Шихта для получения горячим прессованием высокотемпературного композиционного антифрикционного материала на никелевой основе
Владельцы патента RU 2672975:
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт экспериментальной физики" (ФГУП "РФЯЦ-ВНИИЭФ") (RU)
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") (RU)
Изобретение относится к получению горячим прессованием высокотемпературного композиционного антифрикционного материала на никелевой основе. Шихта содержит нанопорошки никеля (Ni) и молибдена (Мо), порошок дисульфида молибдена (MoS2) и порошок меди (Cu). При этом частицы порошка дисульфида молибдена агломерированы с частицами порошка молибдена. Обеспечивается получение антифрикционного материала, работоспособного в условиях высокоинтенсивных механических воздействий сил трения качения и вращения и высоких температур, составляющих 800-1000°С, и обладающего повышенной механической прочностью. 1 табл., 1 пр.
Предлагаемое изобретение относится к области технологий изготовления антифрикционных материалов методом порошковой металлургии, и может быть использовано для получения высокотемпературных антифрикционных материалов, эксплуатируемых в условиях высокоинтенсивных механических воздействий сил трения качения и вращения, и высоких температур, например, на АЭС.
Из уровня техники известен композиционный материал (АС СССР №449960, МПК С22С 1/00, публ. 15.11.1974 г.), антифрикционного назначения, согласно которому литой композиционный состав на основе промышленных литейных алюминиевых сплавов (типа силуминов) содержит дискретные наполнители двух видов: высокотвердые, высокомодульные керамические частицы карбидов, нитридов, оксидов размером не более 20 мкм и частицы графита фракционного состава 40-160 мкм, объемная доля керамического наполнителя от 2,5 до 5,0 об. %.
К недостаткам известного изобретения относится недостаточно высокие антифрикционные свойства, стойкость к воздействию высоких температур и радиационных воздействий, которыми характеризуются условия эксплуатации изделий на АЭС.
Задачей авторов изобретения является разработка антифрикционного материала, работоспособного в условиях высокоинтенсивных механических воздействий сил трения качения и вращения и высоких температур (в диапазоне 800-1000°C), характеризующегося повышенной механической прочностью.
Новый технический результат, обеспечиваемый использованием предлагаемого изобретения, заключается в улучшении антифрикционных свойств, прочности и термостойкости.
Указанные задача и новый технический результат, обеспечиваются предлагаемым изобретением, представляющим собой шихту для получения горячим прессованием высокотемпературного композиционного антифрикционного материала на никелевой основе, содержащую нанопорошки никеля (Ni), молибдена (Мо) и порошок дисульфида молибдена (MoS2), согласно изобретению она содержит в составе шихты дополнительно порошкообразную медь, а дисульфид молибдена в виде частиц, которые предварительно агломерированы с частицами молибдена при следующем соотношении ингредиентов, % мас.:
Мо - от 10 до 20%
Cu - от 1,0 до 10%
MoS2 - от 8 до 12%
Ni - остальное.
Предлагаемое изобретение поясняется следующим образом.
Антифрикционные материалы, характеризующиеся высокими трибологическими свойствами, довольно широко применяются в промышленности, в установках, где имеются вращающиеся детали, работающие при высоких динамических нагрузках усилий трения, вращения, вибраций (коэффициент трения которых порядка κ≤0,3). Особенно востребованы антифрикционные материалы, характеризующиеся повышенной работоспособностью при высоких температурных воздействиях, или в радиационных зонах (вращающиеся турбины на АЭС, в авиации, космических аппаратах).
Условиям получения антифрикционных материалов с повышенными механическими характеристиками и термической прочностью оптимально соответствует метод порошковой металлургии. Метод порошковой
металлургии наиболее эффективен для изготовления антифрикционных изделий различного химического состава с хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, низким и стабильным коэффициентом трения (обычно ≤0,3, при наличии смазки <0,1).
Преимуществом таких материалов является их способность работать в тяжелых условиях без смазки. Традиционно антифрикционные материалы изготавливаются, в основном, на основе медных сплавов (баббиты) и имеют недостаточную износостойкость при высоких механических нагрузках и повышенной температуре.
Экспериментально было установлено, что для повышения термостойкости антифрикционных материалов целесообразно использовать в качестве матрицы жаропрочные сплавы на основе Ni, а в качестве «твердой смазки» тугоплавкие соединения с гексагональной графитоподобной решеткой, например BN или MoS2.
Предметом настоящего изобретения являются высокотемпературные антифрикционные материалы, которые нашли широкое применение в различных отраслях промышленности и предназначены для производства изделий с низкими потерями на трение, с хорошей прирабатываемостью, и высокой износостойкостью.
Для решения задачи разработки высокотермостойкого антифрикционного материала необходимо удовлетворить следующим требованиям:
- низкий коэффициент трения,
- сравнительно высокая механическая прочность,
- способность сохранять работоспособность при повышенной (не менее 300°С) температуре. Антифрикционный материал, удовлетворяющий данным требованиям, должен представлять собой прочную матрицу, несущую основную механическую нагрузку, и смазывающий компонент, обеспечивающий низкий коэффициент трения.
В промышленности применяются самосмазывающиеся подшипники с матрицами на основе сплавов Fe или цветных металлов (в основном, Cu).
Традиционно в качестве смазки применяют минеральные масла (И-20А, МГ) или элементарную серу (S), которыми пропитывают пористые заготовки. Смазывающий компонент (BN, ZnS, MoS2, графит, соединения Se) вводится в металлическую матрицу в виде порошка. Однако, рабочая температура традиционных материалов не превышает 170°С для Fe-основы и 120°С для подшипников на основе сплавов Cu /1/, что оказывается недостаточно. Кроме того, антифрикционные материалы на железной основе подвержены влиянию коррозии, что также является недостатком.
В порошковой металлургии традиционным методом получения изделий является метод предварительного компактирования порошков (или их смесей) с последующим «свободным» спеканием при температуре, превышающей температуру начала рекристаллизации основного компонента: 0,5-0,7 Тпл. Однако, изделия, полученные таким методом, почти всегда имеют значительную остаточную пористость, что снижает их прочностные характеристики. Экспериментально показано, что материалы с невысокой пористостью получаются при использовании метода жидкофазного спекания. При этом компоненты материала, находящиеся в твердой фазе, должны хорошо смачиваться жидкостью (краевой угол смачивания близок или равен 0°). Наличие в составе материала «твердых смазок» препятствует процессу уплотнения в объеме готового изделия.
Однако предлагаемый полученный горячим прессованием материал на никелевой основе (58% Ni + 20% Mo + 10% Cu + 12% MoS2) характеризовался достаточно плотным (средняя плотность 7,63 г/см3) и прочным, при обработке хорошо «держал» острую кромку.
В результате проведения ряда опытов были получены образцы такого материала различных типоразмеров, которые подвергались контрольным испытаниям. После проведения контрольных испытаний установлено, что данный материал имеет очень высокие физико-механические характеристики - обладает высокой износостойкостью и термостойкостью в условиях радиационного воздействия и воздействия сил трения. Это подтверждено применением данного материала в составе экспериментального узла реакторной установки. Характеристики данного материала представлены в таблице 1.
Таким образом, при использовании предлагаемого состава высокотемпературного антифрикционного материала был достигнут высокий уровень физико-механических свойств в условиях радиационного воздействия - антифрикционные свойства, прочность, термостойкость.
Возможность промышленной реализации изобретения подтверждается следующими примерами.
Пример 1. В лабораторных условиях предлагаемый антифрикционный материал был получен горячим прессованием. Изготавливали образцы следующих составов: 58% Ni + 20% Мо + 10%Cu + 12% MoS2; ПН75Ю23В2 + 10% MoS2; ПН70Ю30 + 10% MoS2 (таблица 1).
Оценку качества полученных образцов проводили по следующим параметрам: внешний вид, обрабатываемость, склонность к осыпанию острых кромок, термостойкость, прочность.
Образцы имели следующую плотность: 7,63 г/см3 (состав 1), 6,34 г/см3 (состав 2) и 5,63 г/см3 (состав 3).
Материал на основе ПН70Ю30 получился непрочным, легко осыпался по кромкам, материал на основе ПН75Ю23В2 практически не обрабатывался резцом из-за очень высокой твердости и также осыпался по кромкам. Кроме того, на шлифованных поверхностях при небольшом увеличении (×20) наблюдалась значительная пористость.
Материал на никелевой основе (58% Ni + 20% Мо + 10% Cu + 12% MoS2) получился достаточно плотным (средняя плотность 7.63 г/см3) и прочным, при обработке хорошо «держал» острую кромку.
Таким образом, наилучшее качество имел материал на основе никелевого сплава (состав 1).
Шихта для получения горячим прессованием высокотемпературного композиционного антифрикционного материала на никелевой основе, содержащая нанопорошки никеля (Ni), молибдена (Мо) и порошок дисульфида молибдена (MoS2), отличающаяся тем, что она содержит порошкообразную медь, при этом частицы порошка дисульфида молибдена агломерированы с частицами порошка молибдена при следующем соотношении ингредиентов, мас.%:
| Мо | от 10 до 20 |
| Cu | от 1,0 до 10 |
| MoS2 | от 8 до 12 |
| Ni | остальное |
