МЕТАЛЛОКОМПОЗИТНЫЙ ФРИКЦИОННЫЙ СПЛАВ
METAL-COMPOSITE FRICTION ALLOY

Изобретение относится к порошковой металлургии и производству сплавов черных металлов, в частности к получению фрикционной порошковой металлокомпозиции на основе железа, и может использоваться для изготовления деталей поглощающих аппаратов автосцепки железнодорожных грузовых вагонов.
Известен порошковый фрикционный сплав на основе железа (по патенту RU2356983, кл. С22С 33/02, опубл. 27.05.09), который содержит, 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
Недостатком данного материала является недостаточная прочность и низкая износостойкость при работе в режиме ударного-фрикционного износа.
Наиболее близким к предлагаемому сплаву является порошковый фрикционный сплав на основе железа (по патенту RU2644488, кл. С22С 33/02, опубл. 12.02.18), содержащий, мас.%:
Графит
,5-5
Олово
4,5-6
Свинец
4,5-6
Никель
0,5-1,5
Дисульфид молибдена
2-3
Диоксид кремния
1,5-2,5
железо
остальное
Недостатком данного материала является недостаточная износостойкость и невысокий коэффициент трения при работе в режиме ударного-фрикционного износа.
Предлагаемое изобретение направлено на решение задачи повышения прочности и улучшение триботехнических характеристик при работе в режиме ударного-фрикционного износа.  Техническим результатом является повышение прочности и износостойкости при увеличении значения коэффициента трения и стабильности коэффициента трения.
Поставленная задача достигается за счет того, что металлокомпозитный (порошковый) фрикционный сплав на основе железа, изготавливается прессованием и содержит графит, олово, свинец, никель, дисульфид молибдена, карбид вольфрама, хром, железо в следующем соотношении, мас.%:
Графит
4,5-6
Олово
2,5-5
Свинец
3,5-5
Никель
1,5-2,5
Дисульфид молибдена
2-4
Карбид вольфрама
1,5-2,5
Хром
0,5-1,6
Железо
остальное
Для целей настоящей заявки термины «металлокомпозитный», «металлокомпозиционный» и «металлокерамический» в отношении фрикционных сплавов признаются равнозначными.
Для изготовления порошкового металлокомпозитного фрикционного сплава используются порошковые материалы, выполняющие в композиции следующие функции:
Графит – порошок черного цвета. Графит имеет слоистую пористую структуру и процесс ударно-фрикционного трения выступает в роли твердой смазки, препятствуя молекулярному схватыванию трущихся поверхностей. Содержание в металлокомпозите графита менее 4,5 % приводит к уменьшению смачиваемости поверхности трения, что снижает показатели стабильности коэффициента трения. При увеличении количества графита более 6 % снижается прочность композиции.
Свинец – порошок темно-серого цвета с температурой плавления 600К. Содержание свинца в составе металлокомпозитных фрикционных сплавах увеличивает общую прочность материала и повышает его износостойкость. В определенных пропорциях положительно влияет на коэффициент трения. Введение в состав сплава менее 3,5% приводит к уменьшению прочности и износостойкости, а при введении свинца более 5% уменьшает коэффициент трения.
Олово – порошок серого цвета с температурой плавления 505К. Олово имеет низкую температуру плавления, и хорошо смачивает неметаллические включения в процессе спекания изделий, образуя при трении рабочий слой повышающий износостойкость. Так же олово обеспечивает положительное влияние на комплекс механических свойств по всей глубине сплава и предохраняющей поверхность трения от интенсивного изнашивания. Содержание олова в порошковом металлокомпозитном сплаве менее 2,5 % приводит к снижению износостойкости и механических свойств. Введение в состав более 5 % олова не оказывает существенного влияния свойства металлокомпозитного порошкового сплава и может приводить к снижению коэффициента трения.
Никель – порошок темно-серого цвета. Добавление никеля увеличивает прочность и пластичность металлокомпозиционного сплава. Добавление менее 1,5 % практически не влияет на механические свойства, тогда как добавка более 2,5 % не приводит к дальнейшему улучшению свойств сплава.
Дисульфид молибдена – порошок серого цвета с температурой плавления 1458К. Дисульфид молибдена служит в процессе фрикционного трения твердым смазочным материалом, препятствующим молекулярному схватыванию поверхностей, и способствует укреплению каркаса сплава, обеспечивая повышение прочности спеченного металлокомпозитного материала. Порошок дисульфида молибдена имеет массу преимуществ перед другими смазочными материалами, а именно: обладает высокими эксплуатационными характеристиками, применяется в широком температурном диапазоне (от -185° до +450° С),  значительно уменьшает износ и трение механизмов, для улучшения скольжения добавляется к шарнирам и пластикам, не подвергается горению и др. Содержание в сплаве дисульфида молибдена менее 2 % значительно уменьшает износостойкость, а при его содержании более 4 % может приводить к образованию твердых карбидов приводящих к снижению механических свойств в высокотемпературных интервалах работы металлокомпозитного сплава.
Карбид вольфрама – порошок серого цвета может применяться в двух кристаллографических вариантах: с кубической (полукарбид) и гексагональной (монокарбид) решетками. Обе модификации встречаются в температурном диапазоне 2525 – 2755°С. Карбид вольфрама отличается хрупкостью, но под влиянием нагрузки проявляет пластичность полосами скольжения. Карбиды вольфрама обладают высокой твердостью и теплостойкостью, а также коррозионной и химической стойкостью. Введение в состав порошка вольфрама увеличивает коэффициент трения и его стабильность, уменьшает схватываемость изделий при трении.
Хром – введение порошка хрома в небольших пропорциях положительно влияет на коррозионные свойства сплава и прочность композиции. Так же хром упрочняет матрицу порошкового сплава посредством образования твердого раствора. Кроме того, хром увеличивает стойкость к окислению и повышает триботехнические характеристики изделия. Введение вольфрама менее 1,5 % снижает износостойкость, при вводе его более 2,5 может уменьшаться пластичность и снижаться механические свойства сплава.
Железо – порошок серебристого цвета с температурой плавления около 1600К классов М, БМ. Железо является основным связующим компонентом и обеспечивает общую прочность порошкового сплава.
Для изготовления металлокомпозитного фрикционного сплава повышенной прочности используются порошковые материалы в соответствии с таблицей 1:
Таблица 1
Материал
ГОСТ
Марка
Графит литейный
ГОСТ 5479-74
ГЛ-1, ГСМ-1, ГСМ-2
Оловянный порошок
ГОСТ 9723-73
ПО1, ПО2
Свинцовый порошок
ТУ 48-6-123-91
ПС1, ПС2
Никелевый порошок
ГОСТ 9722-97
ПНЭ-1, ПНЭ-2
Дисульфид молибдена
ТУ 48-19-135-85
ДМИ-7, ДМС-140
Диоксид кремния
ГОСТ 2138-91
1К, 2К, 3К
Железный порошок
ГОСТ 9849-86
М, БМ
Вольфрам
ТУ 48-19-72-92
ПВВ
Хром
ГОСТ 14-1-1474-75
ПХ1, ПХ2
Указанные свойства компонентов, вводимых в предлагаемый состав в предлагаемом соотношении, обеспечивают повышение прочности и износостойкости при увеличении значения коэффициента трения и стабильности коэффициента трения.
В предпочтительном варианте применения изобретения металлокомпозитный фрикционный сплав готовят перемешиванием исходных порошков, прессованием полученной шихты использованием технологии индукционного нагрева стальных пресс-форм при удельном давлении около 700–750 МПа. Спекание проводят в вакууме 30–100 Па при температуре около 1400–1450 К под давлением около 1 МПа в течении 1,5–2 часа, далее давлении повышается до 1,4–1,6 МПа в течении 1–1,5 часа. Охлаждение спеченного сплава после выдержки осуществляется в вакууме под давлением около 1,4–1,6 МПа. Извлекать изделия следует после полного остывания, спекаемого металлокомпозитного сплава.
Исследования фрикционных характеристик проводили на машине трения модели 2168 УМТ в соответствии с ГОСТ 30480-97 «Обеспечение износостойкости изделий. Методы испытаний на износостойкость». Начальная скорость трения 5 м/с и давление 30 МПа. По результатам испытаний определялись: износ (потеря массы); средний коэффициент трения в паре со сталью; стабильность коэффициента трения. Твердость определялась по ГОСТ 9013-59 «Металлы. Метод измерения твердости по Роквеллу». Твердость металлокомпозита замеряется на приборе Роквелла диаметром шарика 1,5875 мм при общей нагрузке 60кГс (588,4 Н) по шкале F, согласно требованиям предъявляемым к данным деталям, твердость должна быть в пределах 70–100 по шкале F. Условное обозначение по шкале F прибора Роквелла: 80…120 HRF 1,5875:60.
Применение. Металлокомпозитный фрикционный сплав по заявляемому изобретению можно применять в металлокомпозитных брикетах неподвижной пластины поглощающего аппарата. На фиг. 1 и 2 показан поэлементный химический анализ микроструктур образца металлокомпозитного брикета, полученный методом электронного анализа на растровом сканирующий электронном микроскопе с ЭДС системой химического анализа Tescan MIRA 3LMU.
Применение нового химического состава металлокомпозитного брикета и усовершенствованной технологии изготовления позволило существенно повысить адгезионные свойства спекаемых материалов, при этом глубина проникновения активных частиц металлокомпозитного сплава (фиг. 3) составляет около 1 мм.
Пример. Для экспериментальной проверки свойств предполагаемого металлокомпозитного фрикционного сплава на основе железа подготовили шесть смесей ингредиентов. В таблице 2 представлены полученные результаты для предлагаемого сплава (п. 1, 2), данные по аналогу (п. 3, 4) и прототипу (п. 4-6).
Таблица 2
№ п/п
Химический состав, мас.%
Износ, грамм.
Средний коэффициент трения
Стабильность коэффициента трения
Твердость, HRF
С
Sn
Pb
Ni
MoS<sub>2</sub>
SiO<sub>2</sub>
WC
Cr
Fe
1
5
5
4,3
2
2,5
-
2
1,4
ост.
0,037
0,34
0,89
93
2
5
4
4
2,5
2
-
2,5
1,5
ост.
0,035
0,36
0,88
95
3
4
5
2
-
2,5
3
-
-
ост.
0,045
0,28
0,84
79
4
4
5
2
-
3
3
-
-
ост.
0,048
0,31
0,85
82
5
4
5,5
5
1
2,5
2
-
-
ост.
0,041
0,27
0,88
86
6
4
5,5
5
1
3
2
-
-
ост.
0,037
0,29
0,88
88
Результаты испытаний свидетельствуют о том, что предлагаемый металлокомпозитный фрикционный сплав (п. 1-2) по сравнению с аналогом и прототипом позволяет примерно на 15 % снизить износ при сопоставимых значениях коэффициента трения и стабильности коэффициента трения. Кроме того, предлагаемый металлокомпозитный фрикционный сплав обладает повышенной твердостью примерно на 10 % по сравнению с аналогом и прототипом. Что в свою очередь выражается в повышении работоспособности и эксплуатационной надежности поглощающих аппаратов автосцепки грузовых железнодорожных вагонов. Применение металлокомпозитного фрикционного сплава позволит снизить затраты на ремонт, связанный с заменой износостойких фрикционных элементов аппарата.