Способ получения антифрикционных порошковых материалов на основе меди

Способ получения антифрикционных порошковых материалов на основе меди

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к порошковой металлургии, в частности антифрикционным композиционным материалам на основе меди, и может быть, в частности, использовано при изготовлении подшипников скольжения.

Известен описанный в патенте РФ №2223341 [опубл. 10.02.04] способ получения порошкового антифрикционного композиционного материала на основе меди, содержащего (мас.%): графит 1-3, олово 6-10, молибденоборосиликатное стекло 3-10, медь - остальное, включающий приготовление шихты путем смешения исходных компонентов, прессование полученной шихты под давлением 250 МПа и спекание в среде водорода при 760-780°С в течение 1,5 часов.

Недостатком известного способа является его сложность, обусловленная необходимостью предварительного изготовления молибденоборосиликатного стекла, его измельчения и отбора определенной фракции для введения в шихту. Кроме того, материал, полученный с помощью известного способа, вызывает повышенный износ сопряженных с ним в узлах трения деталей.

Наиболее близким к заявляемому является способ получения порошкового антифрикционного материала на основе меди [пат. РФ №2090398, опубл. 20.09.97], включающий приготовление шихты, включающей смесь порошков меди и стекла, с последующим смешиванием с порошком бронзы, прессование и спекание в защитной среде.

Недостатком известного способа является необходимость двухстадийного приготовления включающей стекло шихты, что ведет к усложнению способа, а полученный с его помощью антифрикционный материал приводит к повышенному износу сопряженных с ним в узлах трения деталей. Кроме того, известный способ не позволяет решить задачу эффективной утилизации отработанных материалов, содержащих бронзу, в частности бронзографитовых материалов.

Задачей заявляемого изобретения является создание более простого способа получения антифрикционных порошковых материалов на основе меди, обеспечивающего снижение износа сопряженных с ними в узлах трения деталей и одновременно решающего вопрос эффективной утилизации отработанного бронзографитового материала.

Поставленная задача решается способом получения порошковых антифрикционных материалов на основе меди, включающим приготовление шихты, содержащей порошки меди и содержащий бронзу материал, ее прессование и спекание в защитной среде, в котором, в отличие от известного, в качестве содержащего бронзу материала в шихту вводят бронзографитовый порошок с размером частиц не более 250 мкм, полученный путем размола отработанных бронзографитовых подшипников, при этом в качестве такого материала используют отработанные бронзографитовые подшипники, порошок меди вводят в шихту в количестве 11-12% от количества бронзографитового порошка, прессование полученной шихты осуществляют при давлении 250-270 МПа, а спекание проводят при температуре 890-910°С в течение не менее 60 минут.

Для дополнительного увеличения плотности спекаемого материала полученную шихту перед спеканием подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 550-600°С в течение 1,5-2 часов.

Способ осуществляют следующим образом.

Отработанный бронзографитовый материал, например бронзографитовые подшипники, размалывают любым известным приемом, например в шаровой мельнице, до заданной крупности частиц (≤ 250 мкм). Готовят шихту, содержащую полученный в результате размола бронзографитовый порошок и порошок меди в количестве примерно 11-12% от количества бронзографитового порошка. Таким образом, подготовленная шихта включает, мас.%:

графит	12,5-14,4
олово	0,4-0,5
медь	остальное

Введение в шихту порошка меди активизирует диффузионные процессы при спекании, уменьшая тем самым эффект обволакивания частиц меди графитом в процессе спекания, препятствующий образованию и росту межчастичных контактов и, следовательно, спеканию. Кроме того, введение порошка меди обеспечивает появление жидкой фазы при спекании, что способствует образованию контакта между частицами и благоприятно воздействует на кинетику спекания и формирование структуры материала, увеличивая его плотность.

Общее содержание меди устанавливается таким образом, чтобы обеспечить необходимые плотность, пористость и усадку материала при спекании изделия.

Содержание графита в заявляемых пределах обеспечивает высокий смазочный эффект, одновременно позволяя сохранить высокую прочность получаемого материала, т.е. придает последнему высокие эксплуатационные свойства.

Размеры частиц бронзографитового порошка, получаемого при размоле подшипников, оказывают существенное влияние на качество получаемых материалов, поскольку с уменьшением размера частиц ухудшается их прессуемость, однако прочность прессовок из более мелких порошков оказывается более высокой, чем прочность прессовок, полученных из более крупного порошка того же металла.

Кроме того, размеры частиц порошка оказывают косвенное влияние на значение давления прессования. С повышением дисперсности частиц уменьшается насыпная плотность порошка, увеличивается удельная поверхность и поверхность трения частиц, а следовательно, для получения прессовок заданной плотности необходимо более высокое давление.

Экспериментально установлено, что оптимальным в предлагаемом способе является размер частиц бронзографитового порошка ≤ 250 мкм.

Для устранения последствий наклепа, которому частицы бронзографитового порошка подвергаются при размалывании, например в шаровой мельнице, и вследствие чего приобретают высокую твердость, шихту перед прессованием подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 550-600°С в течение 1,5-2 часов. В результате отжига возрастает пластичность частиц порошка и увеличивается их прессуемость. Это вносит дополнительный вклад в снижение коэффициента трения, а также интенсивности изнашивания получаемых бронзографитовых изделий за счет получения более плотных заготовок как после прессования, так и после спекания.

Шихту формуют в пресс-форме при давлении 250-270 МПа с последующим спеканием при 890-910°С в защитной атмосфере (вакуум, водород, карбюризатор) в течение промежутка времени не менее 60 минут.

Выбранный интервал нагрузки при формовке исключает возможность недопрессовки материала, которая приводит к получению недостаточно прочных изделий, и одновременно не допускает расслоения материала и образования трещин, причиной которых может являться слишком высокое давление нагрузки.

При нагреве прессовок без защитной среды происходит окисление поверхности частиц. В процессе спекания заготовок в восстановительной среде идет восстановление-перестройка решетки оксидов в решетку металла. В дальнейшем непосредственный контакт между частицами по мере нагревания увеличивается до тех пор, пока поры полностью не закрываются.

Оптимальная скорость нагрева прессовок находится в интервале 1,5-1,7°С/с и обеспечивает высокое качество получаемого материала и одновременно достаточно высокую производительность процесса.

Примеры конкретного осуществления способа.

Пример 1

Для изготовления подшипника скольжения протяжки ленточного конвейера отработанные бронзографитовые подшипники марки БрГр15 исходного состава, мас.%:

графит	14,0-16,0
олово	0,4-0,5 (ГОСТ 9723-73)
медь	83,5-85,5 (ГОСТ 4960-75)

размалывают в шаровой мельнице МШ-1 в течение 12 часов. Получают бронзографитовый порошок, представляющий собой частицы осколочной формы размерами ≤ 250 мкм.

К 900 г. полученного бронзографитового порошка добавляют 100 г. медного порошка марки ПМС-1.

Полученную шихту формуют в стальной пресс-форме для изготовления подшипников скольжения при давлении 260 МПа. Полученную заготовку спекают при температуре 900°С в твердом карбюризаторе в течение 80 минут.

Пример 2

Шихту, приготовленную по примеру 1, подвергают отжигу при температуре 550°С в течение 2 часов в камерной печи СНО-2, 0.4, 0.1, 4/7.

Далее подвергнутую обжигу шихту формуют и полученную заготовку спекают в условиях примера 1.

Подшипники, полученные в соответствии с примерами 1 и 2, имеют гладкую беспористую поверхность без видимых расслоев и трещин.

Подшипники были испытаны на трение и износ на серийной машине трения 2070 СМТ-1 по схеме «диск-колодка» с коэффициентом взаимного перекрытия 1:12. Диск контр-тела диаметром 40 мм был выполнен из стали 45 (твердость HRC 48-50), колодкой служили полученные образцы.

Режим трения: скорость скольжения - 0,8 м/с, нагрузка до 250 Н, температура до 230°С.

В результате испытания подшипники обнаружили следующие антифрикционные свойства: интенсивность изнашивания 1,0 мкм/км, коэффициент трения 0,05.

Одновременно в этих же условиях были испытаны новые бронзографитовые подшипники. Получены следующие характеристики: интенсивность изнашивания 1,1 мкм/км, коэффициент трения 0,055.

Таким образом, изобретение обеспечивает сравнительно простой способ получения антифрикционного порошкового материала на основе меди, в частности бронзографитовых материалов, который позволяет утилизовать отработанный содержащий бронзу материал, и одновременно обеспечивает получение антифрикционных материалов с высокими эксплуатационными свойствами, позволяющих снизить износ сопряженных с ними деталей в узлах трения, что является его техническим результатом.

Возможность эффективной утилизации отработанного бронзографитового материала, содержащего дорогостоящий цветной металл и при этом непригодного для переплавки традиционными методами вследствие разной температуры плавления меди и графита (1083°С и 3727°С), является очень важным преимуществом заявляемого способа. В настоящее время, например, отработанные бронзографитовые подшипники в большом количестве складируются либо просто вывозятся на свалки. Использование возвратных отходов производства, содержащих цветной металл, позволяет также снизить стоимость получаемого порошкового антифрикционного материала на основе меди.

1. Способ получения порошковых антифрикционных материалов на основе меди, включающий приготовление шихты, содержащей порошки меди и содержащий бронзу материал, ее прессование и спекание в защитной среде, отличающийся тем, что в качестве содержащего бронзу материала в шихту вводят бронзографитовый порошок с размером частиц не более 250 мкм, полученный путем размола отработанных бронзографитовых подшипников, при этом порошок меди вводят в количестве 11-12% от количества бронзографитового порошка, прессование осуществляют при давлении 250-270 МПа, а спекание ведут при температуре 890-910°С в течение не менее 60 мин.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что шихту перед прессованием подвергают предварительному отжигу при температуре 550-600°С в течение 1,5-2 ч.