Антифрикционные материалы на основе железа

Изобретение относится к антифрикционным материалам на основе железа для изготовления узлов трения, работающих в тяжелонагруженных условиях. Антифрикционный материал по варианту 1 содержит 0,3÷1,5 мас.% углерода, 1÷9 мас.% никеля, 0,5÷2,5 мас.% молибдена, 10÷25 мас.% меди, 0,5÷5,0 мас.% фторида кальция и остальное железо. Антифрикционный материал по варианту 2 содержит 0,3÷1,5 мас.% углерода, 1÷9 мас.% никеля, 0,5÷2,5 мас.% молибдена, 10÷25 мас.% меди, 0,6÷8,0 мас.% смеси фторида кальция и сульфида марганца и остальное железо. Материал имеет высокие антифрикционные свойства, обеспечивающие возможность длительной работы в условиях сухого трения и высоких температур. 2 н.п. ф-лы, 3 табл.

 

Изобретения относятся к порошковой металлургии, а именно: к производству антифрикционных износостойких материалов, применяемых для изготовления узлов трения, работающих в тяжелонагруженных условиях, в частности в нефтедобывающей промышленности.

Известен порошковый износо- и коррозионно-стойкий материал, содержащий 0-1,5% углерода, 0,5-15,0% никеля, 0-2,5% молибдена и 10-20% меди, введенной методом инфильтрации [пат. РФ №2193115, 2002 г.]. Этот материал используется для изготовления рабочих органов погружных центробежных и центробежно-вихревых насосов.

Недостатками данного материала являются низкие антифрикционные свойства и высокая скорость износа в водной среде.

Наиболее близким к заявляемым по технической сущности и достигаемому эффекту является антифрикционный материал на основе железа, содержащий графит, никель, медь, молибден и твердую смазку [пат. РФ №2283890, 2006 г.]. В соответствии с ним материал содержит в качестве твердой смазки сульфид марганца при следующем соотношении компонентов, мас.%:

графит - до 1,5

никель - 0,5÷15

медь - 10÷20

молибден - 0,5÷2,5

сульфид марганца - 2,5÷7,0

железо - остальное.

Данный материал имеет более высокие антифрикционные свойства и износостойкость, чем аналог.

Несмотря на достаточно высокие антифрикционные свойства, материал не обеспечивает возможность работы в условиях сухого трения, которое может кратковременно возникать при работе оборудования в скважинах с высоким газовым фактором. Тем более его нельзя применять в условиях сухого трения при высоких (до 400-600°C) температурах. Кроме того, материал имеет недостаточную коррозионную стойкость. В конечном итоге это приводит к снижению надежности и ресурса работы деталей в тяжелонагруженных условиях эксплуатации при наличии коррозионной среды и невозможности эксплуатации деталей при высоких температурах (400-600°C).

Задачей изобретений является повышение надежности и ресурса работы деталей в тяжелонагруженных условиях эксплуатации при наличии коррозионной среды, а также обеспечение возможности работы при высоких температурах (до 400-600°C).

Поставленная задача решается за счет того, что антифрикционный материал на основе железа, содержащий углерод, никель, медь, молибден и твердую смазку, в соответствии с заявляемым техническим решением в качестве последней содержит фторид кальция, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод - 0,3÷1,5

никель - 1÷9

молибден - 0,5÷2,5

медь - 10÷25.

фторид кальция - 0,5÷5,0

железо - остальное.

Поставленная задача решается также за счет того, что антифрикционный материал на основе железа, содержащий углерод, никель, медь, молибден и твердую смазку, в соответствии с заявляемым техническим решением в качестве последней содержит смесь фторида кальция и сульфида марганца при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод - 0,3÷1,5

никель - 1÷9

молибден - 0,5÷2,5

медь - 10÷25.

смесь фторида кальция и сульфида марганца - 0,6÷8,0 при следующем их содержании:

фторид кальция - 0,3÷5,0

сульфид марганца - до 3,0

железо - остальное.

Данные технические решения связаны единым изобретательским замыслом и направлены на достижение одной и той же задачи. Поэтому единство изобретений не нарушается.

Замена в материале сульфида марганца, компонента, выполняющего при работе детали роль твердой смазки, на фторид кальция (в соответствии с 1-м техническим решением) или смесь фторида кальция с сульфидом марганца (в соответствии со 2-м техническим решением) при их содержании, а также содержании остальных компонентов заявляемых материалов, в заявляемых пределах, обеспечивает возможность дополнительного снижения коэффициента трения в условиях водной смазки, а также в условиях сухого трения, в том числе при высоких (до 400-600°C) температурах. При этом не уменьшается, а даже немного увеличивается, коррозионная стойкость материалов (в наибольшей степени это проявляется при содержании меди 20-25%), сохраняется их хорошая обрабатываемость, а также несколько увеличивается их прочность.

Обусловлено это достаточно высокой химической и термической стабильностью фторида кальция, в результате чего при введении в материал он хорошо сохраняет свои исходные свойства, а, самое главное, в присутствии фторида кальция в материале при трении на трущихся поверхностях образуются стабильные плотные разделительные пленки толщиной до 40-70 мкм (такие пленки обладают высокой адгезией к материалу основы и хорошо предохраняют трущиеся поверхности от непосредственного контакта металла с металлом, выдерживая высокие нагрузки).

Указанные разделительные пленки сохраняются с увеличением нагрузки и ростом температуры. Экспериментально установлено, что с повышением содержания фторида кальция (до определенного предела) прочность материала при сжатии повышается, в том числе при нагреве до высоких температур (см. табл. 3). При этом наличие в материале молибдена приводит к дополнительному повышению ударной вязкости материала, содержащего фториды. Сравнительно небольшое содержание в материале сульфида марганца в смеси с фторидом кальция также вызывает повышение прочности материала. Повышение обрабатываемости заявляемых материалов обусловлено, видимо, снижением пластичности при введении в материал фторида кальция или смеси его с небольшим количеством сульфида марганца.

Экспериментально установлено, что при нагреве на воздухе фторид кальция имеет достаточно высокое сопротивление окислению.

При содержании в материалах фторида кальция (или его смеси с сульфидом марганца) ниже заявляемых пределов эффект снижения коэффициента трения и скорости износа материалов деталей, а также повышения прочностных характеристик, не проявляется (см. табл. 1).

При содержании в материалах фторида кальция (или его смеси с сульфидом марганца) выше заявляемых пределов наблюдается катастрофический износ материалов деталей из-за недостаточной прочности металлической матрицы (см. табл. 1).

Обусловлено это, вероятно, тем, что при высоком содержании фторида кальция, или его смеси с сульфидом марганца, они обволакивают зерна металлической матрицы, в результате чего ослабевает связь между ними.

Кроме того, обнаружено, что при содержании фторида кальция более 5% резко снижается прессуемость материала.

В новой совокупности существенных признаков у объектов изобретений появляется новое свойство: способность придать материалам более высокие триботехнические характеристики, как в условиях жидкой смазки, так и в условиях сухого трения, в том числе и при высоких (до 400-600°C) температурах, а также более высокую прочность, в том числе при высоких температурах, без снижения их коррозионной стойкости.

Следует отметить, что для материалов, предназначенных для работы при трении без смазки, повышенных нагрузках и температурах, такое сочетание свойств является исключительно ценным.

Благодаря новому свойству решается поставленная задача, а именно: повышение надежности и ресурса работы деталей в тяжелонагруженных условиях эксплуатации при наличии коррозионной среды. Кроме того, обеспечивается возможность работы деталей при высоких температурах (до 400-600°C) в условиях сухого трения.

В качестве примера использования заявляемых материалов в деталях, работающих в условиях водной смазки, можно привести радиальные опоры ступеней экспериментального насоса, представляющие собой пару трения: втулка рабочего колеса - ступица направляющего аппарата (СНА).

В качестве примера использования заявляемых материалов в деталях, работающих в условиях сухого трения при высоких температурах, можно привести ролики конвейерных цепей, используемых в металлургическом производстве.

Для получения материала порошки исходных компонентов смешивают в любом смесителе для порошковой металлургии. Полученную смесь прессуют при давлении 600-800 МПа и спекают в защитной атмосфере при температуре 1150±30°C. Во время спекания проводят инфильтрацию материала медью. При содержании меди свыше 18% до 25% часть меди вводится в состав исходной шихты.

Для проведения сравнительных триботехнических испытаний были изготовлены детали в виде втулок из заявляемых материалов в соответствии с заявляемыми пределами содержания компонентов и с отклонением от них, а также из материала-прототипа.

Триботехнические испытания проводили по схеме втулка-ступица на стенде в условиях односторонней нагрузки на вал. Одностороннюю нагрузку на радиальную пару, работающую в режиме водной смазки (5-7 л/ч), задавали сменными грузиками массой 50 и 200 Н, скорость вращения двигателя составляла 2910 об/мин. Время испытаний при каждой нагрузке 180 и 360 минут. Скорость износа определяли путем замера изменения массы втулки. В процессе испытаний фиксировали изменение момента на валу двигателя. Исходя из полученных значений, рассчитывали коэффициент трения в разные периоды времени.

Коррозионные испытания материалов проводили электрохимическим методом при температуре 80±3°C в статических (без перемешивания раствора) и динамических (перемешивание раствора с помощью магнитной мешалки) условиях в следующих средах:

1. среда NACE (водный раствор 5% NaCl+3% HCl) в соответствии с ASTMВ117-97

2. синтетическая пластовая вода (состав ГОСТ 9.506-87, в г/л: CaCl2×6H2O-34, MgCl2×6H2O-17, NaCl-163, CaSO4×2H2O-0,14) без добавления и с добавлением 20 г/л H2S.

В таблице 1 приведены триботехнические свойства материалов в условиях водной смазки, где примеры 1-6 соответствуют материалам с заявляемыми пределами, примеры 7-13 соответствуют материалам с пределами ниже нижних и выше верхних заявляемых пределов, а примеры 14 и 15 соответствуют материалу-прототипу. Здесь же приведены прочностные свойства указанных материалов. В таблице 2 приведена скорость коррозии материалов в различных средах.

В таблице 3 приведены триботехнические свойства и прочность заявляемых материалов при высоких температурах в сравнении с материалом-прототипом.

Результаты таблицы 2 свидетельствуют о том, что заявляемые материалы имеют скорость коррозии ниже материала-прототипа. О высоких триботехнических свойствах заявляемых материалов свидетельствует также тот факт, что изготовленные из них втулки рабочего колеса и ступицы направляющего аппарата при их контакте между собой обеспечили длительную работу в режиме сухого трения. Обусловлено это тем, что триботехнические свойства заявляемых материалов при повышении температуры (вызываемой работой в условиях сухого трения) увеличиваются (см. табл. 3).

1. Антифрикционный материал на основе железа, содержащий углерод, никель, молибден, медь и твердую смазку, отличающийся тем, что в качестве твердой смазки он содержит фторид кальция при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,3÷1,5
никель 1÷9
молибден 0,5÷2,5
медь 10÷25
фторид кальция 0,5÷5,0
железо остальное

2. Антифрикционный материал на основе железа, содержащий углерод, никель, молибден, медь и твердую смазку, отличающийся тем, что в качестве твердой смазки он содержит смесь фторида кальция с сульфидом марганца при следующем соотношении компонентов, мас.%:

углерод 0,3÷1,5
никель 1÷9
молибден 0,5÷2,5
медь 10÷25

смесь фторида кальция и сульфида марганца 0,6÷8,0 при следующем их содержании:
фторид кальция 0,3÷5,0
сульфид марганца до 3,0
железо остальное



 

Похожие патенты:

Группа изобретений относится к порошковой металлургии. Порошковая композиция на основе железа для получения спеченной детали инжекционным формованием имеет средний размер частиц 20-60 мкм и содержит 0,3-1,6 мас.% Мо, 0,1-0,6 мас.% Р, необязательно до макс.
Изобретение относится к получению высокоплотного порошкового хромсодержащего материала на основе железа. Готовят шихту на основе распыленного порошка хромомолибденовой стали с добавкой углерода.

Группа изобретений относится к cпеченным коррозионностойким материалам на основе железа для узлов трения, работающих в агрессивных средах. Материал по варианту 1 содержит 3÷15 мас.% хрома, 1÷10 мас.% никеля, до 1,8 мас.% молибдена, до 2,0 мас.% углерода, 14÷25 мас.% меди, 0,1÷1,0 мас.% серы, 0,3÷3,0 мас.% марганца и остальное - железо.
Изобретение относится к порошковой металлургии. Порошковый экономнолегированный материал на основе железа для получения поверхностно-упрочненных износостойких деталей содержит 0,3-0,5 мас.% углерода, 1,0-2,0 мас.% титана, 2,0-3,0 мас.% молибдена, 2,0-3,0 мас.% вольфрама, 0,5-1,0 мас.% ванадия, 8,0-10,0 мас.% хрома, 2,0-3,0 мас.% меди, 0,1-0,3 мас.% стеарата цинка и остальное железо.

Изобретение относится к порошковым фрикционным сплавам на основе железа, которые могут быть использованы в узлах трения предохранительных фрикционных муфт сцепления винтовых стрелочных переводов, применяемых на высокоскоростных железнодорожных магистралях.

Изобретение относится к получению высокоплотного фрикционного порошкового фосфорсодержащего материала на основе железа, который может быть использован для изготовления тяжелонагруженных конструкционных деталей фрикционного назначения, испытывающих динамические и истирающие нагрузки.
Настоящее изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения композиционного материала на основе железа включает перемешивание порошков для матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к распыленному водой порошку нержавеющей стали и к спеченному конструктивному элементу. Заявлен распыленный водой порошок нержавеющей стали, содержащий, вес.%: 10,5-30,0 Cr, 0,5-9,0 Ni, 0,01-2,0 Mn, 0,01-3,0 Sn, 0,1-3,0 Si, >0,059-0,4 N, при необходимости, макс.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к твердому припою для высокотемпературной пайки нержавеющей стали. Порошок твердого припоя на железохромовой основе для высокотемпературной пайки основного материала из нержавеющей стали содержит, мас.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к поршневому кольцу для двигателя внутреннего сгорания с покрытием, нанесенным термическим напылением порошка.

Изобретение относится к области получения магнитотвердых материалов, которые могут быть использованы в электротехнике и машиностроении. Предложенный способ получения магнитотвердого соединения Sm2M17Nx позволяет увеличить коэрцитивную силу (Hc) и температуру Кюри (Тс) конечного продукта, что является техническим результатом изобретения.

Группа изобретений относится к порошковой металлургии. Порошковая композиция на основе железа для получения спеченной детали инжекционным формованием имеет средний размер частиц 20-60 мкм и содержит 0,3-1,6 мас.% Мо, 0,1-0,6 мас.% Р, необязательно до макс.

Группа изобретений относится к непрерывному получению титанового порошка в среде расплавленной соли. Способ включает взаимодействие в реакционной зоне первого реактора тетрахлорида титана TiCl4 в расплавленной соли с реагентами, выбранными из частиц титана, субстехиометрического количества восстанавливающего агента и смеси металлического титана с субстехиометрическим количеством восстанавливающего агента, с образованием субхлорида титана, перемещение субхлорида титана в расплавленной соли из реакционной зоны первого реактора в реакционную зону второго реактора посредством устройства для ввода, размещенного на входе второго реактора с обеспечением электрической, ионной или одновременно электрической и ионной изоляции реакционной зоны второго реактора от реакционной зоны первого реактора, взаимодействие в реакционной зоне второго реактора субхлорида титана с расплавленным восстанавливающим металлом с образованием дисперсного титанового порошка в расплавленной соли.

Изобретение может быть использовано в неорганической химии. Способ синтеза ноль-валентных наночастиц переходных металлов - железа, или кобальта, или палладия, или марганца, или платины - с ковалентно модифицированной органическими функциональными группами поверхностью включает восстановление водных растворов солей соответствующих металлов борогидридами щелочных металлов с последующим in situ взаимодействием с водными или водно-органическими растворами арендиазониевых солей.

Изобретение может быть использовано в химии, биологии и медицине в целях визуализации и диагностики. Неорганические коллоидные полупроводниковые нанокристаллы переносят из органической в водную фазу, не смешивающуюся с органической фазой, с помощью катализатора межфазного переноса.

Группа изобретений относится к порошковой металлургии. Порошковая смесь для получения титанового сплава включает порошок титанового сплава, содержащий алюминий и ванадий или содержащий в дополнение к алюминию и ванадию по меньшей мере один из циркония, олова, молибдена, железа и хрома, и по меньшей мере один металлический порошок, выбранный из порошка меди, порошка хрома и порошка железа, смешанного с порошком титанового сплава.

Изобретение относится к нанесению металлического покрытия на полые микросферы. Вакуумная камера является анодом, выполнена с верхней и нижней герметичными крышками, в которых установлены соответственно бункер для полых микросфер и бункер для микросфер с покрытием, и размещена на валу с возможностью поворота на 180° в вертикальной плоскости.
Изобретение относится к порошковой металлургии. Порошковый экономнолегированный материал на основе железа для получения поверхностно-упрочненных износостойких деталей содержит 0,3-0,5 мас.% углерода, 1,0-2,0 мас.% титана, 2,0-3,0 мас.% молибдена, 2,0-3,0 мас.% вольфрама, 0,5-1,0 мас.% ванадия, 8,0-10,0 мас.% хрома, 2,0-3,0 мас.% меди, 0,1-0,3 мас.% стеарата цинка и остальное железо.

Изобретение относится к получению наноструктурированных порошков металлических сплавов. Наноструктурированный порошок твердого раствора кобальт-никель состоит из первичных частиц в виде кобальтоникелевых наноблоков размерами 5-20 нм, агломерированных во вторичные частицы размерами 100-200 нм сферической формы.

Изобретение относится к получению наноструктурированного конгломерированного порошкового материала для нанесения износо-коррозионностойких покрытий гизодинамическим и газотермическим напылением.
Наверх