Способ получения двухслойного порошкового антифрикционного материала на основе меди

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления антифрикционных материалов на основе меди. Может использоваться для получения деталей триботехнического назначения, подвергаемых пластической деформации для формообразования. В пресс-форму засыпают послойно шихту основы, содержащую мас.%: 4-8 олова, остальное медь, и шихту антифрикционного слоя на основе меди с 8-10 мас.% олова при соотношении массы шихты слоя основы к массе шихты антифрикционного слоя (8-10):1. Затем прессуют заготовку и спекают ее в защитно-восстановительной атмосфере. Обеспечиваются высокие триботехнические свойства, пластичность и прочность. 3 з.п. ф-лы, 1 табл., 10 пр.

 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления антифрикционных материалов на основе меди, предназначенных для получения деталей триботехнического назначения, подвергаемых пластической деформации для формообразования.

Известны способы получения антифрикционных материалов на основе меди, содержащих 6-12% олова [Федорченко И.М., Пугина Л.И. Композиционные спеченные антифрикционные материалы, Киев, Наукова думка, 1980., стр. 230]. Антифрикционные материалы с содержанием олова 6-8% имеют высокую пластичность, но низкие прочность и триботехнические свойства (невысокую износостойкость), материалы с содержанием олова 10-18% имеют высокую прочность за счет наличия в структуре эвтектики, но низкую пластичность, не позволяющую подвергать изделия пластической деформации.

Имеются сведения о введении твердых смазок для повышения износостойкости порошковых материалов, например, графита в количестве 1-25%. Однако добавки графита приводят к снижению пластичности и прочности материала.

Известно также введение в порошковые материалы на основе меди омедненного графита в количестве 16-17% и гранулы омедненного полимера в количестве 7-9% [RU 960148] или добавок 10-15% углерода, 4-8% нитрида кремния, 3-5% оксида алюминия, 2-3% бериллия [RU 4902661], или добавок оксида алюминия никельсодержащего соединения [US 6844085]. Однако такие материалы имеют низкую пластичность, прочность и высокий коэффициент трения.

В качестве прототипа выбран способ получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, включающий приготовление шихты смешиванием

порошков меди, олова, оксида алюминия и оксида никеля, формование из шихты прессованием заготовки и ее спекание в защитно-восстановительной атмосфере [BY 11527].

Однако материал имеет низкую пластичность, прочность и недостаточно высокие триботехнические свойства из-за того, что включения оксидов, не взаимодействующие с медной основой, в процессе трения выкрашиваются, снижается износостойкость, кроме того, материал имеет низкую пластичность, что не дает возможность подвергать изделия пластической деформации.

Задача - повышение пластичности, прочности и триботехнических свойств антифрикционного материала на основе меди.

Поставленная задача решается тем, что в способе получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, включающем приготовление шихты смешиванием порошков меди, олова и добавок, формование из шихты прессованием в пресс-форме заготовки и ее спекание в защитно-восстановительной атмосфере, при формовании заготовки в пресс-форму засыпают послойно шихту основы, содержащую масс. %: 4-8 олова, остальное медь и шихту антифрикционного слоя на основе меди с 8-10 мас. % олова при соотношении массы шихты слоя основы к массе шихты антифрикционного слоя 8-10:1

Послойное засыпание шихты основы и шихты антифрикционного слоя в пресс-форму при прессовании позволяет получать двухслойную заготовку, в которой основу составляет материал на основе меди с содержанием олова 4-8%, имеющий большую пластичность, чем материал антифрикционного слоя, в котором содержится олова 8-10 мас. % и дополнительно добавки, снижающие пластичность материала.

Соотношение массы шихты слоя основы к массе шихты антифрикционного слоя 8-10:1 позволяет после прессования получить в заготовке необходимый для осуществления пластической деформации слой, имеющий удовлетворительную прочность, и объем антифрикционного слоя, необходимый для обеспечения требуемых прочности и триботехнических свойств. При соотношении

массы шихты слоя основы к массе шихты антифрикционного слоя менее 8:1 после прессования получается объем основы, недостаточный для проведения пластической деформации, а при соотношении более 10:1 образующийся антифрикционный слой недостаточной толщины и в процессе трения быстро изнашивается.

Введение в основу 4-8% олова позволяет получить структуру α-твердого раствора олова в меди, обладающего удовлетворительной пластичностью, а введение 8-10 мас. % олова в антифрикционный слой способствует повышению прочности, износостойкости материала за счет образования эвтектоида α+δ в α-твердом растворе.

Возможен способ получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, отличающийся тем, что шихта антифрикционного слоя дополнительно содержит 0,1-0,5 мас. % композиционного порошка FeAl/15% Al₂O₃, полученного самораспространяющимся высокотемпературным синтезом с предварительной механоактивацией (МАСВС). Введение этой добавки позволяет повысить износостойкость благодаря большей, чем основа, твердости частиц, снизить коэффициент трения антифрикционного слоя при сохранении его прочности благодаря легированию медной основы железом и алюминием, а также наличии. Твердых включений оксида алюминия. Введение менее 0,1% добавки не оказывает влияние на триботехнические свойства антифрикционного слоя, а более 0,5% вызывает снижение его прочности, так как частицы порошка располагаются преимущественно по границам зерен основы и ослабляют их.

Как показали микрорентгеноспектральный (МРСА) и рентгеноструктур-ный (РФА) анализы основной фазой в порошке FeAl/15% Al₂O₃ является ин-терметаллид FeAl, в котором распределены наноразмерные включения Al₂O₃ в количестве ~15%, которые равномерно распределены в матрице интерметал-лида, а также в небольших количествах идентифицируются включения интер-металлида Fe₂Al₅ и α-Fe. В небольших количествах присутствуют фазы FeAl₂ и Fe₂Al₅, что подтверждается наличием в структуре фаз, имеющих содержание алюминия до 7 мас. % и 30-40 мас. %. Микротвердость порошка FeAl/15% Al₂O₃ составляет 2740-3000 МПа.

Возможен также способ получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, отличающийся тем, что шихта антифрикционного слоя дополнительно содержит 0,1-1 мас. % композиционного МАСВС порошка NiAl/15% Al₂O₃.

Введение этой добавки также позволяет повысить износостойкость благодаря еще большей, чем у частиц порошка FeAl/15% Al₂O₃ твердости, снизить коэффициент трения антифрикционного слоя при сохранении его прочности благодаря легированию медной основы никелем и алюминием, а также наличию твердых включений оксида алюминия. Так же, как и при введении композиционного МАСВС порошка FeAl/15% Al₂O₃, введение композиционного МАСВС порошка NiAl/15% Al₂O₃ менее 0,1% добавки не оказывает влияние на триботехнические свойства антифрикционного слоя, а более 1% вызывает снижение прочности, так как частицы порошка располагаются преимущественно по границам зерен основы и ослабляют их. В отличие от порошка FeAl/15% Al₂O₃, который состоит из интерметаллидов различного фазового состава, и как сказано ранее, ослабляет границы зерен основы, порошок NiAl/15% Al₂O₃, согласно РФ А и МРСА, состоит из интерметаллида NiAl, вкраплений оксида алюминия в количестве до 13-15%, когерентно связанных с матрицей интерметаллида, и свободный никель в количестве до 9%. Наличие свободного никеля приводит к упрочнению медной основы за счет образования твердого раствора, поэтому предельное количество вводимой добавки порошок NiAl/15% Al₂O₃ - 1%, выше, чем добавки FeAl/15% Al₂O₃ - 0,5%. Кроме того, микротвердость порошка NiAl/15% Al₂O₃ больше и составляет 3000-3300 МПа.

Возможен также способ получения порошкового антифрикционного материала на основе меди, отличающийся тем, что шихта антифрикционного слоя дополнительно содержит 0,1-0,3 мас. % композиционного МАСВС порошка Ti8Cr46Al.

Частицы порошка Ti-46Al-8Cr, согласно РФА, состоят из основы в виде интерметаллида γ- TiAl, легированного хромом, содержащего 64-68 ат. % Ti, 30-34 ат. % Al и до 5 ат. % Cr, включений двойных интерметаллидов Ti₃Al и AlCr₂, и τ-фазы в виде тройного интерметаллида Al₀,₆₇Cr_0,08Ti_0,25. Тонкие вторичные выделения τ-фазы Al₀,₆₇Cr_0,08Ti_0,25, выпадающие в зернах моноалюминида титана, содержат порядка 68-71 ат. % Al, 20-25 ат. % Ti, 7-12 ат. % Cr и имеют кубическую решетку, обеспечивающую когерентность границ с γ-фазой. Фаза α₂-Ti₃Al (пространственная группа Р63/mmc) локализуется, главным образом, по границам зерен. Кроме того, у границ зерен моноалюминида титана располагаются также включения избыточных фаз соединений хрома с алюминием и титаном.

Как и в первых двух случаях, введение добавки менее 0,1% не оказывает влияние на свойства материала, а столь сложный состав порошка, а также наличие хрома, образующего оксиды, приводит к тому, приводит к тому, что максимальное количество добавки, приводящей к повыщению свойств материала на основе меди, - 0,3%.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется в примерах.

Примеры 1-10.

Для получения шихты основы исходные порошки в количестве (мас. %): 4-8% олова и 92-96% меди смешивали в лопастном смесителе в течение 0,5 ч. Шихту антифрикционного слоя получали смешиванием в лопастном смесителе в течение 0,5 ч исходных порошков в количестве: 8-10 мас. %олова, 0, 0,1, 0,3, 0,5, 0,8 мас. % композиционного МАСВС порошка состава FeAl/15% Al₂O₃, остальное медь или в количестве: 8-10 мас. % олова, 0, 0,1, 0,5, 1,0, 1,5 мас. % композиционного МАСВС порошка состава NiAl/15% Al₂O₃, остальное медь или 8-10 мас. %олова, 0, 0,1, 0,2, 0,3, 0,5 мас. % композиционного МАСВС порошка Ti8Cr46Al, остальное медь.

Отношение массы шихты основы и антифрикционного слоя составляла: 6:1, 8:1, 9:1, 10:1, 12:1. В стальную пресс-форму засыпали последовательно сначала шихту основы, затем шихту антифрикционного слоя и прессовали при давлении 350 МПа. Спрессованные заготовки спекали в защитно-восстановительной атмосфере эндогаза при температуре 750-820°С.

Триботехнические свойства материала (коэффициент трения, износ) определяли на машине трения МТ-2, предел упругости при сжатии и предельно допустимую деформацию, которая характеризует пластичность материала, определяли на испытательной машине «Инстрон». Данные испытаний приведены в таблице.

По способу-прототипу исходные порошки в количестве (мас. %): 9,0 олова, 2,7% оксида алюминия, 0,3% оксида никеля, медь остальное смешивали в лопастном смесителе в течение 0,5 ч. Смешанную шихту прессовали при давлении 350 МПа в заготовки и спекали в защитно-восстановительной атмосфере эндогаза при температуре 850-870°С. Свойства полученного материала приведены в таблице.

Таким образом, предлагаемый способ получения двухслойного порошкового антифрикционного материала на основе меди обеспечивает высокие триботехнические свойства, пластичность и прочность: коэффициент трения - 0,012-0,02, интенсивность изнашивания материала - 0,02-0,07 мкм/км, пластичность (предельно допустимая деформация) - 79-87%, предел прочности при изгибе - 640-680 МПа, по сравнению с известным материалом, обладающим свойствами: коэффициент трения - 0,022, износ материала - 0,09 мкм/км, пластичность (предельно допустимая деформация) - 48%, предел прочности при изгибе - 630 Мпа. Соответственно пластичность в 1,6-1,8 раз, прочность на 10-95% выше, а коэффициент трения в 1,1-1,8 раз и интенсивность изнашивания в 1,1-3 раза ниже, чем у известного материала.

1. Способ получения двухслойного порошкового антифрикционного материала на основе меди, включающий приготовление шихты смешиванием порошков меди, олова и добавок, формование из шихты прессованием в пресс-форме заготовки и ее спекание в защитно-восстановительной атмосфере, отличающийся тем, что при формовании заготовки в пресс-форму засыпают послойно шихту основы, содержащую мас.%: 4-8 олова, остальное медь, и шихту антифрикционного слоя на основе меди с 8-10 мас.% олова при соотношении массы шихты основы к массе шихты антифрикционного слоя (8-10):1.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шихта антифрикционного слоя дополнительно содержит 0,1-0,5 мас.% композиционного порошка состава FeAl/15% Al₂O₃, полученного СВС-процессом с предварительной механоактивацией.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шихта антифрикционного слоя дополнительно содержит 0,1-1,0 мас.% композиционного порошка NiAl/15% Al₂O₃, полученного СВС-процессом с предварительной механоактивацией.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что шихта антифрикционного слоя дополнительно содержит 0,1-0,3 мас.% композиционного порошка Ti₈Cr₆Al, полученного СВС-процессом с предварительной механоактивацией.