Способ получения антифрикционного материала на основе алюминия и антифрикционная добавка для его изготовления

Скачать PDF файл.

Текст

Смотреть все

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АНТИФРИКЦИОННОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ И АНТИФРИКЦИОННАЯ ДОБАВКА ДЛЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Сенють Владимир Тадеушевич Комаров Александр Иванович Комарова Валентина Иосифовна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Объединенный институт машиностроения Национальной академии наук Беларуси(57) 1. Способ получения антифрикционного материала на основе алюминия, включающий нагрев алюминиевого сплава до твердо-жидкого состояния, введение антифрикционной добавки в количестве 7-20 мас. , перемешивание, первичное литье под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава, охлаждение, введение полученных заготовок в доведенный до твердо-жидкого состояния алюминиевый сплав, взятый в количестве, обеспечивающем содержание антифрикционной добавки в конечном материале 0,5-3,0 мас. , повторное перемешивание и повторное литье под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава, отличающийся тем, что в качестве антифрикционной добавки используют микро-, ультра- или наноструктурный порошок графита и/или гексагонального нитрида бора, предварительно модифицированный алюминием в количестве 15-60 мас.газофазным способом в восстановительной атмосфере в парах галогенида алюминия, при этом первичное литье под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава осуществляют при степени деформации 20-50 , а повторное литье под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава осуществляют при степени деформации 10-20 . 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что модифицирование алюминием порошков графита и/или гексагонального нитрида бора осуществляют газофазным способом в восстановительной атмосфере в парах галогенида алюминия при температуре 600-900 С в течение 1-3 часов. 3. Антифрикционная добавка для получения антифрикционного материала на основе алюминия, полученная путем модифицирования алюминием микро-, ультра- или наноструктурного порошка графита и/или гексагонального нитрида бора газофазным способом в восстановительной атмосфере в парах галогенида алюминия, содержащая компоненты в следующем соотношении, мас. Изобретение относится к технологии получения антифрикционного материала, предназначенного для изготовления деталей, используемых в узлах трения различных машин и механизмов, например, для изготовления поршней и гильз цилиндров двигателей внутреннего сгорания, подшипников, вкладышей и др. Известен способ получения антифрикционных материалов на основе железа, меди и их сплавов, реализация которого включает операции смешивания компонент шихты,прессования заготовок под давлением 300-700 МПа, спекания при 1100-1150 С в защитной атмосфере, пропитки смазками, калибрования 1. К недостаткам технологии изготовления подобных материалов можно отнести достаточно высокие давления прессования заготовок в специальных пресс-формах, необходимость тщательного перемешивания компонент шихты. Кроме того, спекание таких композиций производят в печах, в которых специальная защитная атмосфера создается путем продувки газов, что удорожает конечный продукт. Для повышения антифрикционных свойств таких материалов в шихту при их изготовлении вводится порошок графита, который, являясь смазывающей компонентой, способствует снижению трения при эксплуатации материала. Обычно используются относительно крупные графитовые частицы, введение которых не приводит к измельчению структуры антифрикционного материала. Кроме того, при термической обработке в железографитовых антифрикционных материалах образуется цементит, из-за которого увеличивается износ пары трения. В антифрикционных материалах на основе бронз химическое взаимодействие графита и компонента сплава не происходит, что снижает износостойкость полученного материала. Известен способ получения антифрикционного материала на основе интерметаллического сплава 3, подвергнутого ионно-лучевому азотированию при температуре 400600 С 2. В этом случае на поверхности материала образуется модифицированный азотом слой толщиной до 18 мкм, обладающий повышенной твердостью и износостойкостью за счет образования в нем выделений нитридных фазс кубической и гексагональной кристаллическими решетками. К недостаткам способа получения данного материала относятся низкая производительность, наличие специального оборудования, малая толщина антифрикционного покрытия. Известен способ получения антифрикционных литейных мелкозернистых алюминиевых сплавов путем управляемой кристаллизации в специальных кристаллизаторах 3. Недостатком способа является применение сложной специализированной оснастки и нестабильность процесса сплавообразования. Использование в качестве добавки лигатур, основанных на принципах наследственности, например, полученных при высоких скоростях охлаждения, имеет также свои недостатки - малое время живучести процесса модифицирования, которое не превышает 10-15 мин. Перспективным представляется модифицирование антифрикционных материалов с использованием добавки наноструктурных частиц, которые изменяют структуру сплава,способствуют ее измельчению и повышению механических и триботехнических характеристик. Известен способ получения антифрикционного сплава на основе силумина, в котором в роли модификатора использовали добавки микропорошкови 4, ультрадисперсных порошкови наноразмерных порошков 2 или аморфного бора, которые вводились в расплав силумина АЛ 2 в виде предварительно спрессованных таблеток 4. В результате установлено, что армирование крупными керамическими частицамии 4 интенсивнее снижает коэффициент трения, чем армирование интерметаллидными фазами,2 16109 1 2012.08.30 а наиболее высокими характеристиками обладали композиты с наноструктурным упрочнением. Недостатками полученного материала являются более высокий коэффициент трения по сравнению с композитами с добавками графита, нитрида бора, дисульфида молибдена, а также структурная неоднородность материала из-за присутствия в нем включений достаточно крупных частиц модификатора. Известен способ получения антифрикционного сплава на основе силумина, модифицированного антифрикционной добавкой, обеспечивающей снижение коэффициента трения, в качестве которой выбран графит с чешуйчатой структурой 5. Для получения указанного композиционного материала в матричный расплав вводят лигатуру, приготовленную из порошка алюминия и графита. Процесс приготовления лигатуры включает в себя смешивание порошков, их брикетирование, экструдирование и выдавливание порционных заготовок, которые затем растворяют в матричном расплаве. Недостатком способа является необходимость экструдирования шихты с большими степенями деформации с целью удаления оксидной пленки с поверхности крупных частиц алюминия, препятствующей взаимодействию наполнителя (графита) и алюминия. При этом экструдирование осуществляется с низкими линейными скоростями деформирования, а силумин с внедренными в него частицами графита обладает более низкими механическими характеристиками по сравнению с силумином без графитовых частиц. Использование немодифицированных графитовых частиц не приводит к дисперсному упрочнению материала отливки. Кроме того, в результате экструдирования с большими степенями деформации формируются прочные прессовки, которые плохо растворяются в расплаве. В результате необходимо более длительное размешивание расплава, которое не гарантирует полного растворения прессовок, ухудшается гомогенность структуры полученного материала. В качестве прототипа был выбран способ получения литого композиционного алюминиевого материала 6, при котором в алюминиевый сплав, доведенный до твердо-жидкого состояния, вводят порошок графита в количестве 7-20 мас. , перемешивают и литьем под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава и степени деформации не менее 70 получают заготовку, которую вводят в доведенный до твердо-жидкого состояния алюминиевый сплав, взятый в количестве, обеспечивающем содержание графита в конечном материале 0,5-3,0 мас. , перемешивают и литьем под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава и степени деформации не менее 20 получают композиционный алюминиевый материал. Существенным недостатком способа является плохая смачиваемость графита в расплаве, в результате чего происходит выталкивание частиц графита на поверхность расплава в процессе перемешивания. Кроме того, нужно проводить экструдирование сплава с большими степенями деформации не менее 70 с целью удаления оксидной пленки с поверхности крупных частиц алюминия для создания условий по взаимодействию графита и сплава. Задачей изобретения является создание способа получения антифрикционного материала и антифрикционной добавки, позволяющих повысить физико-механические и триботехнические характеристики антифрикционного материала на основе алюминия,снизить степень деформации при экструдировании сплава, повысить однородность (гомогенность) его структуры, что осуществляется за счет введения в сплав микро-, ультра- и наноструктурных частиц, обеспечивающих лучшую усвояемость матричным сплавом антифрикционной добавки и способствующих измельчению структуры сплава, его дисперсному упрочнению, а также снижению вымываемости антифрикционной добавки в процессе эксплуатации материала. Указанная задача решается в способе получения антифрикционного материала на основе алюминия, включающем нагрев алюминиевого сплава до твердо-жидкого состояния,введение антифрикционной добавки в количестве 7-20 мас. , перемешивание, первичное 3 16109 1 2012.08.30 литье под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава,охлаждение, введение полученных заготовок в доведенный до твердо-жидкого состояния алюминиевый сплав, взятый в количестве, обеспечивающем содержание антифрикционной добавки в конечном материале 0,5-3,0 мас. , повторное перемешивание и повторное литье под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава,отличающимся тем, что в качестве антифрикционной добавки используют микро-, ультраили нанеструктурный порошок графита и/или гексагонального нитрида бора (ГНБ), предварительно модифицированного алюминием в количестве 15-60 мас.газофазным способом в восстановительной атмосфере в парах галогенида алюминия, при этом первичное литье под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава осуществляют при степени деформации 20-50 , а повторное литье под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава осуществляют при степени деформации 10-20 . Причем, согласно изобретению, модифицирование алюминием порошков графита и/или гексагонального нитрида бора осуществляют газофазным способом в восстановительной атмосфере в парах галогенидов алюминия при температуре 600-900 С в течение 1-3 часов, а антифрикционная добавка для получения антифрикционного материала на основе алюминия, полученная путем модифицирования алюминием микро-, ультра- или наноструктурного порошка графита и/или ГНБ газофазным способом в восстановительной атмосфере в парах галогенида алюминия, содержит компоненты в следующем соотношении, мас.алюминий 15-60 графит и/или гексагональный нитрид бора остальное. В результате взаимодействия в условиях высоких температур газообразных компонентов (летучих метастабильных соединений алюминия) и поверхности графита и/или ГНБ происходит осаждение алюминия на поверхности частиц графита и/или ГНБ в виде отдельных субмикро- и нанокристаллитов либо сплошного алюминийсодержащего покрытия на поверхности частиц графита и/или ГНБ. Алюминийсодержащее покрытие частиц антифрикционной добавки благоприятно влияет на процесс смачивания графита и/или ГНБ с матричным алюминиевым сплавом,обеспечивает плотный непрерывный контакт между частицами графита и/или ГНБ и расплавом, способствует лучшему удержанию частиц антифрикционной добавки в сплаве,тем самым повышая износостойкость антифрикционного материала. Алюминий в алюминийсодержащем покрытии в процессе модифицирования частично переходит в наноструктурный оксид алюминия переменного состава вследствие наличия кислорода на поверхности частиц графита и/или ГНБ, для нарушения сплошности которого достаточно меньших степеней деформаций по сравнению с деформациями, необходимыми для разрушения оксидной пленки корунда на крупных частицах алюминия. Наличие на частицах графита и/или ГНБ наноструктурного оксида алюминия также ведет к дисперсному упрочнению сплава, способствует измельчению его структуры. Кроме того, вследствие реакций - на стадиях модифицирования антифрикционной добавки ГНБ и приготовления отливок с применением данной добавки в структуре сплава отмечается образование наноразмерных нитрида алюминияи борида алюминия 2, что приводит к улучшению смачиваемости частиц антифрикционной добавки, и дополнительному измельчению структуры сплава, и повышению его твердости. При температуре отжига ниже 600 С и (или) при времени изотермической выдержки менее 1 часа количество алюминия на поверхности графита и/или ГНБ недостаточно для образования алюминийсодержащего покрытия, обеспечивающего хороший контакт между частицами графита и/или ГНБ и расплавом, что не позволяет эффективно влиять на структуру и свойства получаемого антифрикционного материала. 16109 1 2012.08.30 Более высокая, чем 900 С, температура отжига и (или) время изотермической выдержки более 3 часов не приводят к заметному улучшению взаимодействия между алюминиевым расплавом и частицами антифрикционного наполнителя, что не позволяет повысить механические и триботехнические характеристики антифрикционного материала. Количество алюминия, используемого для модифицирования, менее чем 15 мас.недостаточно для достаточного смачивания расплавом частиц антифрикционной добавки,более 60 мас.алюминия не улучшают качества антифрикционного материала. Степень деформации при первичном литье под давлением при температуре твердожидкого состояния алюминиевого сплава менее 20 ухудшает качество материала, снижает его твердость и повышает износ и коэффициент трения, свыше 50- удорожает его производство. Повторное литье под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава при степени деформации менее 10 также приводит к снижению характеристик материала, а деформации свыше 20 не улучшают его качества. Сущность изобретения иллюстрируется следующими примерами. Пример 1 Берут 200 г порошка графита ГАК, добавляют 20 мас.алюминиевой пудры ПА-4,добавляют хлорид аммония в качестве атмосферообразующей добавки, перемешивают,затем осуществляют нагрев шихты в печи до температуры 800 С в атмосфере паров тетрахлорида алюминия, который образуется при нагреве с хлоридом аммония. Производят выдержку при заданной температуре в течение 1,5 часа до полного перехода алюминия в алюминийсодержащее покрытие на поверхности частиц графита. Далее порошок графита с покрытием вводят в алюминиевый сплав АК 12 М 2 МгН, находящийся в твердо-жидком состоянии при температуре 580 С, так, что содержание порошка графита с покрытием составляет 15 мас.от массы сплава, перемешивают и литьем под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава и степени деформации 25 получают заготовки, которые вводят в доведенный до твердо-жидкого состояния алюминиевый сплав, взятый в количестве 7760 г, обеспечивающем содержание порошка графита с покрытием в конечном материале 3,0 мас. , перемешивают и литьем под давлением при температуре 580 С и степени деформации 15 получают композиционный алюминиевый материал с твердостью на уровне 1150-1185 МПа, который может быть использован для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания. Пример 2 Берут 500 г порошка ГНБ, добавляют 50 мас.алюминиевой пудры, хлорид аммония,перемешивают, затем осуществляют нагрев шихты в печи до температуры 600 С в атмосфере паров тетрахлорида алюминия, который образуется при нагреве с хлоридом аммония. Производят выдержку при заданной температуре в течение 3 часов до полного перехода алюминия в диффузионное покрытие на поверхности частиц ГНБ. Далее порошок ГНБ с покрытием вводят в алюминиевый сплав по примеру 1, находящийся в твердожидком состояния при температуре 680 С, так, что содержание порошка ГНБ с покрытием составляет 10 мас.от массы сплава, перемешивают и литьем под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава и степени деформации 40 получают заготовку, которую вводят в доведенный до твердо-жидкого состояния алюминиевый сплав, взятый в количестве 36 750 г, обеспечивающем содержание порошка ГНБ с покрытием в конечном материале 2,0 мас. , перемешивают и литьем под давлением при температуре 680 С и степени деформации 10 получают композиционный алюминиевый материал, используемый в подшипниках скольжения. Пример 3 Берут 100 г порошка графита ГАК и 100 г порошка ГНБ, добавляют 35 мас.алюминиевой пудры ПА-4, добавляют хлорид аммония, перемешивают, затем осуществляют нагрев шихты в печи до температуры 900 С в атмосфере паров тетра-хлорида алюминия,который образуется при нагреве с хлоридом аммония. Производят выдержку при заданной 5 16109 1 2012.08.30 температуре в течение 1 часа до полного перехода алюминия в алюминийсодержащее покрытие на поверхности частиц графита и ГНБ. Далее порошки графита и ГНБ с покрытием вводят в алюминиевый сплав по примерам 1,2, находящийся в твердо-жидком состояния при температуре 610 С, так, что содержание порошков графита и ГНБ с покрытием составляет 20 мас.от массы сплава, перемешивают и литьем под давлением при температуре твердо-жидкого состояния алюминиевого сплава и степени деформации 35 получают заготовку, которую вводят в доведенный до твердо-жидкого состояния алюминиевый сплав, взятый в количестве 26 730 г, обеспечивающем содержание порошка ГНБ с покрытием в конечном материале 1,0 мас. , перемешивают и литьем под давлением при температуре 610 С и степени деформации 12 получают композиционный алюминиевый материал для изготовления пар трения, эксплуатируемых в условиях сухого трения без доступа смазки. Полученный антифрикционный материал может использоваться для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания, подшипников скольжения, других изделий,эксплуатируемых в тяжелонагруженных условиях. Остальные примеры, иллюстрирующие изобретение, сведены в таблицу. Технологические параметры процесса Свойства материала содержание содержание алюми- темперавремя коэфчастиц анти- ния на тура мотверизнос степень деформодифифицифрикционной части- дифицидость,(потеря мации,цироваент добавки,цах рования,МПа веса), г ния, час трения мас.графита С и/или ГНБ На 1-й На 2-й На 1-й На 2-й стадии стадии стадии стадии 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 20 15 10 1,0 20 650 2,5 1110 0,028 0,0038 25 10 8 1,5 15 800 1,5 1125 0,025 0,0035 45 20 10 2,0 45 820 1,2 1320 0,020 0,0030 50 20 7 2,0 50 680 2,0 1400 0,018 0,0023 50 18 15 2,5 55 700 2,5 1450 0,015 0,0018 40 15 12 2,5 45 750 3,0 1280 0,017 0,0028 30 15 20 3,0 30 650 1,0 1100 0,012 0,0040 35 10 20 1,5 60 900 2,0 1250 0,020 0,0036 Источники информации 1. Андриевский Р.А. Введение в порошковую металлургию. - Фрунзе Илим, 1988. С. 173. 2. Белый А.В., Кукареко В.А., Патеюк А. Триботехнические свойства интерметаллического сплава 3, обработанного интенсивными потоками ионов азота // Трение и износ. - Т.28. -6. - С. 575-581. 3. Марукович Е.И., Стеценко В.Ю. Модифицирование сплавов. - Мн. Беларуская навука, 2009. - С. 192. 4. Трибологические характеристики алюмоматричных композиционных материалов,упрочненных наноразмерными наполнителями / Т.А.Чернышева, Л.И.Кобелева,Л.К.Болотова, И.Е.Калашников // Трение и износ. - Т. 26. -4. - 2005. - С. 446-450. 6 16109 1 2012.08.30 5. Пат.643, МПК 22 1/0322 21/00, 221/00. Композиционный материал и способ его получения / А.Т.Волочко, О.Е.Жданович, А.П.Ласковнев и др. Заявл. 09.12.1992. Опубл. 30.06.95. 6. Пат.12680, МПК 22 21/00,22 21/00. Способ получения литых композиционных алюминиевых материалов / В.В.Овчинников, А.Т.Волочко, А.П.Ласковнев,В.И.Волков. Заявл. 11.01. 2005. Опубл. 30.12.2009 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 7

МПК / Метки

МПК: B22D 21/04, C22C 21/00

Метки: алюминия, добавка, антифрикционного, антифрикционная, материала, изготовления, основе, получения, способ

Код ссылки

<a href="http://bypatents.com/7-16109-sposob-polucheniya-antifrikcionnogo-materiala-na-osnove-alyuminiya-i-antifrikcionnaya-dobavka-dlya-ego-izgotovleniya.html" rel="bookmark" title="База патентов Беларуси">Способ получения антифрикционного материала на основе алюминия и антифрикционная добавка для его изготовления</a>

Похожие патенты