Износостойкий сплав для высоконагруженных узлов трения
Владельцы патента RU 2509170:
Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России) (RU)
Изобретение относится к области порошковой металлургии и предназначено для производства износостойких сплавов на основе карбонитридов титана, работающих в сложных условиях динамического нагружения, высоких контактных давлений и скоростей. Износостойкий сплав для высоконагруженных узлов трения имеет матрицу эвтектического состава и содержит, вес.%: никель 4,0-5,5, вольфрам 47,0-49,5, молибден 3,0-4,0, хром 8,5-9,0, железо 8,0-10,0, углерод 2,3-2,4, сера 0,4-0,5, карбонитрид титана (TiC0,55N0,5) - остальное. Соотношение молибдена к сере (Mo/S) не превышает 10. Сплав имеет высокую износостойкость, что обеспечивает эксплуатационной надежности высоконагруженных узлов трения. 2 табл.
Изобретение относится к области порошковой металлургии и предназначено для производства износостойких сплавов на основе карбонитридов титана, работающих в сложных условиях динамического нагружения, высоких контактных давлений и скоростей.
Известны различные износостойкие металлические материалы, получаемые методом порошковой металлургии и широко применяемые в машиностроительных отраслях промышленности и народного хозяйства (например, сплавы типа ПК 70, ПК40Х132, ВКЗ), а также другие аналоги, указываемые в научно-технической и патентной литературе [1-5]. Однако известные сплавы не обеспечивают требуемого уровня основных физико-механических и служебных характеристик получаемого материала в условиях длительного воздействия повышенных контактных давлений, температур и скоростей, что существенно снижает работоспособность и эксплуатационную надежность высоконагруженных подшипниковых конструкций и узлов сухого и граничного трения, используемых в судовом, транспортном и энергетическом машиностроении.
Наиболее близким к заявляемой композиции по базовому химическому составу и функциональному назначению компонентов является твердый сплав системы TiCxNy [1], содержащий в своем составе следующие элементы, вес.%:
| - никель | 9,5-49,0 |
| - молибден | 2,5-20,5 |
| - карбонитрид титана TiC0,5,5N0,5 | остальное |
Данную марку сплава в соответствии с требованиями действующей нормативно-технической и технологической документации рекомендуется использовать как конструкционный материал в машиностроительных отраслях промышленности и народного хозяйства [6-11] при производстве серийной металлопродукции общетехнического назначения. При этом известный сплав характеризуется недостаточно высоким уровнем основных физико-механическйх и служебных свойств, которые во многом определяют его антифрикционные характеристики и, в первую очередь, износостойкость в условиях длительного динамического нагружения и воздействия высоких контактных давлений, температур и скоростей [10-14].
Техническим результатом настоящего изобретения является создание износостойкого сплава, обладающего улучшенным комплексом основных физико-механических и служебных свойств, что обеспечивает более высокий уровень износостойкости и эксплуатационной надежности.
Поставленный технический результат в заявляемом изобретении достигается в результате того, что в базовый состав известного сплава, содержащего никель, молибден и карбонитрид титана, дополнительно введены вольфрам, хром, железо, сера и углерод при следующем соотношении компонентов, в мас.%:
| никель | 4,0-5,5 |
| вольфрам | 47,0-49,5 |
| молибден | 3,0-4,0 |
| хром | 8,5-9,0 |
| железо | 8,0-10,0 |
| углерод | 2,3-2,4 |
| сера | 0,4-0,5 |
| карбонитрид титана TiC0,5N0,5 | остальное |
При этом отношение молибдена к сере (Mo/S) не должно превышать 10.
Соотношение указанных элементов выбрано таким, чтобы заявляемая композиция обеспечивала формирование наиболее оптимального структурного состояния, требуемый уровень и стабильность его важнейших структурно-чувствительных свойств, во многом определяющих заданную работоспособность и эксплуатационную надежность, а также ресурсные характеристики создаваемых подшипниковых конструкций и высоконагруженных узлов трения.
Введение в заявленный сплав легирующих и модифицирующих добавок вольфрама, хрома, железа, углерода и серы в указанном концентрационном соотношении с другими компонентами и, в первую очередь, с молибденом, никелем и карбонитридом титана состава TiC0,5N0,5, являющегося основой заявляемого подшипникового сплава, способствует созданию связующей матрицы эвтектического состава с температурой плавления 1085°C, необходимого для повышения технологичности на стадии металлургического производства, а также улучшения всего комплекса заданных физико-механических свойств, определяющих его износостойкость в сложных условиях воздействия повышенных температур, давлений и скоростей трения.
Важным обстоятельством для обеспечения благоприятных условий длительной эксплуатации высоконагруженных узлов трения является наличие в составе и структуре износостойкого материала, получаемого методом порошковой металлургии, дисульфида молибдена, выполняющего роль твердой смазки, и обеспечивающей низкий коэффициент трения (см. табл.2) в процессе рабочего взаимодействия высоконагруженных трущихся поверхностей. При этом введение в заявленную композицию молибдена и серы в указанном в формуле изобретения соотношении (Mo/S≤10) способствует эффективному самосмазыванию рабочих поверхностей пар трения. В условиях длительного воздействия высоких контактных рабочих давлений это позволяет обеспечить расчетные ресурсные характеристики создаваемых подшипниковых узлов трения при сохранении достаточно высокого уровня механических свойств материала.
Результаты физико-химических исследований, лабораторных и стендовых испытаний показали, что несоблюдение указанного концентрационного соотношения между молибденом и серой существенно снижает эффективность влияния MoS2, образующегося на стадии металлургического передела полуфабрикатов, а также в процессе технологических нагревов и последующей термической обработки формируемого оптимального структурного состояния сплава. При этом полученный более высокий уровень основных физико-механических и служебных свойств сплава, во многом определяющих требуемую работоспособность и эксплуатационную надежность разработанного материала, и прежде всего, износостойкость в условиях сложного динамического нагружения обеспечивается комплексным легированием заявляемой композиции в указанном соотношении с другими элементами, сбалансированным химическим и фазовым составом, нормированным содержанием вводимых модифицирующих добавок, а также контролированием чистоты металла по остаточным вредным примесям.
В ЦНИИ КМ «Прометей» совместно с другими предприятиями отрасли и в соответствии с планом научно-исследовательских разработок в рамках федеральной целевой научно-технической программы [15] выполнен необходимый комплекс лабораторных, стендовых и опытно-промышленных работ по пластической и термической обработке рекомендуемой марки сплава. При этом заготовку - полуфабрикат заявляемого состава получают путем совместного помола предварительно синтезированной основы эвтектического состава из указанных компонентов и базовой основы карбонитрида титана (TiC0,5N0,5). Соотношение основы эвтектического состава и карбонитрида титана составляет 72-80 к 20-32 объемных %. Помол проведен в среде этанола в лабораторной шаровой мельнице. Из полученной высушенной и пластифицированной массы, методом прессования, на промышленном прессовом оборудовании, изготовлены заготовки требуемой формы и размеров с последующим спеканием в вакуумной печи в температурном интервале 1320-1350°C. Химический состав рассматриваемых материалов, а также результаты определения основных физико-механических свойств и характеристик представлены в табл.1 и 2.
Ожидаемый технико-экономический эффект применения разработанного износостойкого сплава в машиностроительных отраслях промышленности и народного хозяйства выразится в повышении работоспособности и эксплуатационной надежности, а также ресурсных характеристик создаваемых подшипниковых конструкций и узлов пограничного и сухого трения в разрабатываемых образцах корабельной, транспортной, энергетической и космической техники нового поколения.
| Таблица 1 | |||||||||
| Химический состав исследованных материалов | |||||||||
| Состав | Условный номер состава | Содержание элементов, массовых и % | |||||||
| Ni | W | Mo | Cr | Fe | С | S | Mo/S | ||
| Заявлен- ный |
1 | 4,5 | 48,2 | 3,0 | 8,7 | 8Д | 2,3 | 0,5 | 6,0 |
| 2 | 5,0 | 47.0 | 3,5 | 8,5 | 10,0 | 2,35 | 0,45 | 7.7 | |
| 3 | 5.5 | 49,5 | 4,0 | 9,0 | 9,2 | 2,4 | 0,4 | 10,0 | |
| Извест- ный |
4 | 9,5 | - | 4,5 | - | - | - | - | - |
| Примечание: Основа - карбонитрид титана состава TiC0,5N0,5 |
| Таблица 2 | |||||
| Результаты определения основных физико-механических и служебных свойств исследованных материалов | |||||
| Состав | № | Предел прочности на изгиб, МПа | Твердость по шкале HRA | Коэффициент трения, µ | Относительная износостойкость |
| Заявляемый | 1 | 1200 | 92-93 | 0,12 | 1,7 |
| 2 | 1400 | 91,5-92,5 | 0,16 | 1,68 | |
| 3 | 1620 | 91-92 | 0,18 | 1,65 | |
| Известный | 4 | 1000 | 89 | 0,24 | 1,0 |
| Примечание: | 1. Результаты механических испытаний усреднены по 3-м образцам на точку | ||||
| 2. Механические свойства исследованных сплавов, включая предел прочности при изгибе и твердость по шкале Роквелла (Ra), определялись в соответствии с требованиями ГОСТ 29919-74 и ГОСТ 20017-74 | |||||
| 3. Определение износостойкости образцов проводилось на лабораторной машине «Шкода-Саввина». Оценка износостойкости исследуемых сплавов проводилась в относительных единицах по отношению к прототипу заявляемой композиции |
Литература
1. Авторское свидетельство №609338, М. Кл. С22С/29/00, 1980 г. - прототип.
2. ГОСТ 28378 - 89. «Материалы конструкционные порошковые на основе железа» (Марки), ГОСТ стандарт, М. 1990.
3. Макаренко Г.Н., Миллер Т.Н. В кн. «Карбиды и сплавы на их основе», Киев, Изд. «Наукова думка», 1976, с.5-9.
4. Богомолов A.M., Резвых В.Ф., Шуваев А.П., и др. В кн. «Дисперсные порошки и материалы на их основе», Киев, Изд. «Наукова думка», 1982 г., с.127-130.
5. Кипарисов С.С., Левинский О.Я., Петров А.П. «Карбид титана (получение, свойства и применение), М. Изд. Металлургия. 1987.
6. Эйдук О.Н., Липкес О.Я. В кн. Производство и применение твердых сплавов, М. Изд. Металлургия. 1981. с.42-46.
7. Брейтуэйт Е.Р. Твердые смазочные материалы и антифрикционные покрытия (перевод с англ.), Изд. Химия, 1967 г.
8. Вайштейн В.Э., Трояновский Г.И. Сухие смазки и самосмазывающиеся материалы, Изд. Машиностроение, 1968 г.
9. Боуден Ф., Тейбор Д. Трение и смазка твердых тел, Машиностроение. 1968 г.
10. Звездин Ю.И., Повышев И.А. Материалы для пар трения в вакууме. Сб. ст. Металловедение, №14, Изд. Судостроение, 1970.
11. Тузников А.Ф. Антифрикционные свойства различных материалов, Сб. ст. «Металловедение», №14, Изд. Судостроение, 1970.
12. Горынин И.В., Ушков С.С., Хатунцев А.Н., Лошакова Н.И. Титановые сплавы для морской техники, Изд. Политехника, СПб. 2007 г.
13. Дьяченко П.Е., Чатынян Л.А., Кестнер О.Е. Исследование износа материалов при трении в условиях высоких температур, Изд. АН СССР, ОТН, №11, 1956 г.
14. Гриб В.В., Лазарев Г.Е. «Лабораторные испытания материалов на трение и износ». Изд. Наука, 1968 г.
15. Федеральная целевая научно-техническая программа на 2007-2012 г. «Уплотнение». Наименование работы: «Разработка технологий создания экологически чистых уплотнений и опор скольжения из антифрикционных композиционных материалов на основе углепластиков, капролона и графитобаббита для гребных и дейдвудных валов судов всех классов и назначений».
Износостойкий сплав для высоконагруженных узлов трения, содержащий никель, молибден и карбонитрид титана, отличающийся тем, что он имеет матрицу эвтектического состава и дополнительно содержит вольфрам, хром, железо, углерод и серу при следующем соотношении компонентов, вес.%:
| никель | 4,0-5,5 |
| вольфрам | 47,0-49,5 |
| молибден | 3,0-4,0 |
| хром | 8,5-9,0 |
| железо | 8,0-10,0 |
| углерод | 2,3-2,4 |
| сера | 0,4-0,5 |
| карбонитрид титана (TiC0,55N0,5) | остальное |
при этом отношение молибдена к сере (Mo/S) не превышает 10.
