Композиционные порошки на основе карбонитрида титана
COMPOSITE POWDERS BASED ON TITANIUM CARBONITRIDE

Изобретение относится к области порошковой металлургии и предназначено для производства износостойких сплавов на основе карбонитридов титана, работающих в сложных условиях динамического нагружения, высоких контактных давлений и скоростей при обеспечении стабильности фрикционных характеристик при изменении внешних условий по составу среды и температуре.
Известны различные износостойкие металлические материалы, получаемые методом порошковой металлургии и широко применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, сплавы типа ПК70, ПК40Х132, ВКЗ), а также другие аналоги, приведенные в научно-технической и патентной литературе [1-5]. Однако известные сплавы не обеспечивают требуемого уровня основных физико-механических и служебных характеристик получаемого материала в условиях длительного воздействия повышенных контактных давлений, температур и скоростей, что существенно снижает работоспособность и эксплуатационную надежность высоконагруженных подшипниковых конструкций и узлов сухого и граничного трения, используемых в судовом, транспортном и энергетическом машиностроении.
x
y
Известен порошковый материал системы TiCN (Авторское Свидетельство СССР на изобретение №609338, Кл. С22С 29/00, 1980 г.), содержащий в своем составе следующие элементы, мас.%:
Никель (Ni)
9,5-49,0
Молибден (Мо)
2,5-20,5
Карбонитрид титана TiC<sub>0,5</sub>N<sub>0,5</sub>
Остальное
Данный материал в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической и технологической документации рекомендуется использовать как конструкционный материал в машиностроительных отраслях промышленности и народного хозяйства [6-11] при производстве серийной металлопродукции общетехнического назначения. При этом известный материал характеризуется недостаточно высоким уровнем основных физико-механических и служебных свойств, которые во многом определяют его антифрикционные характеристики и, в первую очередь, износостойкость в условиях длительного динамического нагружения и воздействия высоких контактных давлений, температур и скоростей.
Наиболее близким к заявленной порошковой компонентной базе по химическому составу и функциональному назначению является материал на основе карбонитрида титана (Патент РФ на изобретение № RU 2509170 С1 от 10.03.2014 г. МПК С22С 29/04) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Никель (Ni)
4,0-5,5
Вольфрам (W)
47,0-49,5
Молибден (Мо)
3,0-4,0
Хром (Cr)
8,5-9,0
Железо (Fe)
8,0-10,0
Углерод (С)
2,3-2,4
Сера (S)
0,4-0,5
Карбонитрид титана TiC<sub>0,5</sub>N<sub>0,5</sub>
Остальное
При этом отношение молибдена (Мо) к сере (S) находится в пределах 7,5-8,0. Недостатком данного материала является большое содержание тяжелых металлов, что значительно повышает вес изделий и увеличивает нагрузки при действии центробежных сил.
Техническим результатом настоящего изобретения является создание износостойкого композиционного материала, обладающего улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, что обеспечивает более высокий уровень износостойкости и эксплуатационной надежности.
Поставленный технический результат в заявляемом изобретении достигается в результате того, что материал содержит вольфрам (W), селен (Se), галлий (Ga), индий (In) и карбонитрид титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Вольфрам (W)
20,0-30,0
Селен (Se)
2,5-3,0
Галлий (Ga)
4,5-6,0
Индий (In)
2,5-4,0
Карбонитрид титана TiC<sub>0,5</sub>N<sub>0,5</sub>
Остальное
При этом соотношение вольфрама (W) к селену (Se) находится в пределах 7,3-8,0.
Соотношение указанных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала формирование наиболее оптимального структурного состояния, требуемый уровень и стабильность его важнейших структурно-чувствительных свойств, во многом определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность, а также ресурсные характеристики создаваемых подшипниковых конструкций и высоконагруженных узлов трения.
0,5
0,5
Введение в заявленный материал легирующих и модифицирующих добавок вольфрама (W), селена (Se), галлия (Ga) и индия (In) в указанном концентрационном соотношении с другими компонентами и, в первую очередь, карбонитрида титана стехиометрического состава TiCN, являющегося основой заявленного материала, способствует созданию связующей матрицы эвтектического состава с температурой плавления до 1200°С, необходимого для повышения технологичности на стадии производства, а также улучшения всего комплекса заданных физико-механических свойств, определяющих его износостойкость в сложных условиях воздействия повышенных температур, давлений и сил трения.
2
Важным обстоятельством для обеспечения оптимальных условий длительной эксплуатации высоконагруженных узлов трения является наличие в составе и структуре износостойкого материала, получаемого методом порошковой металлургии, диселенида вольфрама (WSe), выполняющего роль твердой смазки, обеспечивающей низкий коэффициент трения в процессе рабочего взаимодействия высоконагруженных трущихся поверхностей. При этом введение в заявленную композицию галлия (Ga) и индия (In) в указанном в формуле изобретения соотношении способствует эффективному восстановлению рабочих поверхностей пар трения в условиях длительного воздействия высоких контактных давлений, что позволит обеспечить высокие ресурсные характеристики создаваемых подшипниковых узлов трения.
При этом полученный более высокий, по сравнению с известными материалами, уровень основных физико-механических и служебных свойств материала, необходимых в условиях длительного динамического нагружения и воздействия высоких контактных давлений, температур и скоростей, обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых модифицирующих добавок, а также контролированием чистоты материала по остаточным вредным примесям.
2
Расширение границ применимости и улучшение трибологических характеристик материалов достигнуто за счет введения в их состав веществ, активно влияющих на ход механохимических процессов на поверхности трения. Наиболее эффективными из них, как показали результаты испытаний, являются добавки галлия (Ga) и индия (In), причем легирование галлием (Ga) или его сплавами с индием (In) повышает стойкость к окислению диселенидов вольфрама (WSe) до 700-750°С, при этом улучшаются и прочностные свойства материала.
Повышение износостойкости модифицированных материалов обусловлено образованием тонкодисперсного порошка чистого вольфрама (W) в процессе термообработки композиции при температуре 500°С, антиокислительные добавки галлия (Ga) и индия (In) существенно повышают износостойкость, особенно при повышенных температурах.
0,5
0,5
Проведены испытания износостойкости заготовки-полуфабриката из материала, изготовленного из композиционного порошка на основе карбонитрида титана (TiCN).
0,5
0,5
Заготовку-полуфабрикат заявленного состава получали путем совместного помола предварительно синтезированной основы эвтектического состава из указанных компонентов и базовой основы карбонитрида титана (TiCN).
Помол проведен в среде этанола в лабораторной шаровой мельнице. Из полученной высушенной и пластифицированной массы, методом прессования, на промышленном прессовом оборудовании, изготовлены заготовки требуемой формы и размеров с последующим спеканием в вакуумной печи в температурном интервале от 1320 до 1350°С. Химический состав рассматриваемых материалов, а также результаты определения основных физико-механических свойств и трибологических характеристик представлены в таблицах 1 и 2.
Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанного износостойкого материала в машиностроительных отраслях промышленности и народного хозяйства выразится в повышении работоспособности и эксплуатационной надежности, а также ресурсных характеристик создаваемых подшипниковых конструкций и узлов пограничного и сухого трения в разрабатываемых образцах транспортной, энергетической и авиакосмической техники.
ЛИТЕРАТУРА
1. Авторское свидетельство №609338, М. Кл. С22С 29/00, 1980 г.
2. Патент RU 2509170 С1 МПК С22С 29/04. 2014 г. - прототип.
3. Макаренко Г.Н., Миллер Т.Н. В кн. «Карбиды и сплавы на их основе», Киев, Изд. «Наукова думка», 1976, с. 5-9.
4. Богомолов A.M., Резвых В.Ф., Шуваев А.П., и др. В кн. «Дисперсные порошки и материалы на их основе», Киев, Изд. «Наукова думка», 1982 г., с. 127-130.
5. Кипарисов С.С., Левинский О.Я., Петров А.П. «Карбид титана (получение, свойства и применение), М. Изд. Металлургия. 1987.
6. Эйдук О.Н., Липкес О.Я. В кн. Производство и применение твердых сплавов, М. Изд. Металлургия. 1981. с. 42-46.
7. Брейтуэйт Е.Р., Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия (перевод с англ.), Изд. Химия, 1967 г.
8. Вайштейн В.Э., Трояновский Г.И. Сухие смазки и самосмазывающиеся материалы, Изд. Машиностроение, 1968 г.
9. Боуден Ф., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел, Машиностроение. 1968 г.
10. Звездин Ю.И., Повышев И.А. Материалы для пар трения в вакууме. Сб. ст. Металловедение, №14, Изд. Судостроение, 1970.
11. Тузников А.Ф. Антифрикционные свойства различных материалов, Сб. ст.«Металловедение», №14, Изд. Судостроение, 1970.
12. Марченко Е.А., Лобова Т.А. Использование диселенидов тугоплавких металлов для обеспечения стабильности работы узлов трения. Сб. ст. Вестник научно-технического развития №5 (21), 2009.