RU2576740C1 - Copper powder-based antifriction composite - Google Patents
Copper powder-based antifriction composite Download PDFInfo
- Publication number
- RU2576740C1 RU2576740C1 RU2014134122/02A RU2014134122A RU2576740C1 RU 2576740 C1 RU2576740 C1 RU 2576740C1 RU 2014134122/02 A RU2014134122/02 A RU 2014134122/02A RU 2014134122 A RU2014134122 A RU 2014134122A RU 2576740 C1 RU2576740 C1 RU 2576740C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- copper
- iron
- antifriction
- tin
- powder
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Sliding-Contact Bearings (AREA)
- Powder Metallurgy (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к антифрикционным композиционным материалам, получаемым методами порошковой металлургии, которые могут быть использованы при изготовлении тяжелонагруженных подшипников скольжения коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания, преимущественно дизельных двигателей.The invention relates to antifriction composite materials obtained by powder metallurgy methods, which can be used in the manufacture of heavily loaded bearings of the crankshafts of internal combustion engines, mainly diesel engines.
Удельная нагрузка на единицу площади подшипников скольжения за последние годы значительно увеличилась, особенно это касается коренного и шатунного подшипников коленчатых валов, изготавливаемых, как правило, в виде двух частей - вкладышей. Так в дизельных двигателях с прямым впрыском удельная нагрузка (давление) на единицу площади подшипника может достигать 120 МПа [1].The specific load per unit area of sliding bearings has increased significantly in recent years, especially with regard to the main and connecting rod bearings of crankshafts, which are usually made in the form of two parts - liners. So in diesel engines with direct injection, the specific load (pressure) per unit area of the bearing can reach 120 MPa [1].
Традиционные подшипники с биметаллическим и триметаллическим вкладышем, имеющим антифрикционный слой, не выдерживают такой нагрузки. Современные двигатели требуют материалов с более высокой усталостной прочностью и износостойкостью, особенно на участках полусухого трения. В то же время необходима антикоррозионная устойчивость при высоких температурах.Traditional bearings with bimetallic and trimetallic bearings having an antifriction layer cannot withstand such a load. Modern engines require materials with higher fatigue strength and wear resistance, especially in areas of semi-dry friction. At the same time, corrosion resistance at high temperatures is required.
В связи с малой прочностью традиционных антифрикционных сплавов основа вкладышей коленчатых валов дизельных двигателей обычно изготавливается из конструкционной стали типа сталь 10, сталь 15, сталь 25, на которую наносится слой из антифрикционного материала.Due to the low strength of traditional antifriction alloys, the base of the liners of the crankshafts of diesel engines is usually made of structural steel such as steel 10, steel 15, steel 25, on which a layer of antifriction material is applied.
Наиболее распространенными антифрикционными сплавами являются сплавы на основе олова и свинца - баббиты, например, высокооловянный баббит Б83, свинцовый баббит БК2, баббиты Б88Д, БН. Так же высокие антифрикционные свойства имеют алюминиевые сплавы, как, например, алюминиево-оловянный сплав АО20-1 [2].The most common antifriction alloys are alloys based on tin and lead - babbit, for example, high-tin babbit B83, lead babbit BK2, babbit B88D, BN. Aluminum alloys also have high antifriction properties, such as, for example, the aluminum-tin alloy AO20-1 [2].
Универсальными антифрикционными материалами, особенно хорошо проявляющими себя при повышенных нагрузках, являются также свинцовые и свинцово-оловянные бронзы, такие как БрС-30, БрОС-1-22 [3].Universal antifriction materials, which are especially good at high loads, are also lead and lead-tin bronzes, such as BrC-30, BrOS-1-22 [3].
В связи с введением в Евросоюзе, США и других странах ограничительных мер по использованию в двигателях внутреннего сгорания свинца и свинцовосодержащих материалов и направленности современных разработок в России подшипниковых материалов в этом же направлении, указанные выше и другие свинцовосодержащие антифрикционные сплавы более не представляют интереса с точки зрения их применения в подшипниках скольжения для дизельных двигателей.Due to the introduction of restrictive measures in the European Union, the USA and other countries on the use of lead and lead-containing materials in internal combustion engines and the focus of modern developments in Russia on bearing materials in the same direction, the above and other lead-containing antifriction alloys are no longer of interest from the point of view their use in sliding bearings for diesel engines.
В то же время баббиты на основе олова, например, марки Б83 имеют возможность эксплуатироваться при максимальном значении удельной нагрузки, равном лишь 15…20 МПа, и допускаемой скорости скольжения до 6 м/с. Для алюминиево-оловянного сплава АО20-1 эти значения составляют соответственно 30 МПа и 20 м/с, что также недостаточно для удовлетворения современных требований к антифрикционным материалам для высоконагруженных дизельных двигателей.At the same time, tin-based babbits, for example, grade B83, can be operated at a maximum specific load of only 15 ... 20 MPa and an allowable sliding speed of up to 6 m / s. For the aluminum-tin alloy AO20-1, these values are 30 MPa and 20 m / s, respectively, which is also insufficient to meet modern requirements for antifriction materials for highly loaded diesel engines.
К тому же эти материалы, особенно баббиты, не могут работать в подшипниках при их нагреве свыше 200°С, т.е. той температуре, которая кратковременно может возникать в них при удельных нагрузках на подшипник 100 МПа и выше и скорости скольжения 10…25 м/с.Moreover, these materials, especially babbits, cannot work in bearings when they are heated above 200 ° C, i.e. the temperature that can occur briefly in them at specific bearing loads of 100 MPa and above and a sliding speed of 10 ... 25 m / s.
Поэтому антифрикционные материалы для указанных целей должны обладать достаточной прочностью при нагреве. Однако идеи, заложенные в классическом методе создания микрогетерогенной структуры антифрикционных материалов с металлической матрицей путем легирования ее элементами с переменной растворимостью, образующими после закалки и естественного или искусственного старения тонкодисперсные выделения упрочняющих интерметаллоидных фаз, принципиально не позволяют рассчитывать на возможность создания материалов для эксплуатации при температурах, равных 0,90…0,95 от температуры плавления (Тпл) матричного материала. Процессы закалки ведутся, как правило, при температурах не выше (0,85…0,90)Тпл, а структурные изменения, предшествующие полному растворению упрочняющих фаз, с заметной скоростью идут уже при (0,75…0,80)Тпл [4].Therefore, antifriction materials for these purposes should have sufficient strength when heated. However, the ideas embodied in the classical method of creating the microheterogeneous structure of antifriction materials with a metal matrix by doping it with elements with variable solubility, which form, after quenching and natural or artificial aging, finely dispersed precipitates of strengthening intermetalloid phases, fundamentally do not allow counting on the possibility of creating materials for operation at temperatures equal to 0.90 ... 0.95 of the melting temperature (T PL ) of the matrix material. Tempering processes are conducted usually at a temperature not higher than (0.85 ... 0.90) T mp, and structural changes prior to complete dissolution of the strengthening phases, are at an appreciable rate even at (0.75 ... 0.80) mp [four].
Принципиально иной метод создания микрогетерогенной структуры реализуется в так называемых дисперсно-упрочненных материалах [4], к которым относятся композиционные материалы, упрочненные равномерно распределенными в матрице высокодисперсными частицами, которые химически не взаимодействуют с матрицей и не растворяются в ней вплоть до температуры ее плавления. Существующие модели упрочнения металлов тонкодисперсными частицами [4, 5], основанные на рассмотрении взаимодействия движущихся дислокаций с этими частицами, приводят к линейной зависимости прироста прочности матричного материала от обратной величины среднего межчастичного расстояния. При этом наибольший эффект упрочнения следует ожидать в том случае, если среднее расстояние между частицами будет составлять 100…500 нм, а средний размер самих частиц будет находиться в диапазоне от 10 нм до 50 нм. Помимо «прямого» эффекта упрочнения за счет частиц, связанного с возникновением дополнительного напряжения, необходимого для скольжения дислокации при наличии в матрице второй фазы, наблюдается также «косвенный» эффект упрочнения от стабилизации границ зерен, который, как правило, выше «прямого» эффекта упрочнения.A fundamentally different method of creating a microheterogeneous structure is implemented in the so-called dispersion-hardened materials [4], which include composite materials, hardened by finely dispersed particles uniformly distributed in the matrix, which do not chemically interact with the matrix and do not dissolve in it up to its melting temperature. Existing models of metal hardening by fine particles [4, 5], based on the interaction of moving dislocations with these particles, lead to a linear dependence of the increase in the strength of the matrix material on the reciprocal of the average interparticle distance. In this case, the greatest effect of hardening should be expected in the event that the average distance between particles is 100 ... 500 nm, and the average size of the particles themselves is in the range from 10 nm to 50 nm. In addition to the “direct” effect of hardening due to particles associated with the occurrence of an additional stress necessary for the dislocation to slip when there is a second phase in the matrix, there is also an “indirect” hardening effect from stabilization of grain boundaries, which is usually higher than the “direct” hardening effect .
Если учесть, что согласно теории Холла-Петча [5] прирост деформирующего напряжения зависит для традиционных материалов линейно от обратной величины размера их зерна, то представляется необходимым для повышения прочности также у дисперсно-упрочненных материалов создавать в них зеренную структуру ультрамикродисперсного или даже нанодисперсного (менее 100 нм) типа.If we take into account that, according to the Hall-Petch theory [5], the increase in the deforming stress linearly depends on the inverse size of their grain for traditional materials, then it seems necessary to increase the strength of dispersion-hardened materials to create a grain structure of ultramicrodispersed or even nanodisperse (less 100 nm) type.
Наибольшего эффекта в создании дисперсно-упрочненных материалов с высоким уровнем прочностных свойств, в том числе при повышенных температурах, удается достичь при использовании для их получения метода реакционного механического легирования, основанного на интенсивной обработке смеси порошковых металлических материалов в высокоэнергетических шаровых мельницах-аттриторах и вибромельницах в среде воздуха. Эта смесь содержит как порошок основы материала (например, меди), так и порошки легирующих элементов (например, алюминия), которые способны создавать в результате их взаимодействия с кислородом воздуха во время обработки в шаровых мельницах термодинамически стабильные фазы (в данном случае - оксид алюминия) наноразмерного уровня, являющийся упрочнителем (дисперсоидом) медной матрицы [6].The greatest effect in the creation of dispersion-hardened materials with a high level of strength properties, including at elevated temperatures, can be achieved by using the method of reactive mechanical alloying based on intensive processing of a mixture of powder metal materials in high-energy ball mill-attritors and vibration mills in air environment. This mixture contains both a powder of the base material (for example, copper) and powders of alloying elements (for example aluminum), which are capable of creating thermodynamically stable phases (in this case, aluminum oxide) as a result of their interaction with atmospheric oxygen during processing in ball mills ) nanoscale level, which is a hardener (dispersoid) of the copper matrix [6].
При размоле в энергонапряженной мельнице, особенно в аттриторе, частицы исходных порошков, подвергаясь интенсивной пластической деформации, разрушаются, а из осколков путем сварки трением возникают новые. Указанные процессы многократно повторяются во времени (обычно, от 1 ч до 2 ч) до тех пор, пока не образуется гомогенная гранулированная композиция, в которой исходные компоненты и образовавшиеся дисперсоиды диспергированы друг в друга. Тугоплавкая упрочняющая фаза (например, оксид алюминия) располагается внутри и по границам сильно деформированных осколков частиц порошка основы, которые имеют, в зависимости от степени интенсивности обработки, мелкокристаллическое, ультрамелкокристаллическое или даже нанокристаллическое строение. Для получения из гранулированной композиции компактного тела она подвергается дальнейшей термодеформационной обработке с использованием элементов порошковой и гранульной металлургии.When grinding in an energy-intensive mill, especially in an attritor, particles of the initial powders, undergoing intense plastic deformation, are destroyed, and new ones arise from fragments by friction welding. These processes are repeated many times over time (usually from 1 hour to 2 hours) until a homogeneous granular composition is formed in which the starting components and the resulting dispersoids are dispersed into each other. A refractory hardening phase (for example, alumina) is located inside and along the boundaries of strongly deformed fragments of powder particles of the base, which, depending on the degree of processing intensity, have a crystalline, ultrafine crystalline or even nanocrystalline structure. To obtain a compact body from a granular composition, it is subjected to further thermal deformation processing using elements of powder and granular metallurgy.
Таким способом получен ряд дисперсно-упрочненных материалов, в том числе на основе порошковой меди, главной особенностью которых является чрезвычайно высокая температура их рекристаллизации, достигающая до 0,92 от температуры плавления меди (1083°С).In this way, a number of dispersion-hardened materials were obtained, including those based on copper powder, the main feature of which is the extremely high temperature of their recrystallization, reaching up to 0.92 of the melting temperature of copper (1083 ° С).
Кроме того, эти материалы обладают высокими прочностными характеристиками, в том числе при повышенных температурах, а теплопроводность некоторых их марок достигает до 90% от теплопроводности технической меди при временном сопротивлении при растяжении до 450 МПа и относительном удлинении до 20% [7].In addition, these materials have high strength characteristics, including at elevated temperatures, and the thermal conductivity of some of their grades reaches up to 90% of the thermal conductivity of technical copper with a tensile strength of 450 MPa and an elongation of up to 20% [7].
Благодаря строению своей структуры, подчиняемому принципу Шарпи [8], когда в пластичной основе равномерно распределены твердые включения, на которые опирается при трении контртело, например вал, эти материалы обладают хорошими триботехническими свойствами (фиг. 1).Due to the structure of its structure, obeying the Charpy principle [8], when solid inclusions are evenly distributed in a plastic base, on which a counterbody, for example, a shaft, is supported during friction, these materials have good tribological properties (Fig. 1).
Процесс трения для таких материалов [8] выглядит следующим образом: в ходе приработки мягкая матрица интенсивно изнашивается до выступания твердых кристаллов из общей массы, приработка заканчивается, когда контртело (вал, опорная пята) начинает полностью опираться на твердые частицы, которые обеспечивают высокую износостойкость антифрикционного материала. Мягкая основа при этом, изнашиваясь быстрее, образует сеть каналов (микрорельеф) между выступающими кристаллами, по которым циркулирует смазочный материал. Пластичная основа (матрица) обеспечивает защитную реакцию (упругую либо пластическую деформацию и др.) всего подшипникового материала на изменение условий трения и хорошую прирабатываемость.The friction process for such materials [8] is as follows: during running-in, the soft matrix wears out intensively until solid crystals protrude from the total mass, running-in ends when the counterbody (shaft, support heel) begins to fully rely on solid particles, which provide high wear resistance of antifriction material. In this case, the soft base, wearing out faster, forms a network of channels (microrelief) between the protruding crystals along which the lubricant circulates. A plastic base (matrix) provides a protective reaction (elastic or plastic deformation, etc.) of the entire bearing material to a change in friction conditions and good break-in.
В «классических» антифрикционных сплавах твердые включения имеют неблагоприятную для прочностных свойств форму. Так, в оловянном баббите Б83 эти твердые включения - кристаллы интерметаллида SnSb, имеют форму куба, а в бронзе БрО10 - эвтектоида +Cu31Sn8 имеет остроугольную, сильно разветвленную форму. Такая форма твердых включений приводит к низкой технологичности сплавов скольжения, характеризующейся отсутствием возможности пластической деформации. При механическом нагружении формируются зоны высокой концентрации напряжений, что лишает эти сплавы как возможно достижимой прочности, так и пластичности.In "classical" antifriction alloys, solid inclusions have an unfavorable shape for strength properties. So, in B83 tin babbitt, these solid inclusions - SnSb intermetallic crystals, have the shape of a cube, and in BrO10 bronze - the eutectoid + Cu 31 Sn 8 has an acute-angled, highly branched shape. This form of solid inclusions leads to low manufacturability of slip alloys, characterized by the absence of the possibility of plastic deformation. Under mechanical loading, zones of high stress concentration are formed, which deprives these alloys of both achievable strength and ductility.
В дисперсно-упрочненных материалах твердые включения (дисперсоиды) имеют не кубическую или остроугольную форму, как интерметаллиды в стандартных оловянном баббите Б83 и оловянной бронзе БрО10, а более глобулярную форму (фиг. 2) и, ввиду малости размеров (20…60 нм) дисперсоидов, их количество в единице объема материала превосходит количество твердых включений в стандартных антифрикционных материалах, строение которых соответствует принципу Шарпи.In dispersion-hardened materials, solid inclusions (dispersoids) do not have a cubic or acute-angled shape, like intermetallic compounds in standard tin babbitt B83 and tin bronze BrO10, but a more globular form (Fig. 2) and, due to the small size (20 ... 60 nm) of dispersoids , their number per unit volume of the material exceeds the amount of solid inclusions in standard antifriction materials, the structure of which corresponds to the Charpy principle.
Эти особенности структуры дисперсно-упрочненных материалов положительно сказываются на их прочности и усталостных свойствах, пластичности и коэффициенте трения.These structural features of dispersion-hardened materials have a positive effect on their strength and fatigue properties, ductility and friction coefficient.
Однако существенным недостатком этих материалов является трудность консолидирования полученных в шаровой мельнице гранул в компактное тело, которая еще более возрастает при введении в исходную порошковую смесь с целью дальнейшего снижения коэффициента трения материала таких твердых смазок, как дисульфида молибдена, графита, которые, находясь не только внутри гранул, но и частично на их поверхности, препятствуют прочному «схватыванию» гранул за счет сдвиговых деформаций, даже при их горячей экструзии.However, a significant drawback of these materials is the difficulty of consolidating the granules obtained in a ball mill into a compact body, which increases even more when introduced into the initial powder mixture in order to further reduce the friction coefficient of the material of such solid lubricants as molybdenum disulfide, graphite, which are not only inside granules, but also partially on their surface, hinder the solid “setting” of granules due to shear deformations, even during their hot extrusion.
Известен подшипниковый материал на основе меди [9], содержащий олово, никель, железо, алюминий, марганец, кобальт, цинк, кремний и фосфор и 0,4…10% по объему твердых частиц со средним размером 0,1…25 мкм в виде одного или нескольких элементов из группы, состоящей из карбида вольфрама, карбида кобальта, вольфрама и молибдена, а также дополнительно содержит не более 10% по объему в общей сложности одного или нескольких представителей твердой смазки, выбираемых из группы, состоящей из дисульфида молибдена, сульфида вольфрама, нитрида бора и графита.Known bearing material based on copper [9], containing tin, nickel, iron, aluminum, manganese, cobalt, zinc, silicon and phosphorus and 0.4 ... 10% by volume of solid particles with an average size of 0.1 ... 25 microns in the form one or more elements from the group consisting of tungsten carbide, cobalt carbide, tungsten and molybdenum, and also additionally contains no more than 10% by volume of a total of one or more representatives of solid lubricants selected from the group consisting of molybdenum disulfide, tungsten sulfide boron nitride and graphite.
Результаты испытаний этого материала, описанные в [9], позволяют предположить, что он может быть использован в подшипниках скольжения при больших удельных нагрузках на них (не менее 100 МПа) и скоростях скольжения до 10 м/с. При этом этот материал допускает кратковременные нагревы подшипника до 200°С.The test results of this material described in [9] suggest that it can be used in sliding bearings at high specific loads on them (at least 100 MPa) and sliding speeds up to 10 m / s. At the same time, this material allows short-term heating of the bearing to 200 ° C.
Однако в источнике известности [9] отсутствуют примеры практического применения данного материала в подшипниках скольжения и, главное, не указывается результат изнашивающего воздействия его твердых частиц на контртело (вал, пята и пр.). Кроме того, для его изготовления используется технология, предусматривающая элементарное смешивание исходных порошковых компонентов, что, как общеизвестно, не обеспечивает их однородного распределения в объеме материала, из-за чего должна проявляться анизотропия его свойств, в том числе триботехнических, что отрицательно сказывается на стабильности и работоспособности трибосопряжения.However, in the source of fame [9] there are no examples of the practical application of this material in sliding bearings and, most importantly, the result of the wear-out effect of its solid particles on the counterbody (shaft, heel, etc.) is not indicated. In addition, for its manufacture, a technology is used that provides for elementary mixing of the initial powder components, which, as is well known, does not ensure their uniform distribution in the volume of the material, due to which the anisotropy of its properties, including tribological properties, should be manifested, which negatively affects stability and the performance of tribo-conjugation.
Известны триботехнические антифрикционные материалы [10] для тяжелонагруженных узлов трения. Согласно новым представлениям о триботехнических материалах [10] они должны иметь следующее строение: твердая износостойкая фаза в виде каркаса, обеспечивающая высокую прочность и износостойкость; пластичная фаза с высокой теплопроводностью и низким коэффициентом трения, располагающаяся в межзеренном пространстве каркаса. Необходимо также диффузионное взаимодействие между фазами, формирующее переходные слои на межфазной границе (фиг. 3). Материал должен иметь минимальную пористость для высокой объемной прочности. Расположение пластичной фазы в нем должно быть таким, чтобы, не снижая механических свойств, обеспечивать его высокую теплопроводность. Повышение износостойкости такого материала возможно созданием в частицах каркаса слоя твердой износостойкой фазы в виде «оторочки».Known tribotechnical antifriction materials [10] for heavily loaded friction units. According to new ideas about tribotechnical materials [10], they should have the following structure: solid wear-resistant phase in the form of a frame, providing high strength and wear resistance; plastic phase with high thermal conductivity and low coefficient of friction, located in the intergranular space of the frame. It is also necessary diffusion interaction between the phases, forming transition layers at the interphase boundary (Fig. 3). The material should have a minimum porosity for high bulk strength. The location of the plastic phase in it should be such that, without compromising the mechanical properties, ensure its high thermal conductivity. Increasing the wear resistance of such a material is possible by creating a layer of a solid wear-resistant phase in the form of a “rim” in the particles of the carcass.
Наиболее широкими возможностями в реализации предложенного антифрикционного композиционного материала обладают псевдосплавы «сталь - медный сплав», получаемые инфильтрацией [11]. Инфильтрация стального каркаса позволяет практически полностью исключить пористость за счет заполнения межчастичного пространства медным сплавом под действием капиллярных сил. Изотермическая выдержка обеспечивает формирование однородной структуры каркаса и необходимой морфологии медной фазы. Медная фаза, вследствие растворения в ней железной фазы и их диффузионного взаимодействия, проникает в межчастичное и межзеренное пространства, обеспечивая, таким образом, высокую теплопроводность и снижая коэффициент трения. Кроме того, при изотермической выдержке образуются переходные слои в межфазной области твердых растворов железа в меди и меди в железе, что обеспечивает повышение износостойкости и прочности материала.The widest possibilities in the implementation of the proposed antifriction composite material are possessed by the steel – copper alloy pseudo-alloys obtained by infiltration [11]. The infiltration of the steel frame allows the porosity to be almost completely eliminated by filling the interparticle space with a copper alloy under the action of capillary forces. Isothermal exposure provides the formation of a homogeneous structure of the frame and the necessary morphology of the copper phase. The copper phase, due to the dissolution of the iron phase in it and their diffusion interaction, penetrates into the interparticle and intergranular spaces, thus providing high thermal conductivity and reducing the friction coefficient. In addition, with isothermal exposure, transition layers are formed in the interfacial region of solid solutions of iron in copper and copper in iron, which provides increased wear resistance and strength of the material.
Такой материал благодаря твердому стальному каркасу, содержащему твердые включения карбидов железа, обладает высокой износостойкостью: интенсивность его изнашивания составляет (1,39…8,70)·10-10. Однако такая интенсивность изнашивания достигается при невысоком уровне давления на подшипник - не более 5 МПа. Кроме того, из-за наличия этого же стального каркаса и доминирующей его доли в объеме материала должно быть усилено его изнашивающее воздействие на контртело (вал, пята и пр.). Если же уменьшить размеры частиц стального каркаса без изменения его доли в объеме материала, то возникают общеизвестные трудности с равномерной инфильтрацией этого каркаса медным сплавом, проявляющиеся прежде всего в возникновении незаполненных медным сплавом пор и других пустот, отрицательно влияющих на усталостную прочность материала.Such material, thanks to a solid steel frame containing solid inclusions of iron carbides, has high wear resistance: its wear rate is (1.39 ... 8.70) · 10 -10 . However, this wear rate is achieved at a low level of pressure on the bearing - not more than 5 MPa. In addition, due to the presence of the same steel frame and its dominant share in the volume of the material, its wear-out effect on the counterbody (shaft, heel, etc.) should be strengthened. If we reduce the particle size of the steel frame without changing its share in the volume of the material, then there are well-known difficulties with uniform infiltration of this frame with a copper alloy, manifested primarily in the appearance of pores and other voids that are not filled with a copper alloy and adversely affect the fatigue strength of the material.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к заявляемому изобретению является принятый за прототип [12] антифрикционный композиционный материал на основе порошковой меди, содержащий олово, железо и твердую смазку в виде дисульфида молибдена и углерода в виде графита при следующем соотношении компонентов (% мас.):The closest in technical essence and the achieved effect to the claimed invention is adopted as a prototype [12] an antifriction composite material based on copper powder containing tin, iron and a solid lubricant in the form of molybdenum disulfide and carbon in the form of graphite in the following ratio of components (% wt. ):
Этот материал, имеющий обозначение ПА-БрО27Г4Мс0,5Ж2, рекомендуется в качестве высокоэффективного материала для использования в тяжелонагруженных подшипниках скольжения. В прототипе [12] показано, что снижение коэффициента трения до 0,035…0,040 порошкового материала ПА-БрО27Г4Мс0,5Ж2 при больших нагрузках, когда повышается температура и начинаются процессы окисления, связано с увеличением прослойки графита на поверхности трения. Положительное влияние на коэффициент трения оказывает также наличие в материале дисульфида молибдена, так как его кристаллическая решетка подобна решетке графита: между атомами молибдена и серы имеются тесные связи, в то время как расстояние между слоями атомов серы относительно больше.This material, designated PA-BrO27G4Ms0.5Zh2, is recommended as a highly efficient material for use in heavily loaded plain bearings. The prototype [12] showed that a decrease in the friction coefficient to 0.035 ... 0.040 of the PA-BrO27G4Ms0.5Zh2 powder material at high loads, when the temperature rises and oxidation processes begin, is associated with an increase in the graphite layer on the friction surface. The presence of molybdenum disulfide in the material also has a positive effect on the friction coefficient, since its crystal lattice is similar to the graphite lattice: there are close bonds between the molybdenum and sulfur atoms, while the distance between the layers of sulfur atoms is relatively greater.
Введение в материал дисульфида молибдена и железа снижает отрицательное влияние графита на его трещиностойкость, так как графит при спекании взаимодействует с железом и молибденом, образуя карбиды. Благодаря действию твердых смазок графита и дисульфида молибдена и более высокой твердости материала за счет легирования железом и оловом, износостойкость этого антифрикционного материала на основе меди также выше, чем материала без добавок железа и дисульфида молибдена и с меньшим содержанием графита - ПА-БрО27Г2, а также материала с добавкой свинца - ПА-БрО10С3.The introduction of molybdenum and iron disulfide into the material reduces the negative effect of graphite on its crack resistance, since graphite interacts with iron and molybdenum during sintering to form carbides. Due to the action of solid lubricants of graphite and molybdenum disulfide and higher material hardness due to alloying with iron and tin, the wear resistance of this antifriction material based on copper is also higher than that of a material without additives of iron and molybdenum disulfide and with a lower graphite content - PA-BrO27G2, as well as material with the addition of lead - PA-BrO10S3.
В [12] утверждается, что введение в порошковые материалы на основе меди олова, железа, графита и дисульфида молибдена позволило получить коэффициент трения в 2 раза ниже, а износостойкость более чем в 2 раза выше, чем у компактной оловянной бронзы.It was stated in [12] that the introduction of tin, iron, graphite, and molybdenum disulfide into powder materials based on copper made it possible to obtain a friction coefficient 2 times lower and wear resistance more than 2 times higher than that of compact tin bronze.
Но надо отметить, что временное сопротивление при растяжении указанного выше антифрикционного материалов ПА-БрО27Г4Мс0,5Ж2, обладающего пористостью 15…17%, не превышает 180 МПа, что явно недостаточно, чтобы этот материал мог быть использован в подшипниках скольжения коленчатого вала при высоких уровнях нагрузок, что подтверждается указанием в источнике [12] о предельном давлении на подшипник из этого материала, составляющем 2-5 МПа.But it should be noted that the tensile strength of the above-mentioned antifriction materials PA-BrO27G4Ms0.5Zh2, with a porosity of 15 ... 17%, does not exceed 180 MPa, which is clearly not enough for this material to be used in sliding bearings of the crankshaft at high load levels , which is confirmed by the indication in the source [12] about the ultimate pressure on the bearing from this material, which is 2-5 MPa.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является создание антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди с комплексом взаимоувязанных между собою физико-механических, технологических и эксплуатационных свойств и невысокой стоимостью, способного эксплуатироваться в качестве антифрикционного слоя многослойных подшипников скольжения коленчатого вала средне- и высокооборотных высокофорсированных дизельных двигателей.The problem to which the claimed invention is directed, is to create an antifriction composite material based on copper powder with a set of interrelated physicomechanical, technological and operational properties and low cost, capable of being used as an antifriction layer of multilayer crankshaft sliding bearings of medium and high speed highly accelerated diesel engines.
Технический результат заключается в создании антифрикционного композиционного подшипникового материала, предназначенного для работы при больших нагрузках и температурах нагрева, с высокими механическими и триботехническими характеристиками. Характеристики предлагаемого подшипникового материала следующие:The technical result consists in the creation of an antifriction composite bearing material designed for operation at high loads and heating temperatures, with high mechanical and tribological characteristics. The characteristics of the proposed bearing material are as follows:
- временное сопротивление при растяжении при 20°С не менее 380 МПа при относительном удлинении не менее 6% и при 200°С - не менее 325 МПа при относительном удлинении не менее 7%;- temporary tensile strength at 20 ° C of at least 380 MPa with an elongation of at least 6% and at 200 ° C of at least 325 MPa with an elongation of at least 7%;
- предел прочности при сжатии при 20°С - не менее 680 МПа при относительной осадке до разрушения не менее 30% и при 200°С не менее 750 МПа при относительной осадке до разрушения не менее 45%;- the compressive strength at 20 ° C is not less than 680 MPa with a relative draft to fracture of at least 30% and at 200 ° C of not less than 750 MPa with a relative draft to fracture of at least 45%;
-твердость при 20°С не менее 125 НВ и при 200°С - не менее 120 НВ;- hardness at 20 ° C is not less than 125 HB and at 200 ° C - not less than 120 HB;
- интенсивность изнашивания при давлении 100 МПа и скорости скольжения не менее 5 м/с - не более 4·10-10 м при интенсивности изнашивания стального контртела - не более 2,5·10-13.- the wear rate at a pressure of 100 MPa and a sliding speed of at least 5 m / s - not more than 4 · 10 -10 m when the wear rate of the steel counterbody is not more than 2.5 · 10 -13 .
Технический результат достигается за счет подбора сбалансированного химического состава антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди, содержащего олово, железо и твердую смазку в виде дисульфида молибдена и углерода в виде графита, который согласно заявляемому изобретению дополнительно содержит алюминий, причем железо, дисульфид молибдена, углерод и алюминий содержатся в гранулах с размерами менее 50 мкм, изготовленных из порошковых композиций систем Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS2-Fe и Cu-Al-C-Fe, при следующем соотношении компонентов, % мас.:The technical result is achieved by selecting a balanced chemical composition of an antifriction composite material based on copper powder containing tin, iron and a solid lubricant in the form of molybdenum disulfide and carbon in the form of graphite, which according to the claimed invention additionally contains aluminum, and iron, molybdenum disulfide, carbon and aluminum contained in the granules with dimensions of less than 50 microns made from powder compositions systems Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS 2 -Fe and Cu-Al-C-Fe, with the following ratio of components of s,% wt .:
Предлагаемый качественный и количественный состав антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди обеспечивает получение материала со следующими физико-механическими, технологическими и эксплуатационными свойствами (см. результаты опытных испытаний представлены в таблице):The proposed qualitative and quantitative composition of the antifriction composite material based on copper powder provides a material with the following physicomechanical, technological, and operational properties (see the results of experimental tests are presented in the table):
- временным сопротивлением при растяжении при 20°С не менее 380 МПа при относительном удлинении не менее 6% и при 200°С - не менее 325 МПа при относительном удлинении не менее 7%;- temporary tensile strength at 20 ° C of at least 380 MPa with an elongation of at least 6% and at 200 ° C of at least 325 MPa with an elongation of at least 7%;
- пределом прочности при сжатии при 20°С - не менее 680 МПа при относительной осадке до разрушения не менее 30% и при 200°С не менее 750 МПа при относительной осадке до разрушения не менее 45%;- the compressive strength at 20 ° C is not less than 680 MPa with a relative draft to fracture of at least 30% and at 200 ° C of not less than 750 MPa with a relative draft to fracture of at least 45%;
- твердостью при 20°С не менее 125 НВ и при 200°С - не менее 120 НВ;- hardness at 20 ° C not less than 125 HB and at 200 ° C - not less than 120 HB;
- интенсивностью изнашивания при давлении 100 МПа и скорости скольжения не менее 5 м/с - не более 4·10-10 при интенсивности изнашивания контртела из стали 40Х - не более 2,5·10-13.- the wear rate at a pressure of 100 MPa and a sliding speed of at least 5 m / s - not more than 4 · 10 -10 when the wear rate of the counterbody made of steel 40X - not more than 2.5 · 10 -13 .
Предложенный материал изготавливается из рабочей гранульно-порошковой смеси, содержащей в определенных пропорциях гранулы и порошки меди и олова систем Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS2-Fe и Cu-Al-C-Fe, и в конечном состоянии представляет собой матрицу (более мягкую связку) из порошкового материала системы Cu-Sn, в которой равномерно распределены более твердые гранулы.The proposed material is made from a working granule-powder mixture containing in certain proportions granules and powders of copper and tin systems Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS 2 -Fe and Cu-Al-C-Fe, and in the final state It is a matrix (softer bond) of the powder material of the Cu-Sn system, in which harder granules are evenly distributed.
Гранулы из порошковых композиций систем Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS2-Fe и Cu-Al-C-Fe имеют размеры менее 50 мкм и представляют собой антифрикционные материалы, ибо в своем составе содержат как мягкую связку в виде материала на основе меди системы Cu-Sn (для гранул из порошковых композиций систем Cu-Sn-C-Fe и Cu-Sn-MoS2-Fe), так и твердые включения (твердую смазку) в виде, соответственно, графита и дисульфида молибдена.Granules from the powder compositions of the Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS 2 -Fe and Cu-Al-C-Fe systems are less than 50 microns in size and are antifriction materials, because they contain as a soft bond in the form material based on Cu-Sn system copper (for granules from powder compositions of Cu-Sn-C-Fe and Cu-Sn-MoS 2 -Fe systems), and solid inclusions (solid lubricant) in the form, respectively, of graphite and molybdenum disulfide .
В опытных работах, выполненных авторами для получения заявленного материала, использовались как метод реакционного механического легирования в воздушной среде аттритора для изготовления гранул из порошковых композиций на основе меди систем Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS2-Fe и Cu-Al-C-Fe, так и технологии порошковой металлургии для изготовления конечного материала из рабочей гранульно-порошковой смеси, содержащей в определенных пропорциях эти гранулы и порошки меди и олова, благодаря чему удалось создать структуру материала (фиг. 4), в которой по мере износа матрицы (связки) из порошкового материала на основе меди системы Cu-Sn из обшей массы начинают выступать гранулы, на которые полностью начинает опираться контртело.In the experimental works performed by the authors to obtain the claimed material, they were used as a method of reactive mechanical alloying in the air of an attritor for the manufacture of granules from powder compositions based on copper of the Cu-Sn-C-Fe, Cu-Sn-MoS 2 -Fe and Cu- systems Al-C-Fe, and powder metallurgy technologies for the manufacture of the final material from a working granule-powder mixture containing in certain proportions these granules and powders of copper and tin, due to which it was possible to create a material structure (Fig. 4), in which, as wear m the matrix (binder) of the particulate material based on copper Cu-Sn system sheathe mass of granules begin to act, which fully rely begins counterface.
При этом более мягкая связка, изнашиваясь быстрее, чем гранулы, образует сеть каналов (микрорельеф) между выступающими гранулами, по которым циркулирует смазочный материал, и тем самым обеспечивает защитную реакцию (упругую либо пластическую деформацию) всего подшипникового материала на изменение условий трения и хорошую прирабатываемость. Гранулы представляют собою микрообъемы антифрикционных материалов, ибо в своем составе содержат как мягкую связку в виде материала на основе меди системы Cu-Sn (для гранул из порошковых композиций систем Cu-Sn-C-Fe и Cu-Sn-MoS2-Fe), так и твердые включения в виде соответствующих соединений олова с медью, железа, а также окислов меди и олова, образовавшихся в результате твердофазного взаимодействия (механохимического синтеза) меди и олова с кислородом воздуха в аттриторе во время проведения реакционного механического легирования. Кроме этого, в указанных гранулах содержится также твердая связка в виде, соответственно, графита и дисульфида молибдена, причем в ультрадисперсной форме и равномерно распределенной в материале гранул, что достигается интенсивным размолом в аттриторе исходных порошковых компонентов и схватыванием их разрушенных частиц между собою, последующим размолом и повторным схватыванием до образования совершенно однородного распределения продуктов размола (как и продуктов механохимического синтеза) в объеме гранул. Содержащееся в гранулах железо является неизбежным продуктом износа мелющих шаров, бил и стенки рабочей камеры аттритора и его содержание в гранулах, как показывает опыт, не превышает (0,4…0,5) % мас.In this case, the softer bond, wearing out faster than the granules, forms a network of channels (microrelief) between the protruding granules through which the lubricant circulates, and thereby provides a protective reaction (elastic or plastic deformation) of the entire bearing material to a change in the friction conditions and good working life . The granules are microvolumes of antifriction materials, because they contain in their composition a soft bond in the form of a material based on copper from the Cu-Sn system (for granules from powder compositions of the Cu-Sn-C-Fe and Cu-Sn-MoS 2 -Fe systems) and solid inclusions in the form of the corresponding compounds of tin with copper, iron, as well as copper and tin oxides formed as a result of solid-phase interaction (mechanochemical synthesis) of copper and tin with atmospheric oxygen in the attritor during the reaction mechanical alloying. In addition, these granules also contain a solid binder in the form, respectively, of graphite and molybdenum disulfide, in an ultrafine form and evenly distributed in the material of the granules, which is achieved by intensive grinding in the attritor of the initial powder components and setting their broken particles together, followed by grinding and re-setting until the formation of a completely uniform distribution of grinding products (as well as products of mechanochemical synthesis) in the volume of granules. The iron contained in the granules is an inevitable product of wear of grinding balls, beats and the walls of the working chamber of the attritor and its content in granules, as experience shows, does not exceed (0.4 ... 0.5)% wt.
В гранулах из порошковой композиции системы Cu-Al-C-Fe матрицей является чистая медь, в которой равномерно распределены частицы железа и оксидов алюминия и меди, образовавшихся при твердофазном взаимодействии (механохимическом синтезе) алюминия и меди с кислородом воздуха в аттриторе, а также твердая смазка в виде ультрадисперсного графита.In granules from the powder composition of the Cu-Al-C-Fe system, the matrix is pure copper, in which particles of iron and aluminum and copper oxides formed during solid-phase interaction (mechanochemical synthesis) of aluminum and copper with atmospheric oxygen are uniformly distributed, as well as solid ultrafine graphite lubricant.
Исследование тонкой структуры гранул на микрофольгах из них с использованием просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) показали, что в результате интенсивной пластической деформации, которую претерпели компоненты исходных порошковых композиций при их обработке в аттриторе, матричный материал гранул имеет ярко выраженную субзеренную структуру со средним размером субзерен от 80 нм до 250 нм, а сами твердые включения (оксиды олова, меди и алюминия), образовавшиеся в результате механохимического синтеза, имеют размеры от 15 нм до 120 нм.The study of the fine structure of granules on microfoils from them using transmission electron microscopy (TEM) showed that as a result of intense plastic deformation that the components of the initial powder compositions underwent during their processing in the attritor, the matrix material of the granules has a pronounced subgrain structure with an average subgrain size of 80 nm to 250 nm, and the solid inclusions themselves (tin, copper and aluminum oxides), formed as a result of mechanochemical synthesis, have sizes from 15 nm to 120 nm.
Как ранее было показано, наличие таких параметров тонкой структуры материалов обеспечивает им высокий уровень температуры рекристаллизации и способность работать при повышенных температурах эксплуатации.As previously shown, the presence of such parameters of the fine structure of materials provides them with a high level of recrystallization temperature and the ability to work at elevated operating temperatures.
Вышеописанные макроструктура и тонкая структура конечного материала соответствуют всем приведенным выше подходам в конструировании подшипниковых материалов, предназначенных для работы при больших нагрузках и температурах нагрева.The above macrostructure and fine structure of the final material correspond to all the above approaches in the design of bearing materials designed to operate under high loads and heating temperatures.
На фиг. 1 показана принципиальная схема контактирования вала с подшипниковым материалом из источника известности [8].In FIG. 1 shows a schematic diagram of the contacting of a shaft with bearing material from a source of fame [8].
На фиг. 2 представлена угольная реплика медного объемного наноструктурного материала системы Cu-Al-C-O (ПЭМ) из источника известности [7].In FIG. 2 shows a carbon replica of a bulk copper nanostructured material of the Cu-Al-C-O (TEM) system from a source of fame [7].
На фиг. 3 представлена модель строения антифрикционного материала для тяжело нагруженных узлов трения с переходными слоями в железной и медной фазах (а) и с переходными слоями в железной и медной фазах и твердым износостойким слоем в железной фазе (б) из источника известности [10]).In FIG. Figure 3 presents the structure model of antifriction material for heavily loaded friction units with transition layers in the iron and copper phases (a) and transition layers in the iron and copper phases and a hard wear-resistant layer in the iron phase (b) from a source of fame [10]).
На фиг. 4 изображена микроструктура полученного опытным путем заявленного антифрикционного композиционного материала на основе меди системы Cu-Sn-Al-Fe-MoS2-C.In FIG. 4 shows the microstructure of an experimentally obtained claimed anti-friction composite material based on copper of the Cu-Sn-Al-Fe-MoS 2 -C system.
Заявляемое техническое решение осуществляется следующим образом.The claimed technical solution is as follows.
Антифрикционный композиционный материал на основе порошковой меди системы Cu-Sn-Al-MoS2-C-Fe получают в следующей последовательности:The antifriction composite material based on copper powder of the Cu-Sn-Al-MoS 2 -C-Fe system is obtained in the following sequence:
- проводят проверку нормативных сопроводительных документов и входной контроль качества порошков меди, олова, алюминия, дисульфида молибдена и карбюризатора древесно-угольного;- they check the regulatory supporting documents and incoming quality control of powders of copper, tin, aluminum, molybdenum disulfide and charcoal carburizer;
- просушивают порошки компонентов;- dry the powders of the components;
- дозируют исходные порошковые композиции путем взвешивания порций шихты каждой композиции Cu-Sn-C; Cu-Sn-MoS2; Cu-Al-C, смешивают порошки композиций;- dose the initial powder composition by weighing portions of the charge of each composition Cu-Sn-C; Cu-Sn-MoS 2 ; Cu-Al-C, the powders of the compositions are mixed;
- полученные смеси каждой композиции засыпают в отдельные технологические кюбели и подвергают реакционному механическому легированию в аттриторе;- the resulting mixture of each composition is poured into separate technological tubes and subjected to reactive mechanical alloying in the attritor;
- отсортировывают полученные гранулы композиций от шаров аттритора и некондиционных гранул и гранулы каждой из композиций засыпают в отдельные кюбели с крышками;- sort the resulting granules of the compositions from the balls of the attritor and substandard granules and granules of each of the compositions are poured into separate tubes with caps;
- приготавливают гранульно-порошковую смесь системы Cu-Sn-Al-MoS2-C, дозируя композиции Cu-Sn-C, Cu-Al-C, Cu-Sn-MoS2, порошка меди и порошка олова путем взвешивания порций гранул и порошков, при этом железо входит в состав гранул в виде частиц износа мелющих шаров, бил и стенок рабочих камер аттритора;- prepare a granule-powder mixture of the Cu-Sn-Al-MoS 2 -C system, dosing the composition Cu-Sn-C, Cu-Al-C, Cu-Sn-MoS 2 , copper powder and tin powder by weighing portions of granules and powders , while iron is part of the granules in the form of wear particles of grinding balls, beats and walls of the working chambers of the attritor;
- смешивают навески гранул и порошков в смесителе и полученную гранульно-порошковую смесь засыпают в технологический кюбель;- weighed portions of granules and powders in the mixer and the resulting granule-powder mixture is poured into a technological tube;
- приготавливают гранульно-порошковую смесь к прессованию, дозируя ее путем взвешивания;- prepare the granular powder mixture for pressing, dosing it by weighing;
- производят холодное компактирование при давлении 600 МПа гранульно-порошковой смеси в брикет с помощью пресса или холодное прессование плоской заготовки из гранульно-порошковой смеси;- cold compaction is carried out at a pressure of 600 MPa of the granular powder mixture into a briquette using a press or cold pressing of a flat preform from a granular powder mixture;
- спекают брикеты или плоские заготовки в вакуумной электропечи при температуре 600°С;- sintering briquettes or flat billets in a vacuum electric furnace at a temperature of 600 ° C;
- производят горячее прессование при давлении 600 МПа спеченных заготовок и последующее их охлаждение;- produce hot pressing at a pressure of 600 MPa of sintered preforms and their subsequent cooling;
- производят контроль качества заготовок на отсутствие в них пор, вздутий, каверн, трещин и расслоений;- they make quality control of the workpieces for the absence of pores, blisters, cavities, cracks and delaminations in them;
- проводят лабораторные испытания образцов из полученного антифрикционного материала с целью контроля его механических характеристик.- conduct laboratory tests of samples from the obtained antifriction material in order to control its mechanical characteristics.
Для экспериментальной проверки предлагаемого антифрикционного материала авторами было взято три набора порошков металлов: один набор - по прототипу и два набора - по заявляемому изобретению.For experimental verification of the proposed anti-friction material, the authors took three sets of metal powders: one set - according to the prototype and two sets - according to the claimed invention.
Химический состав исходной порошковой смеси для изготовления материала по прототипу содержала следующее соотношение компонентов (% мас.): олово - 27, углерод - 4, дисульфид молибдена - 0,5, железо - 2, медь - остальное.The chemical composition of the initial powder mixture for the manufacture of the material according to the prototype contained the following ratio of components (% wt.): Tin - 27, carbon - 4, molybdenum disulfide - 0.5, iron - 2, copper - the rest.
Изготовление цилиндрических образцов диаметром 13 мм и высотой 13 мм, а также плоских образцов шириной 30 мм, длиной 90 мм и высотой 5 мм из этого антифрикционного композиционного материала осуществлялось по технологии прототипа.The manufacture of cylindrical samples with a diameter of 13 mm and a height of 13 mm, as well as flat samples with a width of 30 mm, a length of 90 mm and a height of 5 mm from this antifriction composite material was carried out according to the prototype technology.
Определение временного сопротивления при растяжении и относительного удлинения материала при температурах 20°С и 200°С производилось соответственно по ГОСТ 1497 и ГОСТ 9651 путем растяжения плоских образцов на универсальной разрывной машине 1958У-10, снабженной температурной приставкой СТИ-ТС, которая позволяет проводить испытания автоматической поддержкой заданной температуры в диапазоне от 300°С до 1000°С. Предел прочности при сжатии при указанных выше температурах определялся в соответствии с ГОСТ 29204 путем сжатия цилиндрических образцов на той же испытательной машине. Твердость по Бринеллю определялась в соответствии с ГОСТ 23667-79 на цилиндрических образцах, причем для их нагрева до 200°С использовалась термовоздуходувка модели 8003 SKIL мощностью 1800 Вт, а температуру образца контролировали при помощи инфракрасного термометра (пирометра) testo 845 (диапазон измерений - от 35°С до +950°С, разрешение - 0,1°С).Determination of the tensile strength and relative elongation of the material at temperatures of 20 ° C and 200 ° C was carried out according to GOST 1497 and GOST 9651, respectively, by stretching flat samples on a 1958U-10 universal tensile testing machine equipped with a STI-TS temperature attachment, which allows automatic testing maintaining the set temperature in the range from 300 ° C to 1000 ° C. The compressive strength at the above temperatures was determined in accordance with GOST 29204 by compressing cylindrical samples on the same testing machine. The Brinell hardness was determined in accordance with GOST 23667-79 on cylindrical samples, and for their heating to 200 ° C, a model 8003 SKIL thermal blower with a power of 1800 W was used, and the temperature of the sample was controlled using an infrared thermometer (pyrometer) testo 845 (measurement range - from 35 ° С to + 950 ° С, resolution - 0.1 ° С).
Триботехнические испытания в соответствии с рекомендациями ГОСТ 26614 и Р 50-54-62-88 проводили по схеме «ролик-колодка», используя машину трения СМЦ-2, которая была модернизирована на развитие максимального усилия на испытуемый образец материала (колодку) до 100000 Н, благодаря чему удавалось создать давление на этот образец до 100 МПа. В качестве ролика (контртела) служил диск диаметром 100 мм и толщиной 15 мм, изготовленный из стали 40Х, закаленной до твердости 45НКСэ. Для смазывания использовалось моторное масло SAE 10W-40 по ТУ 0253-002-54409843-03. Скорость скольжения ролика по колодке составляла 5,3 м/с. Поскольку при давлениях на колодку 6,0…6,5 МПа при капельной подаче масла наблюдался сильный ее разогрев (до 200°С и выше) за несколько минут, то при более высоких давлениях, в том числе при 100 МПа зона трения подвергалась обильной смазке и охлаждению струйным методом циркулирующим моторным маслом.Tribotechnical tests in accordance with the recommendations of GOST 26614 and R 50-54-62-88 were carried out according to the "roller-block" scheme, using the SMTS-2 friction machine, which was modernized to develop maximum force on the test material sample (block) to 100,000 N due to which it was possible to create pressure on this sample up to 100 MPa. A disk with a diameter of 100 mm and a thickness of 15 mm, made of 40X steel, hardened to a hardness of 45 NCE, served as a roller (counterbody). For lubrication, SAE 10W-40 engine oil was used in accordance with TU 0253-002-54409843-03. The sliding speed of the roller on the block was 5.3 m / s. Since, at pressures of 6.0–6.5 MPa, a drop of oil was observed to warm up strongly (up to 200 ° C and above) for several minutes, at higher pressures, including at 100 MPa, the friction zone was heavily lubricated and jet cooling with circulating motor oil.
Результаты лабораторных испытаний полученных образцов из антифрикционного материала приведены в таблице.The results of laboratory tests of the obtained samples from antifriction material are given in the table.
Пример №1 конкретного осуществления предлагаемого антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди.Example No. 1 of a specific implementation of the proposed antifriction composite material based on copper powder.
Химический состав исходной гранульно-порошковой смеси для изготовления материала по изобретению содержал следующее соотношение компонентов (% мас.): олово - 7,90, алюминий - 0,55, железо - 0,50, дисульфид молибдена - 0,18, углерод - 0, 42, медь - остальное.The chemical composition of the initial granule-powder mixture for the manufacture of the material according to the invention contained the following ratio of components (wt.%): Tin - 7.90, aluminum - 0.55, iron - 0.50, molybdenum disulfide - 0.18, carbon - 0 , 42, copper - the rest.
Пример №2 конкретного осуществления антифрикционного композиционного материала на основе порошковой меди. Химический состав исходной гранульно-порошковой смеси для изготовления материала по изобретению содержала следующее соотношение компонентов (% мас.): олово - 8,10, алюминий - 0,45, железо - 0, 40, дисульфид молибдена - 0, 22, углерод - 0, 38, медь - остальное.Example No. 2 of a specific implementation of an antifriction composite material based on copper powder. The chemical composition of the initial granule-powder mixture for the manufacture of the material according to the invention contained the following ratio of components (wt%): tin - 8.10, aluminum - 0.45, iron - 0, 40, molybdenum disulfide - 0, 22, carbon - 0 , 38, copper - the rest.
Получение цилиндрических и плоских образцов, аналогичных описанным выше из антифрикционных композиционных материалов, приведенных в примерах №1 и №2, осуществлялось по вышеприведенной технологии. Эти образцы были подвергнуты тем же испытаниям, что и образцы из антифрикционного материала по прототипу. Результаты лабораторных испытаний образцов полученных материалов приведены в таблице.Obtaining cylindrical and flat samples similar to those described above from the antifriction composite materials shown in examples No. 1 and No. 2, was carried out according to the above technology. These samples were subjected to the same tests as the samples of the antifriction material of the prototype. The results of laboratory tests of samples of the obtained materials are shown in the table.
ТаблицаTable
Сравнительный анализ результатов лабораторных испытаний на определение механических и триботехнических характеристик антифрикционных материалов, изготовленных по прототипу и настоящему изобретению, показывает, что антифрикционный композиционный материал по изобретению обладает более высокими по сравнению с прототипом механическими и триботехническими характеристиками.A comparative analysis of the results of laboratory tests to determine the mechanical and tribotechnical characteristics of the antifriction materials made according to the prototype and the present invention shows that the antifriction composite material according to the invention has higher mechanical and tribological characteristics compared to the prototype.
Это означает, что заявленный изобретением технический результат достигнут.This means that the claimed technical result is achieved.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВLIST OF USED SOURCES
1. http://www.mahle-aftermarket.com/MAHLE_Aftermarket_EU/ru/Products-and-Services/Engine-components/Bearings1.http: //www.mahle-aftermarket.com/MAHLE_Aftermarket_EU/en/Products-and-Services/Engine-components/Bearings
2. ГОСТ 14113-78. Сплавы алюминиевые антифрикционные. Марки. - Введ. 01-01-80. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 2003. - 3 с.2. GOST 14113-78. Alloys aluminum antifriction. Stamps. - Enter. 01-01-80. - M .: IPK Publishing House of Standards, 2003. - 3 p.
3. Чернавский С.А. Подшипники скольжения. - М. :Машгиз, 1963. - 239 с.3. Chernavsky S.A. Plain bearings - M.: Mashgiz, 1963 .-- 239 p.
4. Портной К.И., Бабич Б.Н. Дисперсно-упрочненные материалы. - М.: Металлургия, 1974. - 199 с.4. Tailor K.I., Babich B.N. Dispersion hardened materials. - M.: Metallurgy, 1974. - 199 p.
5. Гольдштейн М.И., Фарбер В.М. Дисперсионное упрочнение стали.- М.: Металлургия, 1979. - 208 с.5. Goldstein M.I., Farber V.M. Dispersion hardening of steel. - M.: Metallurgy, 1979. - 208 p.
6. Österreich. - Patent 400.580. KupferwerkstofffürelektrischleitendeVerschleissteile / E. Schalunov, G. Jangg, H. Walther, A. Matrosov. ÖA 1341/93 von 08.07.19936. Österreich. - Patent 400.580. Kupferwerkstofffürelektrischleitende Verschleissteile / E. Schalunov, G. Jangg, H. Walther, A. Matrosov. ÖA 1341/93 von 07/08/1993
7. Шалунов Е.П. Жаро- и износостойкие медные гранулированные композиционные материалы с механохимически синтезированными упрочняющими наночастицами ДИСКОМ® и высокоресурсная продукция из них // Нанотехника. - 2007. - №1 (9). - С. 69-78.7. Shalunov EP Heat-and wear-resistant copper granular composite materials with mechanochemically synthesized strengthening DISCOM ® nanoparticles and high-resource products from them // Nanotechnology. - 2007. - No. 1 (9). - S. 69-78.
8. Илюшин В.В., Потехин Б.А., Христолюбов А.С. Направление создания сплавов скольжения с повышенными технологическими свойствами // Леса России и хозяйство в них. 2013. №1 (44). - с. 169-171.8. Ilyushin V.V., Potekhin B.A., Khristolyubov A.S. The direction of creation of slip alloys with enhanced technological properties // Forests of Russia and the economy in them. 2013. No1 (44). - from. 169-171.
9 USA-Patent US 20030173000 A1. Tin-nickel-copper alloy containing hard particles of WC, W2C, Mo2C, W or Mo; grain size of matrix is not larger than 0, 070 mm / Kenji Sakai a.u. US 10/367,753 of 18.03.2002.9 USA-Patent US 20030173000 A1. Tin-nickel-copper alloy containing hard particles of WC, W 2 C, Mo 2 C, W or Mo; grain size of matrix is not larger than 0, 070 mm / Kenji Sakai au US 10 / 367,753 of 03/18/2002.
10. Витязь П.А., Ильющенко А.Ф., Савич В.В. Новые разработки в области металлургии в Беларуси (2011-2012 гг.) // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сб. докл. 8-го междунар. симп., Минск, 10-12 апр. 2013 г. Ч. 1. - Минск: Беларус. навука, 2013. - с. 366-371.10. Vityaz P.A., Ilyushchenko A.F., Savich V.V. New developments in the field of metallurgy in Belarus (2011-2012) // Powder metallurgy: surface engineering, new powder composite materials. Welding: Sat doc. 8th international Symp., Minsk, April 10-12. 2013, Part 1. - Minsk: Belarus. Navuka, 2013 .-- p. 366-371.
11. Прототип - Витязь П.А., Ильющенко А.Ф., Савич В.В. Новые разработки в области металлургии в Беларуси (2011-2012 гг.) // Порошковая металлургия: инженерия поверхности, новые порошковые композиционные материалы. Сварка: сб. докл. 8-го междунар. симп., Минск, 10-12 апр. 2013 г. Ч. 1. - Минск: Беларус. навука, 2013. - с. 366-371.11. Prototype - Vityaz P.A., Ilyushchenko A.F., Savich V.V. New developments in the field of metallurgy in Belarus (2011-2012) // Powder metallurgy: surface engineering, new powder composite materials. Welding: Sat doc. 8th international Symp., Minsk, April 10-12. 2013, Part 1. - Minsk: Belarus. Navuka, 2013 .-- p. 366-371.
Claims (1)
причем структура композиционного материала представляет собой матрицу из порошкового сплава на основе меди, содержащего олово, в котором железо, дисульфид молибдена, углерод и алюминий содержатся в виде гранул размером менее 50 мкм. An antifriction powder composite material based on copper, containing tin, iron, molybdenum disulfide and carbon in the form of graphite, characterized in that it additionally contains aluminum in the following ratio of components, wt. %:
moreover, the structure of the composite material is a matrix of a tin-based copper alloy powder, in which iron, molybdenum disulfide, carbon and aluminum are contained in the form of granules smaller than 50 microns.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014134122/02A RU2576740C1 (en) | 2014-08-19 | 2014-08-19 | Copper powder-based antifriction composite |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2014134122/02A RU2576740C1 (en) | 2014-08-19 | 2014-08-19 | Copper powder-based antifriction composite |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2576740C1 true RU2576740C1 (en) | 2016-03-10 |
Family
ID=55654103
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2014134122/02A RU2576740C1 (en) | 2014-08-19 | 2014-08-19 | Copper powder-based antifriction composite |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2576740C1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2691452C1 (en) * | 2017-12-27 | 2019-06-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Method of making composite material for electric breaking contacts and material |
| RU2789324C1 (en) * | 2022-07-06 | 2023-02-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Wear-resistant antifriction material based on a two-phase al-sn alloy alloyed with iron, and a method for its production |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4223963A (en) * | 1977-08-01 | 1980-09-23 | Glodin Jury N | Antifriction bearing, method of making same and antifriction material for performing this method |
| RU2201431C2 (en) * | 2000-06-27 | 2003-03-27 | Сергей Михайлович Романов | Antifriction material "romanit", method of preparation thereof, and friction unit member |
| RU2203973C2 (en) * | 1999-08-04 | 2003-05-10 | Акционерное общество открытого типа "Ревдинский завод по обработке цветных металлов" | Anti-friction dispersion-hardened composite material |
| RU2223341C1 (en) * | 2002-12-31 | 2004-02-10 | Ивановский государственный химико-технологический университет | Copper-based powder-like anti-friction composite material |
-
2014
- 2014-08-19 RU RU2014134122/02A patent/RU2576740C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4223963A (en) * | 1977-08-01 | 1980-09-23 | Glodin Jury N | Antifriction bearing, method of making same and antifriction material for performing this method |
| RU2203973C2 (en) * | 1999-08-04 | 2003-05-10 | Акционерное общество открытого типа "Ревдинский завод по обработке цветных металлов" | Anti-friction dispersion-hardened composite material |
| RU2201431C2 (en) * | 2000-06-27 | 2003-03-27 | Сергей Михайлович Романов | Antifriction material "romanit", method of preparation thereof, and friction unit member |
| RU2223341C1 (en) * | 2002-12-31 | 2004-02-10 | Ивановский государственный химико-технологический университет | Copper-based powder-like anti-friction composite material |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2691452C1 (en) * | 2017-12-27 | 2019-06-14 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный технологический университет "СТАНКИН" (ФГБОУ ВО "МГТУ "СТАНКИН") | Method of making composite material for electric breaking contacts and material |
| RU2789324C1 (en) * | 2022-07-06 | 2023-02-01 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Wear-resistant antifriction material based on a two-phase al-sn alloy alloyed with iron, and a method for its production |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US4099314A (en) | Method of producing hollow bodies in aluminum-silicon alloys by powder-extrusion | |
| CN107058808B (en) | A kind of aluminium alloy base solid lubricating composite material and preparation method thereof | |
| Vencl et al. | Microstructural and tribological properties of A356 Al–Si alloy reinforced with Al 2 O 3 particles | |
| EP2631312A1 (en) | Magnesium-alloy member, compressor for use in air conditioner, and method for manufacturing magnesium-alloy member | |
| Zeng et al. | Enhancement of wear properties of ultrafine-structured Al–Sn alloy-embedded Sn nanoparticles through in situ synthesis | |
| CN104889405B (en) | A kind of powder metallurgy Langaloy bearing material | |
| JP6668031B2 (en) | Iron-based sintered alloy material for sliding members | |
| Abioye et al. | Effects of SiC additions on the microstructure, compressive strength and wear resistance of Sn-Sb-Cu bearing alloy formed via powder metallurgy | |
| Raja et al. | Effects on microstructure and hardness of Al-B4C metal matrix composite fabricated through powder metallurgy | |
| RU2251470C2 (en) | Method for making sintered steel material, steel produced by sintering and article of such steel | |
| Rusin et al. | Mechanical and tribological properties of sintered aluminum matrix Al–Sn composites reinforced with Al3Fe particles | |
| Kandavel et al. | Experimental investigations on the microstructure and mechanical properties of sinter-forged Cu and Mo-alloyed low alloy steels | |
| RU2576740C1 (en) | Copper powder-based antifriction composite | |
| Zhang et al. | Microstructure and property of a functionally graded aluminum silicon alloy fabricated by semi-solid backward extrusion process | |
| JP2018040034A (en) | Mg-BASED COMPOSITE MATERIAL AND METHOD FOR PRODUCING THE SAME, AND SLIDING MEMBER | |
| Mahendra et al. | Castable composites and their application in automobiles | |
| RU2436656C1 (en) | Method to produce antifriction item from composite material | |
| CN108883472B (en) | Cu-based sintered sliding material and method for producing same | |
| Shalunov et al. | Heat-and wear-resistant composite material based on copper powder for heavy duty friction pairs | |
| Bajpai et al. | Development of Al-nano composites through powder metallurgy process using a newly designed cold isostatic compaction chamber | |
| GB2364946A (en) | Aluminium alloys and method for the production thereof | |
| Vladimirova et al. | Development of copper dispersion-strengthened composite material with increased indexes of high-temperature strength and wear resistance for thermally loaded friction pairs | |
| Smirnov et al. | Antifriction powder bronzes with mechanically alloyed copper-based granules | |
| Sathishkumar et al. | Material Behaviour of Aluminum Al 360 Alloy Hollow Ring Preforms | |
| RU2746016C1 (en) | Heat-resistant and wear-resistant copper-based material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170820 |