Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения биметаллической полосы с антифрикционным порошковым покрытием на основе меди для подшипников скольжения

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности, к получению биметаллической полосы с антифрикционным покрытием из металлических порошков, предназначенной для изготовления подшипников скольжения.

Слоистые подшипники скольжения, представляющие собой стальную основу и антифрикционное покрытие, широко применяются со второй половины XX века. Тем не менее, экономически целесообразна разработка новых многофункциональных покрытий, обладающих комплексом улучшенных эксплуатационных свойств (повышенные абразивная и усталостная прочность и низкий коэффициент трения), а также способов и устройств их нанесения на основу, является актуальной проблемой современной науки о материалах. Для решения этой проблемы в первую очередь необходимо создать композиционные материалы, обладающие всем комплексом свойств, подчас взаимоисключающих, обеспечивающих функциональные возможности покрытий. С этих позиций наиболее перспективно производство композитов методами порошковой металлургии, имеющей практически неограниченные возможности в выборе составов и построении структуры материалов для обеспечения требуемых служебных свойств.

Известен способ изготовления биметалла для вкладышей подшипников скольжения (патент РФ №2244612, МПК В23К 20/04, опубликовано 20.01.2005), включающий подготовку поверхностей исходных материалов, сборку пакета из слоев стали и омедненной с двух сторон бронзы, плакирование путем холодной прокатки с обжатием 50-75%, термообработку при температуре 610-630°С в среде защитного газа. Толщину слоев меди в омедненной бронзе определяют из условия обеспечения в готовом биметалле медного подслоя толщиной не более 60-80 мкм. Биметалл изготавливают по технологической схеме и на оборудовании для холодной прокатки биметалла сталь-сплав АО 20-1.

Недостатками данного способа являются:

1. Многостадийность способа, включающая двустороннее омеднение бронзы.

2. Сложность подбора соотношения толщин листов бронзы и стали.

Известен способ изготовления биметаллической заготовки из антифрикционного сплава (патент РФ №2590464, опубликовано 10.06.2016), включающий выплавку сплава, содержащего алюминий, свинец, олово, медь, цинк, кремний и титан, его термообработку и последующую прокатку в три стадии, со степенью деформации на первой стадии прокатки, обеспечивающей плакирование заготовки алюминием, подготовку полученной плакированной алюминием полосы, антифрикционного сплава и стальной полосы для совместного деформирования, их совместное деформирование для получения биметаллической заготовки и окончательный отжиг заготовки, отличающийся тем, что выплавляют антифрикционный сплав при следующем соотношении компонентов, мас. %: свинец - 2,0-4,0, олово - 8,0-12,0, медь - 2,0-5,0, цинк - 1,5-4,0, кремний - 0,1-1,0, титан - 0,02-0,2, алюминий - остальное, термообработку антифрикционного сплава осуществляют не позднее чем через 3 ч после его выплавки при температуре Т=230°-270°С в течение 2,5-3,5 ч, после каждой стадии прокатки осуществляют термообработку при Т=230°-270°С в течение 1-3 ч, а окончательный отжиг биметаллической заготовки осуществляют не менее 2 ч при Т=300°-320°С.

Недостатками представленного способа являются:

1. Сложность и многостадийность процесса;

2. Высокая трудоемкость получения свинцово-алюминиевого сплава;

3. Многократные термические обработки;

4. Использование дорогостоящего олова в большом количестве.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому решению является способ получения биметаллической полосы для подшипников скольжения (заявка WO 2009/017501 А1, FEDERAL-MOGUL CORPOREITION и др., опубликовано 05.02.2009), обладающих повышенной износостойкостью. Антифрикционный слой состоит из сплава медь-олово-висмут с размером частиц ≤ 10 мкм, который может также включать фосфор, Fe3P или MoSi2. Добавление небольших количеств Fe3P или MoSi2 или их смеси относительно твердых частиц медно-оловянной матрицы, обеспечивает повышенную твердость и износостойкость материала подшипника. Способ осуществляется следующим образом: на стальную основу наносят смесь порошков сплава содержащего, мас. %: олова - 1-15, висмут - 1-30, остальное медь с 0,03-0,8 фосфора и 0,1-10 Fe₃P или MoSi2, совместно нагревают указанную смесь и стальную основу для спекания порошков и припекания их к основе и прокатывают полученный композит для полного уплотнения порошковой смеси. После прокатки повторно нагревают полученный композит для диффузионного взаимодействия внутри антифрикционного материала и на границе соприкосновения с основой. Затем после вторичной термообработки композит повторно прокатывают с целью выдавливания олова на поверхность антифрикционного слоя.

Недостатками этого способа являются:

1.Сложность и трудоемкость получения исходной порошковой шихты для формирования антифрикционного слоя;

2.Многостадийность термической обработки и обработки давлением композита.

Техническим результатом данного изобретения является получение биметаллической полосы с антифрикционным порошковым покрытием на основе меди для подшипников скольжения, обладающей повышенными прочностными свойствами, износостойкостью и стойкостью к контактному разрушению путем формирования структуры сочетанием термической обработки и пластической деформации.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения биметаллической полосы с антифрикционным порошковым покрытием на основе меди для подшипников скольжения, включающем подготовку исходной шихты для формирования антифрикционного слоя, совместную обработку давлением основы и антифрикционного слоя, их термообработку и последующее охлаждение, согласно изобретению исходную шихту, содержащую, мас. %: 9-11 порошка железа с размером частиц ≤40 мкм, 9-11 порошка свинца - ≤40 мкм, 0,5-1,0 порошка оксида алюминия (Аl₂О₃) - ≤0,1 мкм, остальное медь - ≤70 мкм, предварительно подвергают прокатке при давлении 200-250 Мпа и помещают на стальную основу, полученную композицию прокатывают с обжатием по стальной основе 70-80%, подвергают нагреванию до температуры 800-850°С в атмосфере водорода с изотермической выдержкой в течение 15-30 мин, охлаждение ведут в той же атмосфере.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем:

- железный порошок в процессе обработки давлением деформируется и образует упрочняющие волокна. Использование порошков железа с дисперсностью выше 40 мкм ведет к снижению концентрации волокон и неравномерности их распределения по объему антифрикционного слоя. Применение железного порошка менее 9% не гарантирует должной концентрации волокон в объеме антифрикционного слоя, а более 11% снижает его антифрикционные свойства;

- порошок свинца обеспечивает повышенные антифрикционные свойства изделий и стабильность размеров после спекания. Использование порошков свинца с дисперсностью выше 40 мкм ведет к снижению прочностных свойств композита. Содержание свинцового порошка менее 9% приводит к недостаточному смазывающему эффекту (повышению коэффициента трения), а - выше 11% к снижению прочностных свойств композита;

- порошок оксида алюминия (Al₂O₃), обеспечивает нанодисперсное упрочнение матрицы (повышение твердости) антифрикционного слоя. Снижение содержания порошка оксида алюминия менее 0,5% недостаточно упрочняет антифрикционный слой, а увеличение содержания оксида алюминия выше 1,0% - резко затрудняет процессы его пластической деформации;

- предварительная прокатка порошковой шихты при давлении 200-250 Мпа обеспечивает равномерность распределения порошковых компонентов исходной шихты, заданную плотность и толщину антифрикционной порошковой полосы;

- прокатка шихты с давлением ниже 200 Мпа не обеспечивает необходимой прочности получаемой антифрикционной порошковой полосы для ее переноса на стальную основу, а - при давлении выше 250 сильно уплотняет антифрикционную порошковую полосу, делая весьма проблематичной ее накатку на стальную основу;

- совместная прокатка антифрикционной порошковой полосы и стальной основы с обжатием по стальной основе 70-80% создает необходимое сцепление антифрикционного покрытия со стальной основой, формирует заданную дисперсно-упрочненную волокнистую структуру антифрикционного покрытия, раскатывая в волокна железный порошок;

- совместная прокатка антифрикционной порошковой полосы и стальной основы с обжатием по стальной основе менее 70% недостаточно раскатывает железные частицы и не формирует волокнистую структуру. А прокатка с обжатием выше 80% не дает положительного результата и чрезмерно наклепывает стальную основу.

- совместная термообработка биметаллической композиции путем нагревания до температуры 800-850°С в атмосфере водорода обеспечивает очистку металлических дисперсоидов от оксидов, качественное спекание антифрикционного порошкового покрытия и диффузионное взаимодействие покрытия и стальной основы. Нагрев ниже 800°С не гарантирует полного спекания, а выше 850°С нецелесообразен.

Изотермическая выдержка при температуре 800-850°С в течение 15-30 мин обеспечивает полное спекание антифрикционного порошкового покрытия, а так же диффузионное взаимодействие основы и антифрикционного покрытия, создавая весьма прочное сцепление покрытия с основой. При изотермической выдержке менее 15 мин эти диффузионные процессы не успевают полностью пройти, а выдержка более 30 мин не дает дополнительных преимуществ.

Охлаждение в атмосфере водорода гарантирует отсутствие окисления свинца, меди и железа в поверхностных слоях антифрикционного покрытия.

Пример конкретного осуществления.

Экспериментальную проверку предлагаемого способа получения биметаллической полосы с антифрикционным порошковым покрытием на основе меди для подшипников скольжения проводили в лабораторных условиях в Институте металлургии УрО РАН по следующей технологии.

Порошковую композицию, содержащую, мас. %: 9-11 порошка железа с размером частиц ≤40 мкм, 9-11 порошка свинца - ≤40 мкм, 0,5-1,0 оксида алюминия (Аl₂О₃) - ≤0,1 мкм, остальное медный порошок - ≤70 мкм смешивали в виброаэрационном смесителе в течение 3 мин, затем полученную шихту помещали в бункер подачи лабораторного прокатного стана МЛС - 82 ИМЕТ УрО РАН и прокатывали с давлением 200-250 МПа. Полученную таким образом антифрикционную порошковую полосу размещали на стальную основу и совместно прокатывали с обжатием по стальной основе 70-80%. После прокатки полученную биметаллическую полосу помещали в электропечь с атмосферой водорода, нагревали до температуры 800-850°С, делали 15-30 минутную выдержку при этой температуре и охлаждали в атмосфере водорода.