ФРИКЦИОННЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ РОМАНИТ-ФУВЛХЧ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
ROMANIT-FUVLHCH FRICTION COMPOSITE MATERIAL AND METHOD OF PRODUCTION THEREOF

Изобретение относится к композиционным фрикционным материалам на железной основе, изготавливаемых методом порошковой металлургии, и может найти применение на железнодорожном транспорте во фрикционных узлах поглощающих аппаратов автосцепки железнодорожных транспортных средств, в машиностроении, сельскохозяйственном машиностроении в тормозных и передаточных узлах различных машин и механизмов.
Анализ научно-технической информации показал, что в настоящее время не существует порошковых экологически чистых фрикционных материалов на железной основе, позволяющих варьировать коэффициентом трения в значительных пределах, в зависимости от условий эксплуатации, и обеспечивающих необходимый ресурс работы контактирующей пары в условиях ударного трения и при высоких скоростях скольжения. Нормальная эксплуатация таких материалов в различных климатических условиях при сухом трении возможна в случае высокой их прочности, высокой фрикционной теплостойкости, высокой стойкости против истирания, высокой коррозионной стойкости и способности не коррозировать с сопряженными деталями, при отсутствии схватывания (свариваемости) как в процессе, так и после торможения.
В связи с этим задача создания экологически чистых фрикционных материалов, обладающих указанными выше трибологическими характеристиками, является весьма актуальной.
2
3
2
Известен фрикционный материал в виде спеченных порошков железа, графита, карбида кремния SiC, муллита AlO, дисульфида молибдена MoS, свинца и олова, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Железо
60-70
Графит
10-25
Карбида кремния SiC
до 20
2
3
2
Остальное: муллит AlO, дисульфид молибдена MoS, свинец и олово [см. пат. США №3341931 по классу НКИ 49-420 опубликованный в 1967 году].
Недостатком описанного материала низкая механическая прочность получаемого фрикционного материала, так как при введении в состав материала четырех и более мас. % графита материал крайне плохо прессуется, становится рыхлым и обладает низкими прочностными характеристиками. Кроме того, из-за низкой температуры плавления олова (232°C) и свинца (327°C), невозможно спечь порошковый материал с содержанием железа 60-70 мас. %, температура спекания которого составляет 0,7 температуры плавления железа и составляет 1075°C, а при этой температуре олово и свинец интенсивно испаряются и, в результате, получается фрикционный материал крайне низкой прочности, неспособный работать в условиях ударного трения.
Известен также фрикционный материал в виде спеченных порошков железа, меди, графита, молибдена и олова, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Железо
31,25
Медь
31,25
Графит
10
Молибден
5
Свинец
2,5
Окалина
20
возможны висмут, кадмий, свинец [см. пат. США №3021592 по классу НКИ кл. 29 опубликованный в 1962 году].
Недостатком описанной композиции является низкая механическая прочность получаемого фрикционного материала, так как при введении в состав материала четырех и более мас. % графита материал крайне плохо прессуется, становится рыхлым и обладает низкими прочностными характеристиками и не в состоянии работать в условиях ударного трения.
Известен порошковый фрикционный сплав на основе железа в виде спеченных порошков железа, олова, дисульфида молибдена, двуокиси кремния и графита, при следующем соотношении компонентов, мас. %:
Олово
9-11
Дисульфид молибдена
1,5-3
Двуокись кремния
2-4
Графит
4-5
Железо
остальное
[см. пат. России №2034086 по классам С22, С33/02 опубликованный 30.04.1995 года].
Недостатком описанного материала низкая механическая прочность получаемого фрикционного материала, так как при введении в состав материала четырех и более мас. % графита материал крайне плохо прессуется, становится рыхлым и обладает низкими прочностными характеристиками и не в состоянии работать в условиях ударного трения. Кроме того, из-за низкой температуры плавления олова (232°C), невозможно спечь порошковый материал с содержанием железа 77 и более мас. %, температура спекания которого составляет 0,7 температуры плавления железа и составляет 1075°C, а при этой температуре олово интенсивно испаряется и в результате получается фрикционный материал крайне низкой прочности, неспособный работать в условиях ударного трения. Все это подтверждается ресурсными испытаниями аппаратов поглощающих ГТМКП-110. После введения энергии 50 МДж элементы металлокерамические из этого материала растрескиваются и рассыпаются.
Наиболее близким по своей сущности и достигаемому эффекту, принимаемым за прототип, является фрикционный материал на основе железа в виде спеченных порошков железа, меди, графита, фосфора и каменноугольной золы, при следующем содержании компонентов, мас. %:
Медь
6,8-22
Графит
5,4-19
Фосфор
0,1-0,4
Зола
0,3-1,5
Железо
остальное
причем 1,8-12 мас. % меди и 2,4-14 мас. % графита входят в материал в виде гранул размером 0,4-1,2 мм [см. пат. России №2049141 по классам С22, С33/02 опубликованный 27.11.1995 года].
Недостатком описанного технического решения является следующее: недостаточная износостойкость, низкая прочность материала из-за содержания такого количества золы (0,3-1,5 мас. % золы соответствует 2,5-11,5 об. % золы в материале), что обуславливает низкую прочность материала и невозможность воспринимать динамические нагрузки, крайне низкая пластичность материала, в связи с чем этот материал не нашел широкого применения в технике.
В основу изобретения поставлена задача создать, в первую очередь, фрикционный композиционный материал, в виде спеченных порошков железа, фосфора, графита с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, в котором путем дополнительного введения меди, упрочненной хромистым чугуном, твердой смазки, упрочняюще-легирующих компонентов, волокон и нитей углеродных и гранитного концентрата и соответствующего подбора компонентов получают фрикционный композиционный материал, обладающий высокой механической прочностью, повышенной износостойкостью, высоким коэффициентом трения и обладающий способностью воспринимать большие динамические нагрузки.
Другой задачей изобретения является создание такого способа получения фрикционного композиционного материала, в котором медный порошок, упрочненный хромистым чугуном, твердая смазка, упрочняюще-легирующие компоненты, волокна и нити углеродные и гранитный концентрат смешиваются с матричной шихтой, содержащей порошки железа, с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, при определенном соотношении компонентов образуется фрикционный композиционный материал, обладающий высокой механической прочностью, повышенной износостойкостью, высоким коэффициентом трения и обладающий способностью воспринимать большие динамические нагрузки.
Еще одной задачей изобретения является создание такого фрикционного металлокерамического элемента, в котором путем использования фрикционного композиционного материала, полученного путем подбора компонентов и определенного способа получения этого материала, достигается разная величина коэффициента трения при рабочем и холостом ходе металлокерамического элемента.
Поставленная задача решается тем, что в известном фрикционном материале в виде спеченных порошков железа, фосфора, графита с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, согласно предложению, он дополнительно содержит медь, упрочненную хромистым чугуном, твердую смазку, упрочняюще-легирующие компоненты, волокна и нити углеродные, гранитный концентрат, при следующем соотношении компонентов в материале, мас. %:
Медь с хромистым чугуном
0,50-30,00
Твердая смазка
0,16-3,50
Упрочняюще-легирующие компоненты
0,50-5,40
Волокна и нити углеродные
0,50-15,00
Гранитный концентрат
1,00-15,00
Гранулы
2,00-24,00
Железо
остальное,
при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас. %:
Медь
37,0-60,0
Графит
остальное,
при этом медь с хромистым чугуном имеет следующее соотношение компонентов в порошке:
Хромистый чугун
5,0-17,0
Медь
остальное,
в качестве твердой смазки выбирают, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы графит, дисульфид молибдена, соединения четырехвалентного молибдена (IV), сульфиды металлов, серу,
в качестве упрочняюще-легирующих порошкообразных компонентов выбирают, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы белый фосфор, красный фосфор, черный фосфор, металлический фосфор (ферро-фосфор), ультрадисперсные алмазы (УДА).
Еще одна задача решается тем, что получение фрикционного материала, включающем получение порошка меди, упрочненного хромистым чугуном, путем совместного расплавления меди и хромистого чугуна и последующего распыления полученного расплава на установке ударного дробления УДГ и последующим смешиванием с матричной шихтой, согласно предложению, содержащей порошки железа, твердой смазки, упрочняюще-легирующих компонентов, волокна и нити углеродные и гранитный концентрат.
Еще одна задача решается тем, что в известном способе получения фрикционного материала, включающем получения гранул путем гранулирования первой смеси порошков, содержащей порошки графита и меди, смешивание гранул со второй смесью порошков, содержащей порошки железа, меди, упрочненной хромистым чугуном, твердую смазку, упрочняюще-легирующие компоненты, волокна и нити углеродные и гранитный концентрат, формование и спекание полученной шихты, согласно предложению, первую смесь порошков, содержащую, мас. %:
Порошок меди
37,0-60,0
Порошок графита
остальное
гранулируют с получением гранул размером 0,4-2,0 мм, гранулы смешивают со второй смесью порошков, которая дополнительно содержит медь, упрочненную хромистым чугуном, твердую смазку, упрочняюще-легирующие компоненты, волокна и нити углеродные, гранитный концентрат при следующем соотношении компонентов в материале, мас. %:
Медь с хромистым чугуном
0,50-30,00
Твердая смазка
0,16-3,50
Упрочняюще-легирующие компоненты
0,50-5,40
Волокна и нити углеродные
0,50-15,00
Гранитный концентрат
1,00-15,00
Гранулы
2,00-24,00
Железо
остальное
при следующем соотношении, мас.ч.:
Гранулы: вторая смесь порошка
1:50 - 1:3,
в качестве твердой смазки выбирают, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы графит, дисульфид молибдена, соединения четырехвалентного молибдена(IV), сульфиды металлов, сера, в качестве упрочняюще-легирующих порошкообразных компонентов выбирают по меньшей мере один материал, выбранный из группы белый фосфор, красный фосфор, черный фосфор, металлический фосфор (феррофосфор), ультрадисперсные алмазы (УДА).
Предпочтительно первую смесь порошков, известным способом, гранулируют путем пропускания между калиброванными валками прокатного стана.
Формование шихты, в соответствии с изобретением, может быть выполнено путем прокатывания дозированными порциями между валками прокатного стана.
Предпочтительно шихту спекают при температуре 1000-1100°C.
Еще одна задача решается тем, что в известном элементе узла трения, включающем несущий элемент с напеченным слоем фрикционного материала из спеченных порошков железа, графита с локализованными включениями гранул, содержащих медь и графит, согласно предложению, дополнительно содержит порошки меди, упрочненной хромистым чугуном, твердую смазку, упрочняюще-легирующие компоненты, волокна и нити углеродные и гранитный концентрат, при следующем соотношении компонентов в материале, мас. %:
Медь с хромистым чугуном
0,50-30,00
Твердая смазка
0,16-3,50
Упрочняюще-легирующие компоненты
0,50-5,40
Волокна и нити углеродные
0,50-15,00
Гранитный концентрат
1,00-15,00
Гранулы
2,00-24,00
Железо
остальное,
при этом гранулы имеют размер 0,4-2,0 мм при следующем соотношении компонентов в теле гранул, мас. %:
Медь
37,0-60,0
Графит
остальное,
при этом медь с хромистым чугуном имеет следующее соотношение компонентов в порошке, мас. %:
Хромистый чугун
5,0-17,0
Медь
остальное,
в качестве твердой смазки выбирают, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы графит, дисульфид молибдена, соединения четырехвалентного молибдена(IV), сульфиды металлов, серу,
в качестве упрочняюще-легирующих порошкообразных компонентов выбирают, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы белый фосфор, красный фосфор, черный фосфор, металлический фосфор (ферро-фосфор), ультрадисперсные алмазы (УДА).
Предпочтительно несущий элемент выполнен из низкоуглеродистой стали.
Толщину несущего элемента выбирают в пределах 1,0-7,0 мм, при этом толщина рабочего слоя 1,0-12,0 мм.
Введение во фрикционный материал в качестве основы меди, легированной хромистым чугуном, обусловлено тем, что, введение хромистого чугуна в медь в сотни раз упрочняет медь увеличивая ее микротвердость, искажает кристаллическую решетку меди, активизируя диффузионные процессы, протекающие при спекании меди и, как результат, значительно улучшает прочностные свойства меди и стабилизирует коэффициент трения материала в заданном диапазоне трения.
В ведение во фрикционный материал в качестве твердой смазки порошкообразных компонентов одного из материалов, выбранного из группы графит, дисульфид молибдена, соединения четырехвалентного молибдена(IV), сульфиды металлов, сера обусловлено тем, что эти материалы предотвращают схватывание сопрягаемых поверхностей, предотвращают появление на этих поверхностях задиров и значительно уменьшают износ этих поверхностей.
Предельные содержания в материале твердой смазки порошкообразных компонентов одного из материалов, выбранного из группы графит, дисульфид молибдена, соединения четырехвалентного молибдена(IV), сульфиды металлов, сера определены экспериментальным путем исходя из условий сохранения величины требуемого коэффициента трения.
3
3
В ведение во фрикционный материал в качестве упрочняюще-легирующих порошкообразных компонентов одного из материалов, выбранного из группы белый фосфор, красный фосфор, черный фосфор, металлический фосфор (феррофосфор), ультрадисперсные алмазы (УДА) обусловлено тем, что фосфор активирует спекание материала, сильно повышает скорость диффузионных процессов, происходящих в α-фазе (примерно в 100 раз), резко снижает температуру спекания, упрочняет феррит в 290 раз, образует фосфид меди, твердость которого выше твердости меди. Фосфор взаимодействует с медью, железом и образует сложные соединения в системах Fe-FeP, Cu-CuP, что значительно увеличивает твердость и прочность материала. Влияние ультрадисперсных алмазов (УДА) на упрочнение феррита аналогично фосфору, только отличается механизмом. Введение ультрадисперсных алмазов (УДА) сильно искажает кристаллическую решетку железа, повышает его твердость и увеличивает фрикционные свойства материала.
Введение во фрикционный материал гранитного концентрата обеспечивает заданные фрикционные свойства материала. Совместное введение в материал гранитного концентрата и упрочняюще-легирующей добавки, по меньшей мере, одного материала, выбранного из группы белый фосфор, красный фосфор, черный фосфор, металлический фосфор (феррофосфор), ультрадисперсные алмазы (УДА) многократно увеличивает коэффициент трения материала.
Предельные содержания упрочняюще-легирующих компонентов определены экспериментальным путем, в связи с ограниченной растворимостью фосфора в железе и меди и требуемым увеличением коэффициента трения материала.
Волокна и нити углеродные введены в материал с целью предотвращения растрескивания материала при повышении температуры при трении. При трении температуры в зоне трения достигают 900°C, что приводит к растрескиванию композиционного материала. Волокна и нити углеродные предотвращают это явление.
Предельные содержания волокон и нитей углеродных определены экспериментальным путем исходя из возможности прессования фрикционного материала при их введении.
Гранулирование, известным способом, первой смеси порошков до размера гранул 0,4-2,0 мм путем пропускания между калиброванными валками прокатного стана и смешивание далее со второй смесью порошков, содержащих дополнительно порошки меди, легированной хромистым чугуном, твердую смазку, упрочняюще-легирующие компоненты, волокна и нити углеродные, гранитный концентрат, прокатывание шихты дозированными порциями между валками прокатного стана и спекание полученной шихты при температуре 1000-1100°C в среде защитного газа позволяет получить в конечном результате фрикционный материал с заданным коэффициентом трения, обладающий высокой износостойкостью, механической прочностью и обладающего способностью восстанавливать вторичные структуры, и как результат, значительное снижение износа контактирующих пар трения и значительно превышающим по фрикционным характеристикам известные современной науке материалы.
Материал фрикционного элемента с несущим элементом с напеченным фрикционным слоем позволяет получить при рабочем ходе заданный коэффициент трения, при возвратном ходе снижение коэффициента трения в 2-2,5 раза, что особенно важно для работы элементов металлокерамических в поглощающих аппаратах грузовых вагонов, что позволяет резко снизить износ контактирующих пар трения.
Спеченный фрикционный материал, согласно предложению, получают следующим образом:
Медь и хромистый чугун, согласно предложению, расплавляют в плавильной электрической печи и затем распыляют на установке ударного дробления УУД с получением порошка следующего состава, в мас. %:
Хромистый чугун
5,0-17,0
Медь
остальное
Смесь порошков меди и графита в количестве, мас. %:
Медь
37,0-60,0
Графит
остальное
известным способом, пропускают между калиброванными валками прокатного стана для получения гранул размером 0,4-2,0 мм.
Порошки меди, упрочненные хромистым чугуном, твердую смазку, упрочняюще-легирующие компоненты, волокна и нити углеродные, гранитный концентрат, порошок железа добавляют во вторую смесь порошков. Эту смесь загружают в смеситель и производят сухое смешивание. Затем, известным способом, добавляют увлажнитель и производят мокрое смешивание.
Гранулы смешивают со второй смесью порошка, содержащей мас. %:
Медь с хромистым чугуном
0,50-30,00
Твердая смазка
0,16-3,50
Упрочняюще-легирующие компоненты
0,50-5,40
Волокна и нити углеродные
0,50-15,00
Гранитный концентрат
1,00-15,00
Гранулы
2,00-24,00
Железо
остальное
При этом соотношение гранул и второй смеси порошков выбирают из известного способа 1:50-1:3.
Полученную шихту сначала формуют, прокатывая дозированными порциями между валками прокатного стана, а затем спекают при температуре 1000-1100°C в проходной печи в среде защитного газа.
Для получения спеченного фрикционного материала полученную шихту насыпают через дозатор на подготовленную по существующему способу поверхность стального листа из низкоуглеродистой стали нужной формы толщиной 1-7 мм, прессуют и затем спекают при температуре 1000-1100°C в проходной печи в среде защитного газа. При этом толщина рабочего слоя материала токосъемного составляет 1,0-12,0 мм.
Таким образом, изобретение позволяет создать материал для фрикционных изделий, обладающий высокой механической прочностью, повышенной износостойкостью, высоким коэффициентом трения и обладающий способностью воспринимать большие динамические нагрузки с разной величиной коэффициента трения при рабочем и холостом ходе металлокерамического элемента.