Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

Свойства. ДКМ на основе никеля предназначаются главным образом для работы при температурах выше 1273 К [6]. Наиболее высокие показатели кратковременных и длительных прочностных характеристик при этих температурах имеют ДКМ с матрицей из нелегированного никеля     (таблицы 10 и 11). ДКМ с матрицей из легированных никелевых сплавов менее прочны при высоких температурах, однако при комнатных и умеренных температурах (до 1073 К) их прочность превосходит прочность КМ с матрицей из нелегированного никеля. Из ДКМ на основе никелевых сплавов промышленностью выпускается TD-нихром (сплав 80 % Ni, 20 % Сr, упрочненный   2 % Th0₂). Экструдированные прутки из ДКМ имеют более высокие показатели длительной прочности и ползучести при высоких температурах, чем холоднокатаные листы. Физические свойства ДКМ на основе никелевых сплавов мало отличаются от соответствующих характеристик неупрочненных матриц, за исключением теплопроводности, которая у ДКМ выше, чем у промышленных жаропрочных сплавов на никелевой основе (таблица 12).

Жаростойкость TD-никеля, ВДУ-1 и ВДУ-2 при 1200—1500 К выше, чем чистого никеля. Дисперсные включения оксидов тория, гафния и циркония (ZrO₂) повышают жаростойкость. Упрочнение никеля частицами оксида алюминия А1₂О₃ приводит к снижению жаростойкости по сравнению с технически чистым никелем при температурах выше 1473 К, а упрочнениечастицами оксида титана TiO₂ — при температурах выше 1173 К. Дополнительно жаростойкость дисперсно-упpочненных нелегированных сплавов может быть повышена путем нанесения защитных покрытий. Хромоалюминиевые покрытия обеспечивают длительную эксплуатацию на воздухе при температуре 1473 К и кратковременную при температуре 1573 К.

TD-никель, ВДУ-1 и ВДУ-2 не подвержены межкристаллитной коррозии при высокотемпературном окислении. Оксидная пленка прочно сцеплена с основным металлом. Показатели жаростойкости ДКМ ВДУ-1 и ВДУ-2 приведены в таблице 13.

Жаростойкость сплава TD-нихром выше жаростойкости сплавов ВДУ, TD-никеля, а также жаростойкости чистого нихрома.

Применение. ДКМ на основе никеля и его сплавов применяются в авиастроении и космической технике. Их используют для изготовления камер сгорания и лопаток газовых турбин, стабилизаторов пламени и других деталей, эксплуатируемых при температурах выше 1373 К. Предполагается применение в теплозащитных панелях орбитальных космических кораблей многократного действия, подвергающихся аэродинамическому нагреву при входе в плотные слои атмосферы, в трубопроводах и сосудах давления, работающих при высоких температурах в агрессивных средах.

 

 

Таблица 10               Механические свойства сплавов ВДУ-1, ВДУ-2 и TD-нихром

 

 

 

Таблица 11          Длительная прочность сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2

 

 

Таблица 12              Физические свойства сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 13          Жаростойкость сплавов ВДУ-1 и ВДУ-2 при окислении на воздухе

 

 

 

 

 

 

Заключение

 

Преимуществами материала  ДКМ являются:

• повышенная твердость  и прочность;

• высокая жаростойкость  и жаропрочность;

• высокая износостойкость;

• превосходная механическая обрабатываемость.

Области  применения  композитов  не  ограничены.  Они  применяются  в  авиации  для  высоконагруженных  деталей  самолетов  (обшивки,  лонжеронов,  нервюр,  панелей  и  т.д.)  и  двигателей  (лопаток  компрессора  и  турбины  и  т.д.);  в  космической  технике  для  узлов  силовых  конструкций аппаратов, подвергающихся  нагреву,  для  элементов  жесткости,  панелей;  в  авто -  для  облегчения  кузовов,  рессор,  рам,  бамперов  и  т.д.;  в  горнодобывающей  промышленности ―  буровой  инструмент,  детали  комбайнов  и  т.д.;  в строительстве ─  пролеты  мостов,  элементы  сборных  конструкций  высотных  сооружений  и  так  далее.

Применение  композитов ─  новый  качественный  скачок  в  увеличении  мощности  двигателей,  энерго -  и  транспортных  установок,  уменьшении  массы  машин  и  приборов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

АНТИФРИКЦИОННЫЙ ПОРОШКОВЫЙ МАТЕРИАЛ

Антифрикционный порошковый материал предназначен для  торцевых уплотнительных колец, подшипников скольжения и порошковых втулок тормозной рычажной передачи для локомотивов, вагонов, цистерн подвижного состава железных дорог и метрополитена. Антифрикционный порошковый материал на железной основе содержит медь, углерод, никель, серу при следующем соотношении компонентов, мас.%: медь 0,3-3; углерод 0,04-3; никель 0,1-3; сера 0,2-2; железо остальное. Кроме того, антифрикционный порошковый материал может дополнительно содержать порошок молибдена или дисульфида молибдена в количестве 0,07-5,0 мас.%. Технический результат - использование втулок из порошка снижает уровень шума, возможность схватывания материалов пары трения и обеспечивает надежность и долговечность состава в широком диапазоне нагрузок и скоростей. 1 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области триботехнического  материаловедения и смазке твердых  тел, в частности к узлам, деталям  машин и механизмов, работающих в условиях сухого, граничного и жидкостного трения, предназначенных для торцевых уплотнительных колец, подшипников скольжения и порошковых втулок тормозной рычажной передачи для локомотивов, вагонов, цистерн подвижного состава железных дорог и метрополитена.

Известно  большое количество антифрикционных  металлических, в том числе порошковых, материалов на основе меди, алюминия, железа и т.д. [1, 2, 3].

Эти материалы  работоспособны в узлах трения или  сравнительно невысоких температурах и удельных давлениях. При повышении  температуры или нарушениях жидкостного  трения работоспособность их резко  ухудшается, что сопровождается увеличением  коэффициента трения, схватыванием с  материалом контртела и разрушением  узла трения.

Повышения работоспособности и трибологических  свойств узлов трения возможно достичь применением порошковых композиций на основе железа. Такие материалы, работающие как антифрикционные, самосмазывающиеся, взамен бронз, чугунов, низколегированных сталей, алюминиевых сплавов, применяются в порошковых втулках тормозной рычажной передачи для локомотивов, вагонов, цистерн и другого подвижного состава, железных дорог и метрополитена.

При этом должна быть обеспечена работоспособность  втулок при:

- удельной  нагрузке от 2500 до 10000 кН/см 2,

- скорости  скольжения от 0,1 до 4,0 м/сек,

- знакопеременной  нагрузке от 25000 до 10000 кН, при скорости  скольжения 0,02 м/сек,

- коэффициенте  трения не более 0,1.

В процессе разработки предлагаемого изобретения  было исследовано 20 композиций порошковых материалов на железной основе, содержащих до 30% молибдена, а также 5 композиций на основе порошковой меди с содержанием до 30% свинца и 10% олова.

Задачей настоящего изобретения является создание антифрикционного порошкового материала, обладающего свойствами, содержащего минимум или не содержащего дорогих, дефицитных, токсичных компонентов, не загрязняющих окружающую среду и не опасных для здоровья населения. Материал также должен обеспечивать безотходное массовое производство заготовок и деталей.

Решение этих проблем - создание антифрикционного порошкового материала на железной основе - достигается выбором соотношения  таких компонентов, как медь, углерод, никель, сера, при следующем соотношении  компонентов, мас.%: медь 0,3-3,0; углерод 0,04-3,0; никель 0,1-3,0; сера 0,5-2,0; железо остальное.

Наиболее  лучшие результаты достигаются, если антифрикционный  порошковый материал дополнительно содержит порошок молибдена или дисульфида молибдена в количестве 0,07-5,0 мас.%.

Указанные ингредиенты обеспечивают стабильные прочностные характеристики, износостойкость, малый коэффициент трения, отсутствие задиров и схватывания с материалом контртела в условиях граничной смазки или в отсутствие оной как в производстве, так и в условиях эксплуатации.

 Основой  предлагаемого антифрикционного  материала является железо, входящее в состав порошков производства Российской Федерации марок:

ПЖРВ 2.200.24...30;

ПЖРВ 3.200.24...30;

ПЖРВ 4.200.24...30;

ПЖВ 2.160.24...30,

ПЖВ 3.160.24...30;

ПЖВ 4.160.24...30;

ПЖВ 5.160.24...30;

а также  импортного производства фирм «Хоганес» - Швеция, «Манесманн» - Германия и других марок NC. 100.24, ANC 100.29 и смесей, готовых  к прессованию.

Для обеспечения  стабильных прочных характеристик, трибологических свойств антифрикционного порошкового материала на железной основе как в процессе безотходного массового производства, так и  при эксплуатации он содержит медь, углерод, никель, серу компонентов, мас.%:

Медь 0,3-3,0

Углерод 0,04-3,0

Никель 0,1-3,0

Сера 0,2-2,0

Кроме того, материал дополнительно содержит порошок  молибдена или дисульфида молибдена (MOS2) в количестве 0,07-5 мас.%.

Для получения  порошкового антифрикционного материала  на железной основе используют:

- порошок  меди, восстановленный и распыленный  марок ПМС-1, ПМС-2, ПМР, ПМР-1, ПМА,  ПМС-К, ПМС-Н;

- порошок  графита марок ГК-1, ГК-2, ГК-3;

- порошок  никеля марок ПНК-ОТ1, ПНК-ОТ2, ПНК-УТЗ,  ПНЭ-1;

- порошок  серы молотой;

- порошок  молибденовый;

- порошок  дисульфида молибдена марок ДМИ-1, ДМИ-7;

- концентрат  молибдена марок КМФ-1, КМФ-2, КМФ-3, КМФ-4, КМФ-5.

Полученную  смесь прессуют при температуре  окружающей среды и давлении от 4 до 7 т/см2 . Брикеты загружают в  печь с защитной атмосферой и температурой 1000...1200°С.

Вышеприведенное соотношение компонентов и технологический  процесс изготовления порошковых деталей  из антифрикционного материала на железной основе с введением меди, углерода, никеля, серы, молибдена или дисульфида молибдена позволяет получить временное  сопротивление материала при  растяжении не менее 196 МПа (20 кг/мм2), твердость не менее 90 НВ, пористость не более 20%, при микроструктуре - перлит, сульфиды, графит и поры (допускается феррит до 40%, цементит до 15%).

Микроструктура  материала и его механические свойства обеспечивают работоспособность деталей (втулки тормозной рычажной передачи для локомотивов, вагонов, цистерн и другого подвижного состава железных дорог и метрополитена) в условиях самосмазывания при:

- удельных  нагрузках от 2500 до 10000 кН/см2

- скоростях  скольжения от 0,01 до 4,0 м/сек

- знакопеременных  нагрузках от 25000 до 100000 кН при  скорости скольжения 0,02 м/сек.

При этом коэффициент трения не превышает 0,08.

Использование втулок из порошка снижает уровень  шума, возможность схватывания материалов пары трения и обеспечивает надежность и долговечность состава в широком диапазоне нагрузок и скоростей.

Формула изобретения

1. Антифрикционный  порошковый материал на железной  основе, отличающийся тем, что содержит медь, углерод, никель, серу при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Медь 0,3-3

 Углерод 0,04-3

 Никель 0,1-3

 Сера 0,2-2

Железо  Остальное

2. Антифрикционный  порошковый материал по п.1, отличающийся  тем, что дополнительно содержит  порошок молибдена или дисульфида  молибдена в количестве 0,07-5,0 мас.%.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Абрамчук В. Е., Кузьмин А. М., Терентьева Л. М. Оценка некоторых параметров металлизированных углеродных волокон методом измерения электросопротивления.— В кн.: \\\ Всесоюз. конф. по композиц. материалам (Москва, нюнь 1974 г.): Тез. докл. М.: ИМЕТ, 1974,с. 130—131.
2. А.  с. 526672 (СССР).   Композиционный материал / А.   Г.  Туманов, К. И. Портной.— Опубл. в Б. И.. 1976, № 32.
3. Справочник по авиационным материалам: В 4-х т. / Под ред. А. Т. Туманова.— М.: Машиностроение, 1965.— Т. 2, Ч.  1—456 с.
4. Мозжухин Е. И. Металлы и сплавы, содержащие дисперсные включения тугоплавких соединений и волокна.— М., 1966, с. 114—156.— (Итоги науки и техники / ВИНИТИ: Сер. Металлургия цвет. и ред. металлов; Т. X).
5. Денисенко Э. Т., Ван Асбрук Ф. Спеченная сталь Х13 для оболочек тепловыделяющих элементов реакторов на быстрых нейтронах.— Порошковая металлургия, 1972, № 9, с. 95—101.
6. Старр К. Свойства никеля ТД.— В кн.: Новые материалы и методы исследования металлов и сплавов. М.: Металлургия. 1966, с. 166— 171.
7. Карпинос Д. М. Композиционные материалы. К.: Наукова думка. 1985, 592с.
8. 1. Шпагин А.И. Антифрикционные сплавы. М., Металлургиздат, 1956.
9. 2. Н.М.Рудницкий. Материалы автотранспортных подшипников скольжения. М., Машиностроение, 1965.
10. 3. Н.А.Буше. Подшипниковые сплавы для подвижного состава. М., Транспорт, 1967.