы изготовленных из заявляемых сплавов деталей узлов трения. Использование демпфирующих материалов позволяет воспрепятствовать передаче вибраций на основную конструкцию, улучшить экологические условия труда за счет снижения воздействия вредных колебаний и вибраций на человеческий организм. Способность гасить энергию механических колебаний этих сплавов обусловлена высоким внутренним трением.
В
Известные классические демпфирующие сплавы на основе Mg, Cu-Mn не получили широкого распространения в промышленности, а в качестве конструкционных не применяются, так как в большинстве случаев либо обладают низкими механическими или технологическими свойствами, либо элементы, входящие в их состав, являются дефицитными или дорогостоящими. Заявляемые сплавы превосходят по прочности классические демпфирующие в 2,5-5 раз: предел прочности магниевых сплавов σ=100-160 МПа, сплавов системы Mn-Cu - 400-500 МПа, заявляемых сплавов системы Fe-Mn ≥ 950 МПа.
Аналоги и прототип демпфирующих сплавов выбирались по тем же признакам, что и антифрикционных: уровню прочности, содержанию марганца и фазы ε-мартенсит.
Для достижения высокой демпфирующей способности заявляемых сплавов необходимыми и достаточными условиями являются: присутствие марганца в качестве основного легирующего элемента и наличие в структуре фазы έ-мартенсит с ГПУ решеткой. Демпфирующая способность железомарганцевых сплавов находится в прямой зависимости от количества фазы ε-мартенсит (Фиг.№4). Повышение содержания фаз α-мартенсит и/или γ-аустенит приводит к снижению диссипативных свойств. Отрицательное влияние α-мартенсита с ОЦК решеткой сказывается на снижении способности к образованию дефектов упаковки и их подвижности, резком снижении демпфирующей способности, на повышении температуры порога хладноломкости.
Известна сталь для поглощения звука и вибраций [4], обладающая структурой со средней крупностью ферритного зерна, содержащая, мас.%:
марганец
0,1-1,5
кремний
0,4-4,0
железо
остальное
В
50
Исходя из химического состава можно предположить, что данная сталь обладает следующими механическими свойствами: σ=600-650 МПа; δ=2-5%; Т=+250°С.
-3
-1
-4
Обладая ферритной структурой (объемно-центрированная кристаллическая решетка), данная сталь не испытывает мартенситных превращений и не имеет в структуре легкоподвижных двумерных дефектов типа дислокации или дефектов упаковки. Поэтому ее демпфирующая способность при относительной деформации ~10 равна Q=(20-45)×10. Кремний в пределах 0,4-4,0 мас.% повышает твердость и прочность α-твердого раствора и резко снижает горячую пластичность при прокатке. Кроме этого при содержании кремния больше 2 мас.% снижаются относительное удлинение и ударная вязкость, увеличивается хрупкость стали в холодном состоянии.
Химический и фазовый состав заявляемых демпфирующих сплавов и сплава-прототипа [3] приведены в таблице №1, диссипативные и механические свойства - в таблице №3.
Сплавы с эффектом памяти формы.
Для сплавов с эффектом памяти формы используют системы с термоупругим мартенситным превращением, которое наряду с эффектом памяти и сверхупругости обеспечивает высокие демпфирующие свойства. «Памятью формы» обладает сравнительно ограниченное число сплавов - это сплавы систем легирования Ni-Ti, Cu-Zn-Al, C-Al-Ni и некоторые сплавы на основе железа. Наиболее сильно этот эффект обнаруживается у интерметаллида NiTi. Система Fe-Mn интересна в том отношении, что в результате термической обработки (закалки) в сплавах этой системы могут возникать одновременно несколько упруго связанных модификаций мартенсита с различным чередованием плотно упакованных слоев.
Исходя из химического состава можно предположить, что сплав-прототип [3] имеет следующий уровень показателей эффекта памяти формы:
степень восстановления формы СВФ, %
≤2
температура начала мартенситного превращения М<sub>Н</sub>, °С
20-50
гистерезис мартенситного превращения (М<sub>Н</sub>-А<sub>Н</sub>), °С
120-250
Н
Сплав-прототип обладает высокими значениями М (выше нормальной температуры). Повышение параметров восстановления формы сплавов системы Fe-Mn достигается за счет введения кремния и азота.
Известен классический сплав с обратимым эффектом памяти формы [5] - нитинол, содержащий, мас.%:
никель
48-54
титан
52-46
для повышения термоциклической прочности сплав может содержать, мас.%:
углерод
0,06-0,12
бор
0,001-0,5
Данный сплав обладает следующими механическими и специальными свойствами:
предел текучести, σ<sub>0,2</sub>, МПа
180-250
степень восстановления формы СВФ, %
6-8
температура начала мартенситного
превращения М<sub>Н</sub>, °С
(-100)-(+120)
гистерезис мартенситного превращения (М<sub>Н</sub>-А<sub>Н</sub>), °С
30,
демпфирующая способность при малых амплитудах, %
5-10
при больших амплитудах
20-30
0,2
Н
Н
Н
При высоких показателях демпфирования и эффекта памяти формы существенный недостаток нитинола - низкая конструктивная прочность (σ) и низкие технологические свойства, малый гистерезис мартенситного превращения (М-А), сильная зависимость М от состава, высокая стоимость. Как сплавы с ОЦК-решеткой нитинолы обладают низкими антифрикционными свойствами.
Химический и фазовый состав заявляемых сплавов и сплавов с эффектом памяти формы и сплава-прототипа [3] приведены в таблице №1, характеристики эффекта памяти формы и механические свойства - в таблице №4.
Сплав-прототип [3] является наиболее близким к заявляемому по составу и структуре, обладающему антифрикционными, износостойкими, демпфирующими свойствами и эффектом памяти формы. В сплаве-прототипе [3] данных по демпфирующим свойствам и эффекту памяти формы, по морфологии и кинетике формирования наноструктурированных композиций на поверхностях трения, по twinning-эффекту, обеспечивающих повышение комплекса уникальных свойств (трибологических, диссипативных, эффекта памяти формы) заявляемых сплавов и изделий, изготовленных из этих сплавов, нет.
Технический эффект предлагаемого изобретения заключается:
1. В создании принципиально нового класса многофункциональных антифрикционных наноструктурированных износостойких демпфирующих с эффектом памяти формы высокопрочных метастабильных сплавов на основе железа и системы Fe-Mn со структурой гексагонального ε-мартенсита, обладающих twinning-эффектом, и изделий, выполненных из заявляемого сплава целиком и/или содержащих рабочую поверхность и наследующих свойства сплава, с самоорганизующимися наноструктурированными композициями на поверхностях трения, обеспечившими уникальный комплекс эксплуатационных свойств: самоупрочнение, самосмазывание, самогашение вибраций и шумов, для работы при нормальной и отрицательных температурах, с универсальным применением в конструкциях общего и специального машиностроения;
2. В уникальной возможности совместить в одном составе заявляемого сплава различные по назначению классы материалов:
- лучшие антифрикционные бронзы (фиг.3, 4):
тр. без смазки
тр.со смазкой
коэффициент трения К≤0,15-0,30, К≤0,010-0,020;
- лучшие высокопрочные антифрикционные чугуны (фиг.3):
в
в
σ=600-800 МПа, (σ≥950 МПа заявляемых сплавов);
- высокодемпфирующие сплавы (фиг.4):
демпфирующая способность:
-1
-4
Q=(240-270)×10 при τ=50 МПа (амплитудно-зависимое внутреннее трение),
-1
-4
Q=(10-15)×10 при f=(8-12) кГц (амплитудно-независимое внутреннее трение);
- материалы с низким порогом хладноломкости (фиг.7):
50
Т=(-120)÷(-160)°С;
- материалы с эффектом памяти формы,
степень восстановления формы СВФ,
Н
понижение температуры начала мартенситного превращения М, °С до (-20)÷(+20)
Н
Н
гистерезис мартенситного превращения (М-А), °С 160-200
3. В использовании дополнительных преимуществ заявляемых сплавов:
- высокая пластичность (δ=40%, ψ=7-5%);
- сверхпластичность при γ→ε переходе:
+20
2
50
ТР
- высокая ударная вязкость KCV=1,1-1,7 МДж/м и низкий порог хладноломкости Т=(-120)÷(-160)°С (фиг.7), обеспечивают возможность использования изделий из заявляемого сплава в области отрицательных температур при сохранении низкого коэффициента трения: К с понижением температуры до (-160)°С повышается до 0,3 против 0,2 при нормальной температуре;
-6
- немагнитность: магнитная восприимчивость ǽ=9,9×10;
-6
-1
- инварный эффект: снижение коэффициента термического расширения до α=(12-15)×10 град;
- высокая технологичность при выплавке (могут быть получены методами как традиционной, так и порошковой металлургии), при деформационно-термическом переделе; простота термической обработки, хорошая свариваемость всеми видами сварки;
- высокая экономичность.
4. Впервые появилась возможность создавать управляемые наноструктурированные самоорганизующиеся композиции на поверхностях трения (фиг.5, 6), обеспечивающие эффект самоупрочнения и самосмазывания, эффект самогашения вибраций и шумов и снижение их вредного воздействия на механизмы и человеческий организм. Технический эффект от применения изделий, изготовленных из нового класса заявляемых антифрикционных наноструктурирорванных износостойких демпфирующих с эффектом памяти формы материалов в узлах интенсивного трения взамен штатно применяемых бронз обеспечит:
- повышение прочности материала в 2-5 раз;
- увеличение долговечности и надежности деталей машин и узлов в 2-2,5 раза;
- предотвращение аварийных видов износа (схватывание, заедание, задиры);
- высокая экономичность заявляемых материалов и изделий, выполненных из них, при замене:
- классических антифрикционных бронз экономия цветных металлов составляет в кг/т: Cu 800-900, Sn 50-100, Pb 30-50, Ni 30-50, Al 60-110;
- классических демпфирующих сплавов типа 30Сu - 70Мn экономия составляет в кг/т: Cu 300-400, Mn 600-700;
- классических сплавов с эффектом памяти формы типа (48-54)Ni - (46-52)Ti экономия составляет в кг/т: Ni~510, Ti~490.
- снижение затрат на материалы-изделия в 10 раз.
Наиболее эффективно применение заявляемых метастабильных сплавов с ГПУ-решеткой в высоконагруженных узлах трения, где реализуются антифрикционные и диссипативные характеристики кристалла, тесно связанные с анизотропией его свойств, деформируемостью и упрочняемостью метастабильной аустенитной матрицы в тонком поверхностном слое: подшипники скольжения и их опоры, втулки-вкладыши, сепараторы подшипников качения и др., а также конструкционные детали, работающие в условиях сухого трения и смазки, при больших скоростях скольжения и высоких удельных нагрузках механизмов и машин во всех отраслях общего и специального машиностроения.
тр. со смазкой
тр.без смазки
В заявляемом сплаве образование на поверхности трения тонкого упрочненного наноструктурированного слоя глубиной в 10-20 мкм с твердостью ≥5000 МПа (при сохранении твердости основного металла на уровне НВ240) (фиг.5), с дисперсностью структур деформации от менее 0,1 мкм и до (0,2-0,5) мкм (фиг.5, 6) обеспечивает заявляемым сплавам высокие триботехнические свойства: высокую износостойкость и низкий коэффициент трения (К 0,010-0,020, К≤0,15-0,30) (фиг.4), увеличивает срок службы заявляемых изделий. В разделительном слое, состоящем из мелкодисперсных продуктов износа, где деформация имеет предельные значения, упрочнение достигается за счет α-мартенсита деформации, образующегося из метастабильных фаз γ-аустенита и/или ε-мартенсита по реакциям γ→α, ε→α или γ→ε→α (Фиг.5, 6). Важной особенностью заявляемых сплавов является возможность их использования для изготовления не только самоупрочняющихся, но и самосмазывающихся подшипников скольжения (что особенно актуально в условиях несовершенной смазки или трения без смазки), для изготовления которых в настоящее время используются сплавы на основе молибдена и вольфрама.
B
тр. без смазки
тр. без смазки
-l
4
-3
-4
-1
4
-4
5. Технический эффект изобретения заключается в повышении прочностных свойств заявляемых сплавов на Δσ=(50-100) МПа за счет увеличения количества фазы ε-мартенсит (5-95%) (легирование кобальтом и кремнием), упрочнения твердого раствора (легирование азотом и образование карбидов и карбонитридов (одного или нескольких элементов из группы: титан, ванадий, ниобий); в снижении коэффициента трения (от К≤0,20-0,35 до К≤0,15-0,30); в повышении износостойкости в 1,7-2,5 раза за счет twinning- и tripp-эффектов, самопризвольного образования наноструктурированных композиций и разделительного слоя под влиянием деформации трением, обеспечивающих изделиям эффект самосмазывания; в повышении демпфирующих свойств как в амплитудно-зависимой [Q×10=(240÷270)×(10÷10) при амплитуде приложенного напряжения τ=50 МПа], так и в амплитудно-независимой области [Q×10=(10÷15)×10 при частоте f=(8÷12) кГц], обеспечивающих изделиям в узлах трения уникальную способность - эффект самогашения и снижения уровня вибраций и шумов в 1,7-2,5 раза; в повышении степени восстановления формы.
Для достижения технического эффекта изобретения по созданию принципиально нового класса антифрикционных наноструктурированных сплавов с высоким уровнем антифрикционных и демпфирующих свойств, эффекта памяти формы предлагаемый сплав содержат марганец, углерод и азот, остальное железо, в следующем соотношении, мас.%:
марганец
5,0-44,0
углерод
0,001-0,3
азот
0,03-0,12
железо
остальное,
которые обеспечивают в структуре 5-95% фазы ε-мартенсит, остальное метастабильные фазы γ-аустенит и/или α-мартенсит.
Для повышения прочности, при сохранении высоких антифрикционных и демпфирующих свойств, эффекта памяти формы сплавы могут содержать, мас.%:
кремний и/или кобальт
0,5-8,0
один или несколько элементов из группы, содержащей
титан
0,06-1,0
ванадий
0,06-0,20
ниобий
0,05-0,20
Химический состав заявляемых сплавов со структурой фазы ε-мартенсит (5-95%) и прототипа [3] представлены в таблице №1; механические и антифрикционные свойства - в таблице №2; механические и демпфирующие свойства - в таблице №3; механические свойства и степень восстановления формы сплавов с эффектом памяти формы - в таблице №4.
Заявляемый сплав, содержащий марганец от 5,0 до 44%, отличается тем, что содержит азот и основой его является метастабильная фаза έ-мартенсит (5-95)% (таблица №1). При содержании марганца менее 5,0% в результате мартенситного γ→α превращения образуется до 100% α-мартенсита, который приводит к резкому повышению коэффициента трения (позиции, 18, 19, таблица №2) и снижению демпфирующей способности (позиции 18, 19, таблица №3), степень восстановления формы СВФ→0 (позиции 11, 12, таблица №4). При содержании марганца свыше 44,0% сплавы состоят на 100% из γ-фазы, которая по уровню коэффициента трения (позиции 20, 21, таблица №2), демпфирующей способности (позиции 20, 21, таблица №3), эффекту памяти формы (таблица №4, позиции 13, 14) приближаются к α-сплавам (позиции 18, 19, таблицы 2, 3).
В заявляемом сплаве содержание углерода в количестве 0,001-0,3 необходимо для гарантированного получения в структуре (5-95)% фазы ε-мартенсит при (5,0-44,0)% марганца. Увеличение содержания углерода свыше 0,30%, как аустенитообразующего элемента, сопровождается уменьшением количества ε-мартенсита, что приводит к повышению коэффициента трения (позиции 20, 21, таблица №2), снижению демпфирующей способности (позиции 20, 21, таблица №3), отрицательно сказывается на степени восстановления формы (позиции 12, 14, таблица №4). Чем выше чистота по примесям, тем больше содержание фазы ε-мартенсит [монография «Высокомарганцовистые стали и сплавы», Т.Ф.Волынова, Металлургия, 1988 г. 343 с.]. В заявляемых сплавах расширен интервал по содержанию углерода 0,001-0,3 против 0,002-0,2 мас.% в сплаве-прототипе.
-1
-4
В
Целью дополнительного легирования кобальтом и/или кремнием в количестве 0,5-8,0 мас.% является гарантированное повышение в структуре количества фазы ε-мартенсит (5-95%) и повышение предела прочности (позиции 5, 10, 15, таблицы №2, 3; позиции 4-7, таблица №4) по сравнению со сплавами, содержащими углерод и марганец в тех же количествах [монография «Высокомарганцовистые стали и сплавы», Т.Ф.Волынова, Металлургия, 1988 г., 343 с.] при сохранении коэффициента трения без смазки на уровне (0,15-0,30) (таблица №2), демпфирующей способности на уровне Q=(240-270)×10 при τ=50 МПа (таблица №3), эффекта запоминания формы не менее 2% (таблица №4). Понижение содержания кремния и кобальта ниже 0,5% нецелесообразно, так как приводит к понижению количества ε-мартенсита, к повышению коэффициента трения, снижению прироста прочности менее 50 МПа (Δσ→0) (позиция 18-21, таблицы №2, №3; позиции 11-14, таблица №4). Повышение содержания кремния и кобальта свыше 4 мас.% приводит к стабилизации аустенита по отношению к γ→α и γ→ε превращениям, снижению количества ε-мартенсита (% ε→0), и, как следствие, росту коэффициента трения (позиции 20, 21, таблица №2), снижению демпфирующей способности, (позиции 20, 21, таблица №3), отрицательному влиянию на СВФ (позиции 11-14, таблица №4), к резкому снижению технологических свойств. Кремний и кобальт смещают границы области существования ε-мартенсита в сторону большего содержания марганца и тем самым расширяют концентрационный интервал использования реальных составов.
В
В
Целью дополнительного легирования сплавов систем Fe-Mn и Fe-Mn-C азотом является упрочнение твердого раствора, что наиболее эффективно при одновременном легировании одним или несколькими элементами из группы: титан, ванадий, ниобий, при соотношении (Nb+V)/(N+C)<1,2 и N/C<2. Повышение прочности (Δσ=50-100 МПа) до значений σ≥950 МПа достигается через измельчение зерна при закалке вследствие образования труднорастворимых нитридов NbN (позиция 6, таблица №4), а при легировании ванадием с азотом (позиции 8,10, таблица №4), возникает возможность дополнительного упрочнения вследствие дисперсионного твердения при образовании нитридов типа VN, (Nb,V)N и карбонитридов типа (Nb,V)CN с соотношением N/C<2. Ослабление межзеренной связи за счет выделения избыточных фаз по границам зерен оказывает более сильное влияние на уровень механических и специальных свойств, чем величина зерна. Уменьшение содержания в мас.%: углерода менее 0,001, азота менее 0,03, титана и/или ванадия менее 0,06, и/или ниобия менее 0,05 не вызывает существенного снижения антифрикционных и демпфирующих свойств и из-за малой объемной доли образующихся нитридов и карбонитридов. Увеличение содержания ванадия свыше 0,20, ниобия свыше 0,20, азота свыше 0,12 и/или углерода свыше 0,30 мас.% (позиции 12, 14, таблица №4) приводит к резкому увеличению доли нитридов и карбонитридов и доли этих элементов в твердом растворе, что приводит к снижению демпфирующих свойств (позиции 20, 21, таблица №3) и эффекта памяти формы (позиции 12, 14, таблица №4). Содержание титана в количестве 0,06-1,0% обеспечивает повышение механических и демпфирующих свойств, препятствует образованию карбидов цементитного типа и подавляет склонность к замедленному разрушению (позиции 6, 8, таблица №4). Измельчение зерна приводит к дополнительному повышению прочности. За счет оптимального количества титана, и/или ниобия, и/или ванадия, остающегося после образования нитридов и карбонитридов в твердом растворе, повышается эффект запоминания формы (позиции 4-10, таблица №4).
Предложенное изделие, выполненное из антифрикционного наноструктурированного износостойкого демпфирующего с эффектом памяти формы высокопрочного метастабильного сплава на основе железа, отличающееся тем, что выполнено целиком, и/или содержащее рабочую поверхность из заявляемого сплава, содержащего, мас.%: марганец 5,0-44,0, углерод 0,001-0,3, азот 0,03-0,12, железо остальное и имеющего структуру, содержащую 5-95% фазы ε-мартенсит, остальное метастабильные γ- и/или α-фаза. Сплав может содержать, мас.%: 0,5-8,0 кремния и/или кобальта, а также один или несколько элементов из группы, содержащей титан 0,06-1,0, ванадий 0,06-0,2, ниобий 0,05-0,20 (фиг.8-13), со структурой гексагонального έ-мартенсита (5-95%), обеспечивающий заявляемым изделиям twmnning-эффект, эффект самоорганизации наноструктурированных композиций, эффект самоупрочнения и самосмазывания поверхностей трения, эффект самогашения вибраций и шумов, отличающимся универсальностью применения - в узлах трения механизмов и машин общего и специального машиностроения.
Патентный поиск показал, что детали, изготовленные из железомарганцевых сплавов, обладающих уникальным комплексом свойств (высокая прочность и износостойкость, низкий коэффициент трения + высокие диссипативные свойства + эффект памяти формы), ранее не применялись. Поэтому в качестве прототипа, близкого по технической сущности, были выбраны скользящие детали, изготовленные из материала на основе железа - высокоуглеродистой стали [6], содержащей мас.%:
углерод
0,6-1,2
кремний
<3
марганец
<3
хром
6,0-10,0
молибден
0,1-1,5
ванадий
0,01-1,0
железо
остальное
ТР
Исходя из химического состава, изготовленные из этого материала детали обладают низкой прочностью и высоким коэффициентом трения (К=0,6-0,8), низкой прирабатываемостью, низкими диссипативными свойствами (гетерогенность структуры не реализуется). Предлагаются антифрикционные высоконагруженные изделия, выполненные целиком или содержащие рабочую поверхность из заявляемого сплава (фиг.8-13), работающие при больших скоростях скольжения (~5 м/сек) и высоких контактных нагрузках: втулки, вкладыши, подшипники и подшипниковые опоры, сепараторы; конструкционные детали двигателей, ходовой части, гидропривода, насосов; коронки бурового инструмента. Химический и фазовый состав и свойства сплава-прототипа и изделий представлены в таблице 1.
Несмотря на высокое содержание углерода (0,6-1,2 мас.%) в стали для детали прототипа, износостойкость поверхностей трения в заявляемых изделиях значительно выше, хотя содержание углерода и азота в заявляемом сплаве составляет в мас.%: С=0,001-0,30, N=0,03-0,12. Twinning-эффект и образование под влиянием деформации наноструктурированных композиций (фиг.5) и твердой разделительной пленки вторичных структур продуктов износа (фиг.5, 6) обеспечивает заявляемым изделиям эффект самосмазывания и исключает возможность катастрофических видов износа, таких как схватывание или заедание, исключает необходимость введения смазки в узлы трения, когда процесс смазки трудно либо невозможно осуществить обычными методами.
В отличие от принятого прототипа [3, 6] заявляемый сплав и изделия из него имеют другой количественный состав: расширены интервалы по содержанию марганца в мас.%: 5-44 вместо 10-33, углерода в мас.%; 0,001-0,03 вместо 0,002-0,02. Заявляемый сплав дополнительно легирован азотом, титаном, ванадием, ниобием, обладает twinning-эффектом, имеет принципиально отличную структуру - наноструктурированные композиции в зоне деформации, что соответствует критерию «новизна». Количество ε-мартенсита в структуре железомарганцевых сплавов является решающим фактором, обеспечивающим высокие демпфирующие и антифрикционные свойства, эффект запоминания формы, высокую прочность.
При анализе патентной литературы не было обнаружено комплексных технических решений с признаками предложения, не обнаружены сплавы, обладающие комплексом уникальных свойств, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию «существенные отличия».
Прочность и долговечность подшипников и втулок двигателей (фиг.8, 13) и системы гидропривода (фиг.9, 10), изготовленных из заявляемых сплавов, повышается более чем в 2 раза. Высокие диссипативные свойства заявляемого материала, применяемого как конструкционного и антифрикционного, позволили снизить уровень вибраций и шумов двигателей в 1,7-2,5 раза (фиг.8, 13).
50
Втулки с наружным диаметром до 20 мм (Фиг.9, 10) используются в приборостроении, где требуются, кроме антифрикционных и диссипативных свойств, немагнитные и криогенные свойства. Низкий порог хладноломкости заявляемых сплавов [T=(-120)-(-160)°C] обеспечивает работу изделий при отрицательных температурах.
в
Шестерни-валы масляных насосов гусеничных машин с модулем зуба 2,5-3,5 (фиг.11) отличаются тем, что могут быть изготовлены как из литых, так и порошковых сплавов. Требования по динамической и статической прочности зуба обеспечиваются высокой конструкционной прочностью заявляемого материала (σ≥950 МПа), долговечность и надежность - высокими диссипативными свойствами. Возможна работа при температуре ниже - 100°С.
Втулка направляющая ходовой части (фиг.12) изготовлена из порошкового сплава, увеличивающего срок службы в 1,7 раза по сравнению со штатно применяемой сталью. Заявляемый материал отличается высокой прирабатываемостью, не требует сложной термической обработки. Твердость поверхностного слоя, упрочненного деформацией скольжения, распространяется на глубину 10-20 мкм и составляет 5000 МПа (фиг.6). Это исключает необходимость проведения сложной термической обработки, проводимой ранее для упрочнения поверхности изделия с применением дорогостоящих способов химикотермической обработки, ТВЧ или нанесения износостойких покрытий.
На фиг.13 представлены заявляемые детали двигателя (фланцы, ступицы, сепараторы, втулки, стаканы, обоймы, ниппели и др.), изготовленные из заявляемых сплавов взамен сталей [6] и цветных металлов (фиг.3) (типа бронзы АЖМц 10-3-1,5, латуни ЛС 59), от которых по условиям работы требуется комплекс свойств: высокие конструкционные (прочность, пластичность, вязкость), трибологические и диссипативные свойства. Замена на заявляемый сплав позволит снизить уровень вибраций и шумов в 1,7-2,5 раза, повысить износостойкость и долговечность узлов трения в 2 раза.
Изготовление сепараторов (фиг.13) из заявляемых материалов взамен штатно применяемых антифрикционных бронз (типа АЖМц 10-3-1,5 и др.) и латуней (типа ЛС 59-1, Л 63 и др.) позволит повысить износостойкость и долговечность сепараторов в 2 раза за счет повышения прочности (фиг.3)
В
В
В
[латунь ЛС 59-1(т) σ=620 МПа; бронза АЖМц 10-3-1,5(т) - σ=600 МПа; Fe-Mn σ≥950 МПа] и твердости основного металла [латунь ЛС 59-1(т) - НВ 150; бронза АЖМц 10-3-1,5(т) - НВ 170; Fe-Mn - НВ 240], twinning-эффект обеспечивает повышение твердости упрочненного деформацией поверхностного наноструктурированного слоя до 5000 МПа (фиг.6). Заявляемые сепараторы могут работать при более высоких скоростях и удельных нагрузках по сравнению с цветными сплавами.
Заявляемые детали могут быть получены методами традиционной и порошковой металлургии. Изготовленные методами порошковой металлургии изделия обладают более высокими антифрикционными и диссипативными свойствами в сравнении с литыми того же состава. В порошковых сплавах появляется дополнительная возможность воздействия на трибологические и диссипативные свойства, эффект памяти формы через регламентированный фракционный состав: снижение исходного гранулометрического состава порошков сопровождается повышением прочности, снижением коэффициента трения при сохранении высоких диссипативных свойств, повышением эффекта запоминания формы, что объясняется явлениями сверхпластичности в граничном слое и отличным от литых фазовым составом под влиянием деформации. При использовании в изделиях порошковых сплавов реализуются дополнительные преимущества по сравнению с литыми, такие как возможность использования подшипников при маятниковом движении и низких скоростях скольжения, где литые подшипники не имеют сплошной масляной пленки, а также возможность установки в наклонно и вертикально расположенных подшипниковых опорах (в подобных условиях из подшипников скольжения, изготовленных из литых сплавов, вытекает смазка).
В названии заявки не указано способа получения металлургической заготовки и изделия. В тексте заявки указано, что изобретения относятся к традиционной и порошковой металлургии, что дает возможность использования любых способов получения компактной заготовки как методами традиционной, так и порошковой металлургии, в том числе и композиционного материала и изделий для варианта: «содержащее рабочую поверхность». У заявителя есть пример патента, который может быть использован при выборе способа получения материала и изделия - Патент №2008371 от 30.01.1994 г. «Многослойный композиционный материал, способ его изготовления и изделие, полученное из этого материала» [7].
Литература
1. Авторское свидетельство СССР, № SU - 1397534 A1, кл. С22С 38/16, 33/02, 1985.
2. Авторское свидетельство СССР, № SU - 1366549 A1, кл. С22С 37/10, 1982.
3. Патент РФ, № RU - 2023737 С1, кл. С22С 33/02, 38/04, 38/10, F16C 33/12, 1994.
4. Патент Японии №52 - 34341, кл. С22С 38/04, 1977.
5. Авторское свидетельство №1036064, кл. С22С 14/00, С22С 19/03, 1981.
6. Патент Японии, №62-14624, кл. С22С 38/24, 38/00, 38/60, В21D 39/20.
7. Патент РФ, №RU - 2006371 C1, В32В 13/18, В22 10/02, С22С 38/02, С22С 38/56, 1994.