ПОРОШКОВЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ
POWDER COMPOSITE MATERIAL

Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при получении деталей узлов трения из порошкового композиционного материала на основе медной матрицы, работающих при температуре до 350°C.
2
Известен высокоизносостойкий композиционный материал с пониженным трением на основе меди, содержащий в масс %: многостенные углеродные нанотрубки - 0,2-4,5, TiB 0.1-1.3 и 0,35-12,0 Sn (патент КНР №1425784).
Материал имеет хорошую износостойкость, низкий коэффициент трения, относительно высокую прочность на сжатие и на растяжение, умеренную твердость, однако недостатком данного композиционного материала является окомкование нанотрубок, что делает непригодным использование его при повышенных нагрузках.
3
Известен спеченный антифрикционный материал на основе алюминиевой бронзы, содержащий в вес.%: Al 8.0-8.5, FeAl 5.0-6.5, Cu - остальное (патент РФ №2155241).
Материал имеет хорошие триботехнические характеристики, но обладает невысокой износостойкостью.
Известен порошковый композиционный материал, содержащий алюминиевую матрицу, в которой распределены армирующие квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe. Армирующие частицы имеют размер 20-30 мкм (патент США №5851317).
Недостатком этого композиционного материала является невысокая степень термохимической стабильности и высокий коэффициент трения.
Наиболее близким к заявляемому является порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, упрочнитель в виде порошка железа с размером частиц 60-200 мкм и графит при следующем соотношении компонентов (масс.%): олово 2-5, графит 0-2, железо 30-60, медь - остальное.
Недостатком данного материала является грубая структура, благоприятная для пористых самосмазываемых подшипников, однако ухудшающая несущие свойства материала при работе с внешней смазкой. Наличие железа в качестве упрочнителя ухудшает триботехнические свойства изделия при трении по сталям, образуя с ними пары трения из близких по составу и свойствам материалов, что вызывает повышенную склонность трущихся поверхностей к схватыванию и приводит к увеличению коэффициента трения и повышенному износу детали.
Технической задачей изобретения является получение порошкового композиционного материала с низким коэффициентом трения в сочетании с высокой износостойкостью и прочностью при растяжении, работоспособного при температуре до 350°C.
2
3
Для решения поставленной задачи предложен порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, и упрочнитель, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит свинец, а в качестве упрочнителя используют квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, допированные B, и AlO при следующих соотношениях компонентов (масс.%):
квазикристаллы
5,0-6,0
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,0-1,5
матрица
ост.
Матрица имеет следующий химический состав (мас.%):
олово
0,9-1,2
свинец
18,0-22,0
медь
ост.
2
3
Размер частиц квазикристаллов и AlO не превышает 5 мкм.
2
3
2
3
Использование в качестве матрицы медного сплава, содержащего олово и свинец в указанных количествах, а также добавление в упрочнитель AlO позволяет узлам нагрузки выдерживать без заедания высокие удельные давления и скорости скольжения, работать в маловязких средах и при повышенных температурах (200-350°C). Олово и свинец по границам зерен образуют хорошо развитую, однородную по структуре эвтектику с благоприятной формой выделяющихся фаз. Квазикристаллы, дисперсностью менее 5 мкм, обладающие высокой твердостью и низким коэффициентом трения, дают значительное упрочение матрицы и снижают коэффициент трения. Допирование квазикристаллов бором позволяет поднять механические свойства квазикристалла, например модуль упругости увеличивается с 8,7 до 14,5, и дополнительно снизить коэффициент трения. Снижение размеров частиц упрочнителя улучшает трибологические характеристики. Введение AlO придает композиционному материалу дополнительное упрочнение.
Пример осуществления:
2
3
Порошок матрицы (93,5%) состава: 18.0% свинца, 1.2% олова и остальное - медь, смешали с порошком квазикристалла, допированного бором, (5%), и порошком AlO (1,5%), далее проводили механическое легирование смеси не менее 25 ч, горячее брикетирование при 150°C и давлении 500 МПа и экструзию при 150°C. Примеры 2, 3 аналогичны примеру 1.
уд
вращ
Порошковый композиционный материал испытывали в условиях торцового трения при P - 15 МПа, V - 0.31 м/с без смазки. Механические испытания проводились на установке «INSTRON-1195».
В таблице представлены составы порошкового композиционного материала, прототипа и их свойства.
Как видно из таблицы, предлагаемый порошковый композиционный материал имеет лучшие показатели, чем у прототипа по износу, коэффициенту трения, прочности на растяжение.
Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в узлах трения обеспечит их работоспособность в воздушной среде при температуре до 350°C, хорошими триботехническими характеристиками, и высокими механическими свойствами. Применение предлагаемого материала способно повысить надежность и ресурс деталей узлов трения.
Таблица
№
Состав упрочнителя мас.%
матрица
Состав матрицы, вес.%
Износ мкм/ч при P<sub>уд</sub>=15 МПа V=0.31 м/с
Коэффициент трения
Прочность на растяжениеσ<sub>в</sub> кг/мм
Квазикристаллы
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
Fe
гра-фит
Cu
Pb
Sn
1
5
1,5
-
-
93,5
ост.
18,0
1,2
0,30
0,18
18
2
5,5
1,2
-
-
93,3
ост.
20,0
1,0
0,2
0,15
20
3
6
1,0
-
-
93,0
ост.
22,0
0,9
0,18
0,11
21
4 (по прототипу)
-
-
50
1
-
44
-
5
0.37
0,25
12