МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫЙ КОМПОЗИТ
METALLO-MATRIX COMPOSITE

Изобретение относится к композиционным материалам, в частности к металломатричным композитам. Может применяться в машино-, автомобилестроении, нефтехимической промышленности при производстве подшипников скольжения.
Известны металломатричные композиты, состоящие из алюминиевой матрицы и усиливающих элементов в виде порошка карбида кремния [Axel Kolsgaard, Stig Brusethaug Settling of SiC particles in an AlSi7Mg melt. Materials Science and Engineering, A 173 (1993), 213-219]. Такой металломатричный композит обладает хорошими антифрикционными свойствами, однако имеет низкую коррозионную стойкость.
Известен также металломатричный композит, содержащий медную матрицу и упрочняющие элементы из карбида кремния (патент РФ №2017852, МПК C22C 32/00, опубл. 15.08.1994, 3 с.). Такой металломатричный композит обладает повышенной износостойкостью по сравнению с обычными бронзами, но нетехнологичен при изготовлении и ремонте оборудования.
Наиболее близкими к заявляемому металломатричному композиционному материалу по назначению и составу являются сплавы на основе олова - баббиты по ГОСТ 1320-74 (ИСО 4383-91) [1], содержащие в своем составе следующие основные элементы, мас.%: сурьма 10,0-12,0, медь 5,5-6,5, олово остальное.
Данные сплавы рекомендуется использовать при изготовлении подшипников скольжения, работающих в различных, в том числе и тяжелонагруженных, машинах и агрегатах в различных отраслях промышленности и народного хозяйства. Однако сплавы на основе олова обладают низкими механическими свойствами и невысокой допускаемой температурой при эксплуатации
Задачей настоящего изобретения является создание металломатричного композиционного материала, обладающего улучшенными антифрикционными и механическими свойствами и повышенной температурной стойкостью. Получение композиционного металломатричного сплава с более высоким уровнем изложенных свойств обеспечивает повышение эксплуатационной надежности и общего ресурса работы машин и агрегатов, где используются подшипники скольжения.
Поставленная в заявке задача решается тем, что металломатричный композит, содержащий олово, сурьму, медь, дополнительно содержит частицы карбида кремния при следующем соотношении компонентов, мас.%: сурьма 10,0-12,0, медь 0,5 - 1,5, карбид кремния 1,0-15,0, олово остальное.
Предложенный композиционный материал изготавливали следующим способом. Баббит Б83 расплавляли в печи сопротивления под слоем древесного угля. После достижения температуры 350-400°С снимали покровный слой древесного угля и затем вводили порошок карбида кремния. Ввод порошка карбида кремния в расплавленный баббит производился механическим замешиванием. Полученный композиционный сплав выливали в металлическую форму. Из полученных слитков вырезали образцы для определения твердости и антифрикционных свойств.
Поставленный технический результат достигается тем, что вводимые в матрицу дисперсные частицы карбида кремния являются дополнительными, кроме интер-металлидов SnSb, точками опоры, располагающимися в мягкой матрице. На трущейся поверхности подшипника формируется шероховатость, приводящая к созданию микроподшипников, которые образуют микроклинья из смазки, переводя работу подшипников из режима граничного трения в жидкостный или полужидкостный. Микроклинья смазки, а также выступающие из мягкой основы твердые интерметаллиды SnSb и дисперсные частицы карбида кремния способны воспринимать большие, чем в известном сплаве, нормальные давления трущейся пары и снижать коэффициент трения, т.е. улучшать антифрикционные свойства металломатричного композиционного материала. При всем этом представилась возможность снизить содержание меди в сплаве без ущерба служебным свойствам.
В таблице 1 приведены варианты предлагаемого композиционного сплава.
Таблица 1
Компоненты
Состав, мас.%
Прототип
№ сплава
1
2
3
4
сурьма
10,0
10,5
11,0
12,0
11,0
медь
0,5
0,6
0,8
1,5
6,0
карбид кремния
1,0
5
10,0
15,0
-
олово
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
Результаты проведенных сравнительных испытаний представлены в таблице 2.
Таблица 2
Состав
Твердость, НВ
Максимальная нагрузка при испытаниях, МПа
Коэффициент трения
Температура масла, °С
Состав 1
25
4,0
0,03
45
Состав 2
30
5,0
0,03
48
Состав 3
40
10,0
0,02
55
Состав 4
50
13,0
0,01
85
Прототип
20
2,0
0,04
45
Как следует из данных таблицы 2, предлагаемый металломатричный композиционный материал обладает более высокой твердостью, допускает более высокие нагрузки при трении и более высокую температуру и одновременно имеет более низкий коэффициент трения.
Содержание карбида кремния в композите менее 1% не дает существенного снижения коэффициента трения, а увеличение концентрации более 15% приводит к ухудшению технологических свойств. Уменьшить содержание меди в композиционном сплаве с добавками карбида кремния представляется возможным благодаря появлению дополнительных опорных поверхностей, что приводит к повышению несущей нагрузки композита при меньшем содержании меди.