порошковый композиционный материал

Формула изобретения

1. Порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, и упрочнитель, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит свинец, а в качестве упрочнителя используют квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, допированные В, и Al₂O₃ при следующих соотношениях компонентов, мас.%:

квазикристаллы	5,0-6,0
Al2 O3	1,0-1,5
матрица	остальное

2. Порошковый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что матрица имеет следующий химический состав, мас.%:

олово	0,9-1,2
свинец	18,0-22,0
медь	остальное

3. Порошковый композиционный материал по п.1, отличающийся тем, что частицы квазикристаллов и Al₂O₃ имеют размер не более 5 мкм.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к области порошковой металлургии и может быть использовано при получении деталей узлов трения из порошкового композиционного материала на основе медной матрицы, работающих при температуре до 350°C.

Известен высокоизносостойкий композиционный материал с пониженным трением на основе меди, содержащий в масс %: многостенные углеродные нанотрубки - 0,2-4,5, TiB₂ 0.1-1.3 и 0,35-12,0 Sn (патент КНР № 1425784).

Материал имеет хорошую износостойкость, низкий коэффициент трения, относительно высокую прочность на сжатие и на растяжение, умеренную твердость, однако недостатком данного композиционного материала является окомкование нанотрубок, что делает непригодным использование его при повышенных нагрузках.

Известен спеченный антифрикционный материал на основе алюминиевой бронзы, содержащий в вес.%: Al 8.0-8.5, FeAl ₃ 5.0-6.5, Cu - остальное (патент РФ № 2155241).

Материал имеет хорошие триботехнические характеристики, но обладает невысокой износостойкостью.

Известен порошковый композиционный материал, содержащий алюминиевую матрицу, в которой распределены армирующие квазикристаллические частицы системы Al-Cu-Fe. Армирующие частицы имеют размер 20-30 мкм (патент США № 5851317).

Недостатком этого композиционного материала является невысокая степень термохимической стабильности и высокий коэффициент трения.

Наиболее близким к заявляемому является порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, упрочнитель в виде порошка железа с размером частиц 60-200 мкм и графит при следующем соотношении компонентов (масс.%): олово 2-5, графит 0-2, железо 30-60, медь - остальное.

Недостатком данного материала является грубая структура, благоприятная для пористых самосмазываемых подшипников, однако ухудшающая несущие свойства материала при работе с внешней смазкой. Наличие железа в качестве упрочнителя ухудшает триботехнические свойства изделия при трении по сталям, образуя с ними пары трения из близких по составу и свойствам материалов, что вызывает повышенную склонность трущихся поверхностей к схватыванию и приводит к увеличению коэффициента трения и повышенному износу детали.

Технической задачей изобретения является получение порошкового композиционного материала с низким коэффициентом трения в сочетании с высокой износостойкостью и прочностью при растяжении, работоспособного при температуре до 350°C.

Для решения поставленной задачи предложен порошковый композиционный материал, содержащий матрицу на основе медного сплава, включающего олово, и упрочнитель, отличающийся тем, что матрица дополнительно содержит свинец, а в качестве упрочнителя используют квазикристаллы системы Al-Cu-Fe, допированные B, и Al₂O₃ при следующих соотношениях компонентов (масс.%):

квазикристаллы	5,0-6,0
Al2 O3	1,0-1,5
матрица	ост.

Матрица имеет следующий химический состав (мас.%):

олово	0,9-1,2
свинец	18,0-22,0
медь	ост.

Размер частиц квазикристаллов и Al₂O₃ не превышает 5 мкм.

Использование в качестве матрицы медного сплава, содержащего олово и свинец в указанных количествах, а также добавление в упрочнитель Al₂O₃ позволяет узлам нагрузки выдерживать без заедания высокие удельные давления и скорости скольжения, работать в маловязких средах и при повышенных температурах (200-350°C). Олово и свинец по границам зерен образуют хорошо развитую, однородную по структуре эвтектику с благоприятной формой выделяющихся фаз. Квазикристаллы, дисперсностью менее 5 мкм, обладающие высокой твердостью и низким коэффициентом трения, дают значительное упрочение матрицы и снижают коэффициент трения. Допирование квазикристаллов бором позволяет поднять механические свойства квазикристалла, например модуль упругости увеличивается с 8,7 до 14,5, и дополнительно снизить коэффициент трения. Снижение размеров частиц упрочнителя улучшает трибологические характеристики. Введение Al₂O₃ придает композиционному материалу дополнительное упрочнение.

Пример осуществления:

Порошок матрицы (93,5%) состава: 18.0% свинца, 1.2% олова и остальное - медь, смешали с порошком квазикристалла, допированного бором, (5%), и порошком Al₂O₃ (1,5%), далее проводили механическое легирование смеси не менее 25 ч, горячее брикетирование при 150°C и давлении 500 МПа и экструзию при 150°C. Примеры 2, 3 аналогичны примеру 1.

Порошковый композиционный материал испытывали в условиях торцового трения при P_уд - 15 МПа, V_вращ - 0.31 м/с без смазки. Механические испытания проводились на установке «INSTRON-1195».

В таблице представлены составы порошкового композиционного материала, прототипа и их свойства.

Как видно из таблицы, предлагаемый порошковый композиционный материал имеет лучшие показатели, чем у прототипа по износу, коэффициенту трения, прочности на растяжение.

Таким образом, применение предлагаемого композиционного материала в узлах трения обеспечит их работоспособность в воздушной среде при температуре до 350°C, хорошими триботехническими характеристиками, и высокими механическими свойствами. Применение предлагаемого материала способно повысить надежность и ресурс деталей узлов трения.

Таблица
№	Состав упрочнителя мас.%	матрица	Состав матрицы, вес.%	Износ мкм/ч при Pуд=15 МПа V=0.31 м/с	Коэффициент трения	Прочность на растяжение в кг/мм
Квазикристаллы	Al 2O3	Fe	гра- фит	Cu	Pb	Sn
1	5	1,5	-	-	93,5	ост.	18,0	1,2	0,30	0,18	18
2	5,5	1,2	-	-	93,3	ост.	20,0	1,0	0,2	0,15	20
3	6	1,0	-	-	93,0	ост.	22,0	0,9	0,18	0,11	21
4 (по прототипу)	-	-	50	1	-	44	-	5	0.37	0,25	12