Состав антифрикционных порошковых материалов на основе меди

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к антифрикционным материалам для высоконагруженных узлов трения. Может использоваться, например, для изготовления антифрикционных втулок. Антфрикционный порошковый материал на основе меди получен из шихты, содержащей, мас.%: порошок олова 0,5-10; порошок свинца 0,5-1,0; графит 0,3-0,5; порошок меди - остальное. Шихту прессуют и спекают путем последовательного увеличения температуры от 20 до 600°С с выдержкой 1,5 часа, увеличения температуры до 660±5°С с выдержкой 1,5 часа и охлаждения на воздухе путем обдува в потоке диссоциированного аммиака. Затем проводят калибровку при удельном давлении, равном давлению прессования, и повторное спекание путем последовательного увеличения температуры от 20 до 860±5°С с выдержкой 1,5 часа и охлаждение на воздухе. Полученный материал обладает высокими антифрикционными свойствами и высокой износостойкостью.

 

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к антифрикционным материалам для высоконагруженных узлов трения, в частности может быть использовано при изготовлении антифрикционных втулок.

Известен состав и способ получения антифрикционных порошковых материалов на основе бронзы (патент РФ №2090308, МПК B22F1/00, опубл. 1997.09.20), включающий приготовление шихты, состоящей из смеси порошков меди и стекла, с последующим смешиванием с порошком бронзы, смесь порошков меди и стекла обрабатывается в аттриторе, причем шихта состоит из следующих соотношений компонентов, мас.%: стекло - 5…20, медь - 5…20, бронза - остальное.

Известен способ получения антифрикционного материала на основе меди (патент РФ №2203972, МПК С22С 1/05, B22F 3/20, B22F 3/24, опубл. 2003.05.10), включающий приготовление порошковой смеси путем механохимического легирования с добавлением твердой смазки и геттера, холодное прессование, спекание и горячую экструзию, при этом после горячей экструзии материал подвергают закалке при температуре 850±30°С, охлаждают в ванне с водой и подвергают старению при температуре 400±50°С, после чего охлаждают вместе с печью. Изобретение относится к способам изготовления антифрикционных материалов с твердыми смазками на основе меди, предназначенных для получения деталей триботехнического назначения (самосмазывающихся износостойких подшипников скольжения в узлах трения), при этом увеличивается процентное содержание твердых смазок в объеме материала, что повышает его прочностные характеристики.

Известен состав и способ получения антифрикционных порошковых материалов на основе меди (патент РФ №2285582, МПК B22F 3/12, С22С 1/05, B22F 8/00, F16C 33/12, опубл. 2006.10.20), включающий приготовление шихты, содержащей бронзографитовый порошок с размером частиц не более 250 мкм, полученный путем размола отработанных бронзографитовых подшипников, и порошок меди в количестве 11-12% от количества бронзографитового порошка. Полученную шихту прессуют при 250-270 МПа и спекают в защитной среде при 890-910°С не менее 60 минут. Однако известный антифрикционный порошковый материал на основе меди не может использоваться для высоконагруженных узлов трения, в частности при изготовлении антифрикционных втулок.

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в повышении антифрикционных свойств порошковых материалов на основе меди, увеличение их износостойкости для изготовления антифрикционных втулок.

Технический результат достигается тем, что в составе антифрикционных порошковых материалов на основе меди, включающем смесь порошка меди и легирующих материалов, новым является то, что в качестве легирующих материалов используют порошок олова, порошок свинцовый, графит, причем шихта содержит компоненты при следующем соотношении, мас.%:

порошок олова	9,5…10
порошок свинцовый	0,5…1,0
графит	0,3…0,5
порошок медный электролитический	остальное

Ниже представлена таблица свойств антифрикционных материалов на основе меди.

Введенные легирующие элементы в состав композиции на медной основе имеют следующее назначение:

- олово хорошо взаимодействует с медью, образуя при этом легкоплавкую эвтектику (CuSn), которая легко заполняет поры и тем самым обеспечивает стабильность размеров прессуемых изделий;

- графит улучшает прессуемость заготовок, улучшая эрозионные свойства медных изделий;

- свинец улучшает антифрикционные свойства изделий и обеспечивает стабильность размеров после спекания.

При изменении диапазона количественного состава компонентов происходит ухудшение физико-технических свойств получаемого материала, что не позволяет его использовать в производстве антифрикционных втулок шестеренчатых маслонасосов.

Технологический процесс получения антифрикционного порошкового материала на основе меди включает следующие основные операции: подготовка исходных компонентов; взвешивание исходных компонентов; перемешивание составляющих шихты; дозировка; прессование; спекание, калибровка и дополнительное спекание.

Операция подготовки исходных материалов заключается в получении порошковой фракции с размерами частиц 140÷150 мкм и менее методом просеивания через сетки с размерами ячейки заданных размеров и сушки графита при температуре 100°С. Затем просеянные и отобранные по необходимым фракциям порошки взвешивались на гастрономических весах типа РМ 10Ц13у с точностью до ±0,5 г.

В соответствии с количественным соотношением компонентов шихты основой является медный порошок, а остальные составляющие являются легирующими материалами, в связи с этим строго соблюдалась последовательность засыпки отвешенных компонентов шихты в смеситель по мере их уменьшения процентного состава. Легирующие материалы засыпают в шихту последовательно по мере уменьшения их процентного состава. Перемешивание осуществлялось в смесителе типа «пьяная бочка» в течение 6 часов с обязательной загрузкой стальных уголков, обеспечивающих качественное перемешивание составляющих шихты. В качестве пластификатора использовали стеарат цинка. После анализа химического состава шихты следует операция дозировки, которая производилась на технических весах с точностью взвешивания до 0,1 г.

Прессование образцов осуществлялось в пресс-форме на гидравлическом прессе с удельным усилием прессования от 200 до 400 МПа.

Контейнер с шихтой загружают в холодную печь. Спекание проводилось в камерной печи типа СНОЛ, в защитной среде диссоциированного аммиака, путем последовательного увеличения температуры от 20°С до 600°С с выдержкой 1,5 часа, дальнейшим повышением температуры до 660°С±5°С с выдержкой 1,5 часа и последующим охлаждением на воздухе путем обдува в потоке диссоциированного аммиака, а калибровка осуществлялась при удельном давлении, равном давлению прессования, с последующим режимом спекания путем последовательного увеличения температуры от 20°С до 860°С±5°С с выдержкой 1,5 часа и последующим охлаждением на воздухе путем обдува в потоке диссоциированного аммиака.

С целью уплотнения и упрочнения порошкового материала в технологический процесс ввели дополнительные операции: калибрование изделий и повторное спекание.

Удельное давление при операции калибровки равнялось давлению прессования. Спекание после калибровки производили по следующему режиму:

- загрузка контейнера в холодную печь, повышение температуры до 860°С - выдержка 1,5 часа,

- охлаждение с контейнером на воздухе с обдувом в потоке диссоциированного аммиака.

Результаты испытания образцов после введения дополнительных операций показали, что твердость порошковых легированных материалов увеличилась до уровня литого материала.

Проведенные исследования показали, что изготовление антифрикционных втулок шестеренчатых маслонасосов методом порошковой металлургии из легированного порошка на медной основе имеет ряд преимуществ перед технологическим процессом литья прутков различного диаметра:

- высокий коэффициент использования материала 0,9÷0,98;

- максимальное приближение форм и размеров заготовки к форме и размерам готового изделия;

- наличие пористости в изделиях из порошковых материалов, обусловленной не сплошной поверхностью, улучшает прирабатываемость сопрягаемых деталей, обеспечивая при этом образование масляной пленки на трущихся поверхностях изделий, что создает эффект самосмазываемости, исключающий сухое трение, и уменьшает износ цилиндров двигателя при его холодном запуске.

Таким образом, предлагаемый состав антифрикционных порошковых материалов на основе меди для изготовления антифрикционных втулок методом порошковой металлургии позволит повысить их износостойкость, что приведет к повышению надежности в эксплуатации антифрикционных втулок, повысить коэффициент использования материала и, следовательно, повысить экономичность производства.

Марка материала	Режим спекания	Плотность, ρ (г/см3)	Пористость, %	Предел проч. на сжатие, σв (МПа)	НВ (МПа)	Примечание
БрОС 10-10 литой		7,94	1	1030÷1110	732÷796
БрОСГр 10-1-0,5 порошковый	2	7,82	11,2	1407	688÷702	Изменение размеров после спекания нет
БрОСГр 6-1-0,5 порошковый	4	8,1	8,68	1417	649÷662	Изменение размеров после спекания нет, небольшое разбухание по диаметру (0,1 мм) и высоте (0,1 мм)
БрОГр 10-2 порошковый	2	7,14	18,4	895	601÷662
БрОС 6-6 порошковый	2	-	-	-	383-396	Изменение размеров после спекания нет, выпотевание свинца

Антфрикционный порошковый материал на основе меди, полученный из шихты, содержащей порошок олова, порошок свинца, порошок меди и графит, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

порошок олова	9,5-10
порошок свинца	0,5-1,0
графит	0,3-0,5
порошок меди	остальное

прессованием и спеканием путем последовательного увеличения температуры от 20 до 600°С с выдержкой 1,5 ч и дальнейшего увеличения температуры до (660±5)°С с выдержкой 1,5 ч с последующим охлаждением на воздухе путем обдува в потоке диссоциированного аммиака, с последующей калибровкой при удельном давлении, равном давлению прессования, и повторным спеканием путем последовательного увеличения температуры от 20 до (860±5)°С с выдержкой 1,5 ч и охлаждение на воздухе.