СПЕЧЕННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
SINTERED COMPOSITE MATERIAL

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к спеченным композиционным материалам на основе порошковой легированной стали, содержащим антифрикционный наполнитель. Данные материалы находят весьма широкое применение во многих отраслях промышленности, например, в качестве подшипниковых узлов трения, в многочисленных втулках тормозных рычажных устройств грузовых и пассажирских вагонов железнодорожного транспорта и др.
Так, при эксплуатации вагонов, включая режимы торможения, в подвижных шарнирных сопряжениях возникает сложный трибологический процесс с вибрационными и качательными движениями валиков во втулках при одновременном неравномерном приложении нагрузок на внутреннюю поверхность втулки с усилием до 1,5 т.
Поэтому согласно действующим техническим требованиям /1-732-ЦВЦЛ. Общее руководство по ремонту тормозного оборудования вагонов/ материалы пар трения должны иметь высокие антифрикционные характеристики, обеспечивая надежность работы сопряжений в процессе длительной эксплуатации. Такого типа материалы в настоящее время в основном получают с использованием порошковой металлургии /2-732-ЦВ-ЦЛ. Общее руководство по ремонту тормозного оборудования вагонов; 3 - ГОСТ 26802-86. Материалы антифрикционные порошковые на основе железа. Марки/. Например, марка ПА-ЖГрДМс, содержащая 0,6…1,3% углерода, 2,0…3,5% меди, 1,5…2,0% дисульфида молибдена, остальное - железо. При пористости 15…25% известный материал имеет твердость по Бринеллю (НВ) не менее 700 МПа, предел прочности при растяжении не менее 200 МПа и рекомендуется для применения в режиме самосмазывания при давлении до 2 МПа при скоростях скольжения до 3 м/с. Коэффициент трения этого материала (в зависимости от количества смазки) составляет от 0,035 до 0,070. Но этот композиционный материал обладает недостаточным уровнем механической прочности и твердости применительно к подшипникам скольжения тормозных рычажных механизмов вагонов железнодорожного транспорта.
Известен также композиционный прессовочный материал КПМ по ТУ 2292-011-5686-7231 на основе фенолформальдегидной смолы, который имеет предел прочности при растяжении 82…83 МПа, твердость НВ от 314 до 363 МПа с пределом прочности при радиальном сжатии не менее 150 МПа /3/. Втулки, изготовленные из этого материала, рекомендованы для установки в тормозные рычажные передачи вагонов железнодорожного транспорта. Однако такой материал при сравнительно низком уровне прочности, твердости и износостойкости не может эффективно применяться/работать в условиях сложной динамики эксплуатации подвижного состава и в сложных климатических условиях (потенциально от -70 до +75°C).
3
Другой известный спеченный композиционный материал по ТУ 1792-015-13800624, включающий металлическую матрицу из некарбидообразующего металла, содержит термореактивную смолу, графит и углеродные наноструктуры, который при плотности 5,8…6,3 г/см имеет твердость НВ 150…245 МПа с пределом прочности при изгибе не менее 70 МПа /4-ТУ 2292-011-5686-7231-2007. Втулки из композиционного прессовочного материала. Технические условия/. Наличие в материале углеродных наноструктур в количестве 0,005…0,200% повышает его антифрикционные и электрофизические свойства: низкий коэффициент трения, удельное электрическое сопротивление не более 0,1 мкОм·м и др. Этот материал достаточно успешно применяется при изготовлении токосъемников на Московской монорельсовой дороге /5-ТУ 1792-015-13800624-2004. Заготовка токосъемника спеченная. Технические условия/. Однако ввиду сравнительно низких характеристик механической прочности и твердости применение такого материала в подшипниках скольжения тормозной рычажной системы вагонов нецелесообразно.
в
Наиболее близким по совокупности существенных признаков и достигаемому эффекту к заявленному материалу является спеченный композиционный материал по ТУ 32 ЦВ-2031-89, который включает матрицу из порошковой легированной стали марки ПА-Жгр1,2Д1,1Н1,7Мс1,5 с антифрикционной смазкой в виде индустриального масла в количестве не менее 1 мас.% /6 - патент №2281341. Спеченный композиционный материал. Опубл. 10.08.2006/. Указанный материал при пористости не более 20% имеет твердость НВ (883…1001) МПа, предел прочности при растяжении σ=(216…245) МПа и предназначен для работы в тормозной рычажной передаче вагонов железнодорожного подвижного состава, обращающихся со скоростями до 160 км/ч (44,5 м/с) в климатических условиях от -60 до +65°C.
Задача, с целью повышения износостойкости и надежности в эксплуатации спеченного композиционного материала, решается антифрикционным наполнителем, который содержит углеродные наномодификаторы фуллероидного типа (астралены) при следующем соотношении компонентов, мас.%: масло индустриальное 1,0…2,0; углеродные наномодификаторы фуллероидного типа 0,001…0,050; порошковая легированная сталь - остальное.
В качестве металлической матрицы используется порошковая легированная сталь (СПЛ), которая может содержать углерод, медь, никель, молибден, сульфиды и остальное - железо. В качестве антифрикционной смазки (наполнителя) композиция может содержать раствор углеродных наномодификаторов фуллероидного типа (астралены) в индустриальном масле, например марки И-40А или И-50 по ГОСТ 20799. Углеродные наномодификаторы, осаждаясь на неровностях поверхностей пар трения, заметно уменьшают концентрацию напряжений в поровом пространстве и одновременно увеличивают твердость и прочность композиционного подшипникового материала против истирания. Кроме того, поверхности трущихся деталей становятся более гладкими, уменьшаются шероховатость и коэффициент трения (в среднем на 15%).
Сама композиция получается следующим образом.
3
Смесь железного порошка марки АНС.100.29 (Швеция), графита (ГС-2, ГОСТ 8295-73), медного порошка ПМС-1 (ГОСТ 4960-75), никелевого порошка ПНК-1УТЗ (ГОСТ 9722-79), дисульфида молибдена (ТУ 48-18-133-85) и стеарата цинка (ТУ 6-09-17-257-88) - технологическая смазка и порообразователь - приготавливается в двухлопастном смесителе СМ-100 в течение часа. Из образовавшейся смеси прессуются втулки ⌀50/40,2×13 (подшипники скольжения) на прессе-автомате К-8130 до плотности 6,4…6,6 г/см. Прессованные втулки спекают в проходной печи австрийской фирмы «Эбнер» при температуре 1100°C с изотермической выдержкой в течение двух часов. В качестве защитного газа использовался диссоциированный аммиак, осушенный цеолитом натрия до точки росы минус 30…40°C.
Спеченные втулки пропитывались индустриальным маслом И-40А (ГОСТ 20799-88), в которое предварительно вводились путем тщательного перемешивания углеродные наноструктуры (астралены) (ТУ 2166-001-13800624-2003 /7/) в количестве 0,05…5,00 мас.%.
Для уменьшения овальности и обеспечения необходимой величины допуска по наружному диаметру втулки калибровались путем пропускания через фильеру на гидравлическом прессе. Полученные втулки испытывались в лабораториях Санкт-Петербургского государственного университета путей сообщения (ПГУПС). При испытании втулок на радиальное растяжение использовались реверсивное приспособление по методике ТУ 32 ЦБ-2031-89 и термокриокамера TCLN-328P к испытательной машине AG-KN.
1
4
Для проведения испытаний втулок на износ в лаборатории ПГУПС был создан специальный стенд с реверсивным качательным движением контртела (валика). При этом испытания пар трения «колодка-валик» проводили в следующих условиях: «колодка» - / часть втулки, «валик» - контртело диаметром 40,2 мм из стали 45, нагрузка на валик от 2 до 8 кг, частота нагружений 1,5 в секунду, время испытаний 270 мин, среда - комнатная.
Состав композиционного материала и его физико-механические свойства приведены в табл.1 и табл.2. При сравнении также оценивались физико-механические характеристики аналога и прототипа.
Таблица 1
№ п/п
Состав композиций, мас.%
Физико-механические свойства при 21°C
Примечание
Масло И-40А
Наномодификатор
Основа
Твердость НВ, МПа
Предел прочности при растяжении, МПа
Износ, мкм
Втулка
Валик
1
2,0
0,001
СПЛ
929
242
61
14
2
1,0
0,05
Та же
1059
276
51
15
3
1,5
0,02
Та же
1017
265
33
13
4
-
0,02*
Та же
990
258
142
54
Задир
5
-
-
Та же
895
236
1020
23
Задир
6
-
-
КПМ
338
82
177
17
7
1
-
СПЛ
883
230
63
14
*Наномодификатор вводили непосредственно в шихту.
Таблица 2
№ п/п
Наименование композиций материала
Предел прочности при растяжении σ, МПа
-70°C
+21°C
+80°C
1
СПЛ
203-245
207-253
218-242
2
СПЛ с Н
250-288
257-295
262-290
3
КПМ
70-72
82-83
74-75
Из приведенных данных видно, что втулки с наномодификатором (СПЛ с Н) по прочности (σ=250…295 МПа) в среднем на 19% превосходят втулки СПЛ (203…253) и в 3,5 раза - втулки из КПМ (70…83 МПа) во всем диапазоне температур испытания (от -70 до +75°C).
Таким образом, триботехнические испытания показали, что заявленный композиционный материал имеет низкий износ как композиции материала (втулки), так и контртела (валика) и достаточно высокий уровень твердости и прочности. Исключение из состава композиции углеродных наноструктур - астраленов - приводило к заметному увеличению износа как образца, так и контртела, к снижению твердости и прочности, а следовательно, к снижению надежности системы при эксплуатации, так как чем выше износостойкость, тем выше надежность и продолжительность эксплуатации материала. Из приведенных в табл.1 данных следует, что износ заявленного композиционного материала СПЛ с Н в среднем на 15% ниже, чем износ материала - прототип СПЛ по ТУ ЦБ-2031-89. Кроме того, отсутствие антифрикционного наполнителя в виде индустриального масла, как следует из таблицы, ведет к интенсивному износу пар трения и даже к появлению задиров. Опыты показали, что вводить углеродные наномодификаторы в состав композиционного материала без антифрикционного наполнителя нецелесообразно.
Следовательно, технический результат, получаемый в заявляемом изобретении, состоит в повышении износостойкости и надежности работы в эксплуатации как втулки (подшипника скольжения в паре с валиком), так и контртела (самого валика), что достигается за счет того, что спеченный композиционный материал, содержащий металлическую матрицу из порошковой легированной стали и антифрикционный наполнитель, содержит в себе углеродные наноструктуры фуллероидного типа (астралены) с указанным выше соотношением компонентов.
Источники информации
1. 732-ЦВ-ЦЛ. Общее руководство по ремонту тормозного оборудования вагонов.
2. 732-ЦВ-ЦЛ. Общее руководство по ремонту тормозного оборудования вагонов.
3. ГОСТ 26802-86. Материалы антифрикционные порошковые на основе железа. Марки.
4. ТУ 2292-011-5686-7231-2007. Втулки из композиционного прессовочного материала. Технические условия.
5. ТУ 1792-015-13800624-2004. Заготовка токосъемника спеченная. Технические условия.
6. Патент №2281341. Спеченный композиционный материал. Опубл. 10.08.2006.
7. ТУ 32 ЦВ-2031-89. Втулка из порошкового легированного материала. Технические условия.
8. ТУ 2166-001-13800624-2003. Наномодификаторы углеродные фуллероидные (астралены).