МЕТАЛЛОМАТРИЧНЫЙ КОМПОЗИТ
METAL 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 AISi7Mg melt. Materials Science and Engineering, A173 (1993) 213-219]. Такой металломатричный композит обладает хорошими антифрикционными свойствами, однако имеет низкую коррозионную стойкостью.
Известен также металломатричный композит, содержащий медную матрицу и упрочняющие элементы из карбида кремния (патент РФ №2017852, МПК С22С 32/00, опубликованный 15.08.1994, 3 стр.). Такой металломатричный композит обладает повышенной износостойкостью по сравнению с обычными бронзами, но нетехнологичен при изготовлении и ремонте оборудования.
Наиболее близким к заявляемому металломатричному композиционному материалу по назначению и составу является сплав на основе олова - баббит (патент РФ №2367696, МПК С22С 13/00, С22С 1/05, опубликованный 20.09.2009), содержащий в своем составе следующие основные элементы, мас.%
сурьма - 10,0-12,0
медь - 0,5-1,5
карбид кремния 1,0-15,0
олово - остальное.
Данный сплав рекомендуется использовать при изготовлении подшипников скольжения, работающих в различных в том числе и тяжелонагруженных машинах и агрегатах в различных отраслях промышленности и народного хозяйства. Этот сплав обладает хорошими антифрикционными и механическими свойствами и температурной стойкостью. Однако данный сплав обладает низкими коэффициентом трения при работе в условиях ограниченной смазки и невысокой допускаемой температурой при эксплуатации. Например, для изготовления крупногабаритных изделий антифрикционного назначения, например, судовых опорных подшипников гребных валов диаметром до 0,7 м, торцевых уплотнений гидротурбин диаметром до 4,0 м, подшипников скольжения судовых рулей, подшипников направляющих аппаратов гидротурбин, насосов и др., обычно используют баббиты. Однако узлы, изготовленные из баббитов, работают только при использовании масляной смазки. В условиях экстремальных нагрузок иногда масляной смазки недостаточно и проявляется явления схватывания, что ведет к появлению задиров трущейся пары, ухудшения ее работы и очень часто к поломке узла.
Задачей настоящего изобретения является создание металломатричного композиционного материала, обладающего улучшенными антифрикционными и механическими свойствами и повышенной температурной стойкостью в условиях, когда пара трения работает в условиях ограниченной смазки или кратковременного сухого трения. 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, работающие в условиях ограниченной смазки.
Поставленная в заявке задача решается тем, что металломатричный композит, содержащий олово, сурьму, медь, карбид кремния дополнительно содержит углеродные нанотрубки, при следующем соотношении компонентов, масс.%
сурьма - 10,0-12,0
медь - 0,5-1,5
карбид кремния - 1,0-15,0
углеродные нанотрубки - 0,5-10,0
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 подготовленные брикеты порошка карбида кремния и нанотрубок. Ввод брикетов порошка карбида кремния и углеродных нанотрубок в расплавленный баббит сопровождался 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 углеродные нанотрубки являются дополнительным инградиентом для уменьшения коэффициента трения работающей пары в условиях ограниченной или ограниченной сухой смазки. Располагающиеся в мягкой матрице на границе трущейся поверхности подшипника углеродные нанотрубки формируют слой, приводящий к снижению коэффициента трения, за счет природного низкого коэффициента трения углерода, переводя работу подшипников из режима граничного трения в жидкостной или полужидкостной. Микроклинья углеродных нанотрубок, 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 даже в условиях ограниченной смазки или кратковременной сухой смазки. В таблице 1 приведены варианты предлагаемого композиционного сплава.
Содержание углеродных нанотрубок в композите менее 0,5% не дает существенного снижения коэффициента трения в условиях ограниченной смазки, а увеличение концентрации более 10,0% приводит к ухудшению технологических свойств.
Результаты проведенных сравнительных испытаний представлены в таблице 2. Как следует из данных таблицы 2, предлагаемый металломатричный композиционный материал обладает более высокой твердостью, допускает более высокие нагрузки при трении в условиях ограниченной смазки и более высокую температуру, и одновременно имеет более низкий коэффициент трения.
Таблица 1
Компоненты
Состав, мас.%
Прототип
№ сплава
1
2
3
4
сурьма
10,0
10,0
10,0
10,0
10,0
медь
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
карбид кремния
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
углеродные нано-трубки
0,5
3,0
7,0
10,0
-
олово
остальное
остальное
остальное
остальное
остальное
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
6,0
0,03
48
Состав 3
40
12,0
0,02
50
Состав 4
40
13,0
0,01
65
Прототип
20
2,0
0,04
45