RU2023737C1 - Iron-based antifriction alloy having martensite structure and antifriction product - Google Patents
Iron-based antifriction alloy having martensite structure and antifriction product Download PDFInfo
- Publication number
- RU2023737C1 RU2023737C1 SU5024896A RU2023737C1 RU 2023737 C1 RU2023737 C1 RU 2023737C1 SU 5024896 A SU5024896 A SU 5024896A RU 2023737 C1 RU2023737 C1 RU 2023737C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- iron
- alloy
- antifriction
- manganese
- carbon
- Prior art date
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 57
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims abstract description 57
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 50
- 229910000734 martensite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 32
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 25
- 239000011572 manganese Substances 0.000 claims abstract description 30
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 claims abstract description 27
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 26
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 25
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 24
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 17
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 claims abstract description 13
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 claims abstract description 13
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 13
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 abstract description 3
- 238000005272 metallurgy Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 11
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 11
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 9
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 9
- 229910000616 Ferromanganese Inorganic materials 0.000 description 7
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- DALUDRGQOYMVLD-UHFFFAOYSA-N iron manganese Chemical compound [Mn].[Fe] DALUDRGQOYMVLD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000005275 alloying Methods 0.000 description 6
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 6
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 229910001566 austenite Inorganic materials 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000013016 damping Methods 0.000 description 4
- 238000005461 lubrication Methods 0.000 description 4
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 4
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 4
- 229910000906 Bronze Inorganic materials 0.000 description 3
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 3
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000010974 bronze Substances 0.000 description 3
- KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N copper tin Chemical compound [Cu].[Sn] KUNSUQLRTQLHQQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 235000000396 iron Nutrition 0.000 description 3
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 3
- 239000000314 lubricant Substances 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 3
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000003831 antifriction material Substances 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- -1 ferrous metals Chemical class 0.000 description 2
- 239000004519 grease Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 2
- 238000010791 quenching Methods 0.000 description 2
- 230000000171 quenching effect Effects 0.000 description 2
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001018 Cast iron Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 1
- 229910002551 Fe-Mn Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000677 High-carbon steel Inorganic materials 0.000 description 1
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002313 adhesive film Substances 0.000 description 1
- 229910052787 antimony Inorganic materials 0.000 description 1
- WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N antimony atom Chemical compound [Sb] WATWJIUSRGPENY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- VNTLIPZTSJSULJ-UHFFFAOYSA-N chromium molybdenum Chemical compound [Cr].[Mo] VNTLIPZTSJSULJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 238000009851 ferrous metallurgy Methods 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000035939 shock Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 1
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 238000007669 thermal treatment Methods 0.000 description 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000859 α-Fe Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Sliding-Contact Bearings (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к черной металлургии, в частности к порошковой металлургии, и касается сплавов как порошковых, так и литых на основе железа, содержащих марганец в качестве основного легирующего элемента, а также антифрикционных изделий из них. Сплав обладает высокими антифрикционными свойствами в сочетании с высоким уровнем прочности и пластичности, при этом отличается экономичностью легирования - в его составе нет дорогостоящих или дефицитных элементов. The invention relates to ferrous metallurgy, in particular to powder metallurgy, and relates to alloys, both powder and iron-based, containing manganese as the main alloying element, as well as antifriction products from them. The alloy has high antifriction properties in combination with a high level of strength and ductility, while it is characterized by the efficiency of alloying - it does not contain expensive or scarce elements.
Предлагаемый сплав может быть получен в виде листа или сортового проката. Известные антифрикционные материалы на основе цветных металлов: олова, свинца, алюминия и меди дороги и обладают низкими механическими свойствами; при изменении пористости от 15 до 100% предел прочности бронзы изменяется от 10 до 120 МПа и до 320 МПа алюминиевых бронз. Прочность антифрикционных чугунов выше, предел прочности достигает 500 МПа, однако их применение ограничено невысокими нагрузками и малыми скоростями. The proposed alloy can be obtained in the form of a sheet or long products. Known anti-friction materials based on non-ferrous metals: tin, lead, aluminum and copper are expensive and have low mechanical properties; when the porosity changes from 15 to 100%, the tensile strength of bronze varies from 10 to 120 MPa and up to 320 MPa of aluminum bronzes. The strength of anti-friction cast irons is higher, the tensile strength reaches 500 MPa, but their use is limited by low loads and low speeds.
Присутствие марганца в заявленном сплаве в качестве основного легирующего элемента не является достаточным условием для достижения высоких антифрикционных свойств. Необходимыми условиями являются наличие в их структуре ε-мартенсита с гексагональной решеткой, образующегоcя при закалке по реакции γ->ε (мартенсит охлаждения), и наличие на поверхности трения прочного граничного слоя и разделительного слоя, состоящего из продуктов износа, образующихся под влиянием деформации из метастабильного аустенита или ε-мартенсита по реакции γ->α,ε->α или γ->ε->α . Прочность адгезионной пленки определяется прочностью ОЦК-решетки продуктов износа. Положительное влияние ε-мартенсита, имеющего ГПУ-решетку, на коэффициент трения объясняется развитием базисного скольжения или повышением пластичности за счет мартенситного превращения, наведенного деформацией. В порошковых сплавах, особенно в порошках мелких фракций, наблюдается эффект сверхпластичности. Увеличение в структуре ε-мартенсита ведет к повышению антифрикционных свойств и снижению интенсивности изнашивания. The presence of manganese in the claimed alloy as the main alloying element is not a sufficient condition for achieving high antifriction properties. The necessary conditions are the presence of ε-martensite with a hexagonal lattice in their structure, which is formed upon quenching by the reaction γ-> ε (cooling martensite), and the presence on the friction surface of a strong boundary layer and a separation layer consisting of wear products formed under the influence of deformation from metastable austenite or ε-martensite by the reaction γ-> α, ε-> α or γ-> ε-> α. The strength of the adhesive film is determined by the strength of the bcc lattice of the wear products. The positive effect of ε-martensite having an hcp lattice on the friction coefficient is explained by the development of basic slip or an increase in ductility due to the martensitic transformation induced by deformation. In powder alloys, especially in powders of fine fractions, the effect of superplasticity is observed. An increase in the structure of ε-martensite leads to an increase in antifriction properties and a decrease in the wear rate.
До настоящего времени железомарганцевые сплавы и стали в качестве антифрикционных не применялись (в патентах на марганцесодержащие стали и сплавы характеристики по коэффициенту трения и износу не указывались). Поэтому аналог и прототип выбирались по следующим признакам: уровню прочности; содержание марганца и ε-мартенсита в структуре. So far, ferromanganese alloys and steels have not been used as antifriction alloys (in the patents for manganese-containing steels and alloys, friction coefficient and wear characteristics were not indicated). Therefore, the analogue and prototype were selected according to the following criteria: level of strength; the content of manganese and ε-martensite in the structure.
Известен антифрикционный порошковый материал на основе железа, содержащий, мас. % : графит 0,5-1,5; кремний 1,0-2,5; медь 21,0-26,0; марганец 7,5-11,5; олово 1,0-2,5; железо остальное [1]. Исходя из химического состава и плотности, можно предположить, что данный материал обладает следующими механическими свойствами: σв =200-250 МПа; δ≅ 2; Т50=+400-(-450)оС; К без смазки =0,1; К со смазкой =0,006.Known antifriction powder material based on iron, containing, by weight. %: graphite 0.5-1.5; silicon 1.0-2.5; copper 21.0-26.0; manganese 7.5-11.5; tin 1.0-2.5; iron the rest [1]. Based on the chemical composition and density, it can be assumed that this material has the following mechanical properties: σ in = 200-250 MPa; δ≅ 2; T 50 = + 400 - (- 450) о С; K without lubrication = 0.1; K with grease = 0.006.
Материал имеет низкий коэффициент трения, но нетехнологичен в изготовлении и требует больших трудозатрат. При этом характеризуется низкой прочностью и почти нулевой пластичностью. The material has a low coefficient of friction, but is not technologically advanced to manufacture and requires a lot of labor. It is characterized by low strength and almost zero ductility.
Известен антифрикционный литой чугун следующего состава мас.%: углерод 2,8-3,6; кремний 2,1-3,8; марганец 0,7-1,2; сурьма 0,02-0,07; алюминий 0,01-0,03; кальций 0,02-0,06; нитриды ванадия 0,06-0,15; иттрий 0,002-0,01; железо остальное [2]. Known anti-friction cast iron of the following composition wt.%:
Данный материал обладает следующими механическими свойствами: σв=334-556 МПа; коэффициент трения 0,026-0,121.This material has the following mechanical properties: σ in = 334-556 MPa; coefficient of friction 0,026-0,121.
Порошковые спеченные сплавы на основе железа [1], как и литые чугуны [2] , при удовлетворительных антифрикционных свойствах имеют ограничения в применении по скорости скольжения и нагрузке - при их возрастании недопустимо уменьшается толщина масляной пленки. Меньшая по сравнению с литыми подшипниками прочность обусловлена значительной пористостью материала, что вызывает повышенную чувствительность к ударам и давлению на кромку. Powdered sintered iron-based alloys [1], like cast irons [2], have satisfactory antifriction properties with limited application of sliding speed and load - with their increase, the thickness of the oil film decreases unacceptably. The lower strength compared to cast bearings is due to the significant porosity of the material, which causes increased sensitivity to shock and pressure on the edge.
Наиболее близким по составу и структуре, по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому сплаву является известный сплав с эффектом памяти формы. Сплав содержит, мас. %: кремний 0,4-2,0; марганец 10,0-28,0; углерод, хром и/или никель; железо остальное [2]. The closest in composition and structure, in technical essence and the achieved result to the proposed alloy is a known alloy with a shape memory effect. The alloy contains, by weight. %: silicon 0.4-2.0; manganese 10.0-28.0; carbon, chromium and / or nickel; iron the rest [2].
Количество углерода, хрома и никеля, которые с учетом их влияния на количество ε-мартенсита, регулируют так, что количество Mnравн, выраженное соотношение Mnравн=Mn+9C+Cr/2+Ni/2, должно составлять 21-28% [3].The amount of carbon, chromium and nickel that are tailored to their effect on the amount of ε-martensite is controlled so that the amount of Mn is equally expressed equally ratio Mn = Mn + 9C + Cr / 2 + Ni / 2 should be 21-28% [ 3].
Исходя из химического состава, можно предположить, что данный сплав обладает следующими механическими и антифрикционными свойствами: σв=500-550 МПа; δ=20-50%; К=0,6-0,8.Based on the chemical composition, it can be assumed that this alloy has the following mechanical and antifriction properties: σ in = 500-550 MPa; δ = 20-50%; K = 0.6-0.8.
Согласно современным теоретическим представлениям коэффициент трения железомарганцевых сплавов и сталей находится в прямой зависимости от количества ε-мартенсита в структуре и степени стабильности ε- и γ-фаз. Известно, что углерод и никель, являясь сильными аустенизаторами, сужают область существования ε-мартенсита и уменьшают его количество в сплавах системы Fe-Mn. Снижение антифрикционных свойств, повышение коэффициента трения происходит и через повышение степени стабильности аустенита как к γ->α, так и к γ->α и γ->ε->α превращениям. According to modern theoretical concepts, the friction coefficient of ferromanganese alloys and steels is directly dependent on the amount of ε-martensite in the structure and the degree of stability of ε- and γ-phases. It is known that carbon and nickel, being strong austenitizers, narrow the region of existence of ε-martensite and reduce its amount in alloys of the Fe-Mn system. A decrease in antifriction properties and an increase in the friction coefficient also occur through an increase in the degree of stability of austenite to both γ-> α and γ-> α and γ-> ε-> α transformations.
При содержании марганца более 20 мас.% легирование стали хромом приводит к образованию δ-феррита, который склонен переходить в хрупкую σ-фазу по реакции αδ->σ. Отрицательное влияние σ-фазы сказывается и через охрупчивание сплава и повышение порога хладноломкости от минус 100 до минус 60оС и резкое снижение антифрикционных свойств. Присутствие хрома в сплаве способствует образованию α-мартенсита закалки, что снижает антифрикционные свойства.With a manganese content of more than 20 wt.%, Alloying steel with chromium leads to the formation of δ ferrite, which tends to pass into the brittle σ phase by the reaction α δ -> σ. The negative effect of the σ-phase is also affected through embrittlement of the alloy and an increase in the cold brittleness threshold from
Технический эффект предлагаемого изобретения заключается в получении высокопрочного антифрикционного материала, обладающего антифрикционными свойствами на уровне бронз (коэффициент трения без смазки 0,2-0,35, со смазкой 0,01), в сочетании с высокой прочностью - прочностные свойства на уровне антифрикционных сплавов на основе железа и чугунов σв =600-850 МПа. Дополнительным преимуществом предложенного сплава можно считать высокую пластичность δ = 14-30% , ударную вязкость KCV+20=1,1-1,7 МДж/м2, порог хладноломкости Т50= (-150)-(-253)оС, что обеспечивает высокие технологические и эксплуатационные свойства и делает возможным использование изделий из предлагаемого сплава в области отрицательных температур, коэффициент трения с понижением температуры до (-196)оС повышается: до 0,3 против 0,2 при нормальной температуре.The technical effect of the invention is to obtain high-strength antifriction material with antifriction properties at the level of bronze (friction coefficient without lubricant 0.2-0.35, with lubricant 0.01), combined with high strength - strength properties at the level of antifriction alloys on basis of iron and cast irons σ in = 600-850 MPa. An additional advantage of the proposed alloy can be considered high ductility δ = 14-30%, impact strength KCV +20 = 1.1-1.7 MJ / m 2 , cold brittleness threshold T 50 = (-150) - (- 253) о С, which ensures high technological and operational properties and makes it possible to use products from the proposed alloy in the region of negative temperatures, the friction coefficient increases with decreasing temperature to (-196) о С: up to 0.3 against 0.2 at normal temperature.
Наиболее эффективно применение заявляемых метастабильных железомарганцевых сплавов с ГПУ-решеткой в высоконагруженных узлах трения, где реализуются антифрикционные характеристики кристалла, тесно связанные с анизотропией его свойств, и деформируемость и упрочняемость метастабильной аустенитной матрицы в тонком поверхностном слое. The most effective application of the inventive metastable ferromanganese alloys with an hcp lattice in highly loaded friction units, where the antifriction characteristics of the crystal are realized, which are closely related to the anisotropy of its properties, and the deformability and hardenability of the metastable austenitic matrix in a thin surface layer.
Для достижения технического эффекта изобретения предлагаемый железомарганцевый антифрикционный сплав со структурой ε-мартенсита содержит марганец, углерод, остальное железо в следующем соотношении, мас.%: марганец 10,0-33,0; углерод 0,002-0,2; железо остальное, со структурой, содержащей 5-95% ε-мартенсита, остальное метастабильный аустенит или α-мартенсит. To achieve the technical effect of the invention, the proposed ferromanganese antifriction alloy with a ε-martensite structure contains manganese, carbon, the rest of the iron in the following ratio, wt.%: Manganese 10.0-33.0; carbon 0.002-0.2; the rest is iron, with a structure containing 5-95% ε-martensite, the rest is metastable austenite or α-martensite.
Известны скользящие детали, изготовленные из материала на основе железа, легированного углеродом (0,6-1,2 мас.%), кремнием (< 3 мас.%); марганцем (<3 мас.%); хромом (6-10 мас.%); молибденом (0,1-1,5 мас.%); ванадием (0,01-1,0 мас.%); железо остальное. Known sliding parts made of a material based on iron alloyed with carbon (0.6-1.2 wt.%), Silicon (<3 wt.%); manganese (<3 wt.%); chromium (6-10 wt.%); molybdenum (0.1-1.5 wt.%); vanadium (0.01-1.0 wt.%); iron the rest.
Исходя из химического состава, изготовленные из этого материала детали обладают низкой прочностью и более высоким коэффициентом трения К=0,6-0,8, гетерогенностью структуры и низкой прирабатываемостью. Предлагаются антифрик- ционные высоконагруженные изделия, рабочие поверхности которых выполняют из предлагаемых сплавов. Based on the chemical composition, the parts made from this material have low strength and a higher coefficient of friction K = 0.6-0.8, heterogeneity of the structure and low break-in. High friction anti-friction products are offered, the working surfaces of which are made of the proposed alloys.
Химический и фазовый состав, свойства сплава-прототипа и изделий из предлагаемого сплава приведены в табл. 1. The chemical and phase composition, properties of the prototype alloy and products from the proposed alloy are given in table. 1.
В предлагаемой стали содержание углерода в количестве 0,02-0,2 мас.% необходимо для гарантированного получения в структуре 5-95% ε-мартенсита при 10-33 мас.% марганца. Углерод, являясь сильным аустенизатором, подавляет образование ε-мартенсита. Увеличение содержания углерода свыше 0,2 мас.% сопровождается исчезновением ε-фазы, что приводит к повышению коэффициента трения (позиция 6 табл. 1) и схватыванию поверхностей трения. In the proposed steel, the carbon content in the amount of 0.02-0.2 wt.% Is necessary for guaranteed obtaining in the structure of 5-95% ε-martensite at 10-33 wt.% Manganese. Carbon, being a strong austenitizer, suppresses the formation of ε-martensite. An increase in carbon content in excess of 0.2 wt.% Is accompanied by the disappearance of the ε phase, which leads to an increase in the friction coefficient (
В предлагаемой стали содержание марганца от 10 до 33 мас.% необходимо для получения метастабильной структуры на основе ε-мартенсита, которая обеспечивает при содержании ε-фазы от 5 до 95% коэффициент трения К=0,2-0,3 при сохранении прочности =600-850 МПа в сочетании с низким порогом хладноломкости. При содержании марганца менее 10 мас.% в результате мартенситного превращения образуется до 100% α-мартенсита, который приводит к резкому повышению коэффициента трения (позиция 6 табл. 1). При содержании марганца свыше 33 мас.% сплавы состоят на 100% из γ-фазы, которая по уровню коэффициента трения и интенсивности изнашивания находится на уровне α-сплавов (позиция 7 табл. 1). В отличие от принятого прототипа предложенный сплав и изделия из него имеют другой количественный состав, что соответствует критерию "Новизна". Количество ε-мартенсита в структуре является решающим фактором, обеспечивающим высокие антифрикционные свойства, железомарганцевых сплавов. In the proposed steel, a manganese content of 10 to 33 wt.% Is necessary to obtain a metastable structure based on ε-martensite, which provides a friction coefficient of K = 0.2-0.3 while maintaining the strength = ε-phase content of 5 to 95% = 600-850 MPa in combination with a low cold brittleness threshold. When the manganese content is less than 10 wt.%, Up to 100% α-martensite is formed as a result of martensitic transformation, which leads to a sharp increase in the friction coefficient (
При анализе патентной литературы не было обнаружено технических решений с признаками предложения, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". When analyzing the patent literature, no technical solutions with signs of a proposal were found, which allows us to conclude that the criterion of "substantial differences" is met.
Целью дополнительного легирования кремнием и/или кобальтом в количестве 0,5-8,0 мас. % при одинаковом содержании марганца и углерода заявляемого сплава является повышение предела прочности не менее чем на 50 МПа при сохранении коэффициента трения на уровне 0,12-0,3. The purpose of additional alloying with silicon and / or cobalt in an amount of 0.5-8.0 wt. % with the same content of manganese and carbon of the inventive alloy is to increase the tensile strength by at least 50 MPa while maintaining the friction coefficient at the level of 0.12-0.3.
Для достижения указанной цели антифрикционный сплав со структурой ε-мартенсита содержит марганец и углерод и дополнительно кремний и/или кобальт, остальное железо в следующем соотношении, мас.%: марганец 10,0-33,0; углерод 0,002-0,2; кремний и/или кобальт 0,5-0,8; железо остальное, которые также обеспечивают в структуре 5-95% ε-мартенсита. To achieve this goal, an antifriction alloy with an ε-martensite structure contains manganese and carbon and additionally silicon and / or cobalt, the rest is iron in the following ratio, wt.%: Manganese 10.0-33.0; carbon 0.002-0.2; silicon and / or cobalt 0.5-0.8; iron is the rest, which also provide in the structure of 5-95% ε-martensite.
Предлагаемый железомарганцевый антифрикционный сплав со структурой ε-мартенсита, дополнительно легированный кремнием и кобальтом, можно получать методами как традиционной, так и порошковой металлургии. The proposed ferromanganese antifriction alloy with ε-martensite structure, additionally doped with silicon and cobalt, can be obtained by both traditional and powder metallurgy methods.
Химический и фазовый состав сплава приведены в табл. 2. The chemical and phase composition of the alloy are given in table. 2.
В предлагаемой стали содержание кремния и/или кобальта в количестве 0,5-8,0 мас. % необходимо для гарантированного повышения предела прочности σв не менее, чем на 50 МПа по сравнению со сплавами, содержащими углерод и марганец в тех же количествах (табл. 1, п.п. 2, 4, 5; табл. 2, п.п 1-9). Понижение содержание кремния и кобальта ниже 0,5 мас.% нецелесообразно, так как приводит к понижению количества ε-мартенсита, уменьшению значений предела прочности, прирост прочности становится менее 50 МПа (Δσв-> 0) (табл. 2, п. п. 10, 11). Повышение содержания кремния и кобальта свыше 4 мас.% приводит к стабилизации аустенита по отношению к γ->α и γ->ε превращениям, снижению количества ε -мартенсита (% ε-> 0) (табл. 2, п.п. 12, 13) и как следствие росту коэффициента трения (табл. 2, п.п. 12, 13), при этом резко снижаются технологические свойства.In the proposed steel, the content of silicon and / or cobalt in an amount of 0.5-8.0 wt. % Is necessary to guarantee the increase in the tensile strength σ is not less than 50 MPa as compared with alloys containing carbon and manganese in the same amounts (Table 1,
Заявляемые сплавы можно получать как методами порошковой, так и традиционной металлургии. В порошковых сплавах предлагается дополнительная возможность воздействия на интенсивность изнашивания через регламентированный фракционный состав порошка. Явление сверхпластичности при деформации порошковых материалов способствует снижению сопротивления скольжения. Самый низкий коэффициент трения в порошковом сплаве с 23 мас.% Мn, приготовленном из порошка самой мелкой фракции (-40 мк), составляет менее 0,2. The inventive alloys can be obtained by both powder and traditional metallurgy methods. In powder alloys, an additional possibility is proposed for influencing the wear rate through a regulated fractional composition of the powder. The phenomenon of superplasticity during the deformation of powder materials contributes to a decrease in sliding resistance. The lowest coefficient of friction in a powder alloy with 23 wt.% Mn prepared from the finest fraction powder (-40 microns) is less than 0.2.
Использование заявляемого материала в качестве хладостойкого антифрикционного и конструкционного для производства тяжелонагруженных деталей (подшипники, втулки, вкладыши, подпятники), испытывающих в процессе эксплуатации высокие удельные нагрузки, значительно повышает их надежность эксплуатации и позволяет снизить трудоемкость изготовления антифрикционных деталей. The use of the inventive material as a cold-resistant antifriction and structural for the production of heavily loaded parts (bearings, bushings, bushings, thrust bearings) experiencing high specific loads during operation, significantly increases their reliability and reduces the complexity of manufacturing antifriction parts.
К дополнительным преимуществам заявляемых сплавов следует отнести комплекс специальных свойств: кроме антифрикционных сплавы обладают высокой демпфирующей способностью, эффектом памяти формы, сверхпластичностью, немагнитностью, низким коэффициентом температурного расширения. Реализация демпфирующих свойств ε-сплавов обеспечивает самогашение и снижение уровня вибраций и шумов, возникающих при работе изделий в узлах трения. The additional advantages of the claimed alloys include a set of special properties: in addition to antifriction alloys, they have high damping ability, shape memory effect, superplasticity, non-magnetic, low coefficient of thermal expansion. The implementation of the damping properties of ε-alloys provides self-extinguishing and reducing the level of vibration and noise arising from the work of products in friction units.
Область применения заявляемых сплавов и номенклатура заявляемых антифрикционных изделий определяются особенностями структурного состояния марганецсодержащей аустенитной матрицы - ее метастабильностью и склонностью к упрочнению при деформации, способностью к образованию мелкодисперсных продуктов износа, формирующих прочную пленку раздела контактирующих поверхностей, что обеспечивает коэффициент трения в 1,5-3 раза ниже коэффициента трения оловянистых бронз БРОФ-6,5 (К=0,5). The scope of the claimed alloys and the nomenclature of the claimed anti-friction products are determined by the structural features of the manganese-containing austenitic matrix - its metastability and tendency to harden under deformation, the ability to form finely dispersed wear products that form a strong interface between the contact surfaces, which provides a friction coefficient of 1.5-3 times lower than the coefficient of friction of tin bronzes BROF-6.5 (K = 0.5).
Патентный поиск показал, что детали, изготовленные из железомарганцевых сплавов в узлах трения с целью снижения коэффициента трения, ранее не применялись. Поэтому в качестве прототипа, близкого по технической сущности, были выбраны скользящие детали, изготовленные из материала на основе железа - высокоуглеродистой стали, легированной марганцем, хромом молибденом, ванадием. Несмотря на высокое содержание углерода (0,6-1,2 мас.%) износостойкость поверхностей трения в заявляемых изделиях значительно выше детали-прототипа, хотя содержание углерода в заявляемой стали составляет 0,02-0,2 мас.%. A patent search showed that parts made of ferromanganese alloys in friction units in order to reduce the friction coefficient were not previously used. Therefore, as a prototype close in technical essence, sliding parts made of a material based on iron — high-carbon steel alloyed with manganese, chromium molybdenum, and vanadium — were chosen. Despite the high carbon content (0.6-1.2 wt.%) The wear resistance of the friction surfaces in the inventive products is significantly higher than the prototype parts, although the carbon content in the inventive steel is 0.02-0.2 wt.%.
Образование твердой пленки из продуктов износа исключает необходимость введения смазки в узлы трения, что важно в тех случаях, когда процесс смазки трудно либо невозможно осуществить обычными методами. The formation of a solid film from wear products eliminates the need to introduce lubricant into the friction units, which is important in cases where the lubrication process is difficult or impossible to carry out by conventional methods.
На фиг. 1-4 показаны предлагаемые изделия. In FIG. 1-4 show the proposed products.
Заявляемые изделия это прежде всего подшипники и подшипниковые опоры, втулки, вкладыши, работающие в условиях сухого трения и смазки при больших скоростях скольжения (до 5 м/с), отличающиеся высокой прочностью и технологичностью, способностью к самоупрочнению и являющиеся самосмазывающимися (фиг. 1). The inventive products are primarily bearings and bearings, bushings, liners operating in dry friction and lubrication at high sliding speeds (up to 5 m / s), characterized by high strength and manufacturability, the ability to self-hardening and self-lubricating (Fig. 1) .
Заявляемые изделия могут быть использованы как заменители бронз в приборостроении, автомобильной и сельскохозяйственной технике. Это детали двигателей, насосов, бурового инструмента, в направляющих и подшипниках сушильных машин, служащих для отделки хлопчатобумажных тканей, где применение масел исключено, в арматуре атомных реакторов. The inventive products can be used as substitutes for bronze in instrumentation, automotive and agricultural machinery. These are parts of engines, pumps, drilling tools, in the guides and bearings of drying machines, used for finishing cotton fabrics, where the use of oils is excluded, in the fittings of nuclear reactors.
При использовании в изделиях порошковых сплавов реализуются дополнительные преимущества по сравнению с литыми, такие как возможность использования подшипников при маятниковом движении и низких скоростях скольжения, где литые подшипники не имеют сплошной масляной пленки, а также возможность установки в наклонно и вертикально расположенных подшипниковых опорах - в подобных условиях из литых подшипников скольжения вытекает смазка. When using powder alloys in products, additional advantages are realized compared to cast ones, such as the possibility of using bearings for pendulum motion and low sliding speeds, where the cast bearings do not have a continuous oil film, as well as the possibility of installation in angular and vertically located bearing bearings - in such Under the conditions, grease flows from the cast plain bearings.
Детали, изготовленные методами порошковой металлургии, обладают более высокими антифрикционными свойствами в сравнении с литыми. В порошковых сплавах появляется дополнительная возможность воздействия на трибсвойства через фракционный состав: снижение гранулометрического состава сопровождается снижением коэффициента трения, что объясняется явлениями сверхпластичности в граничном слое, и отличным от литого фазовым составом поверхностных слоев. Parts manufactured by powder metallurgy methods have higher antifriction properties compared to cast ones. In powder alloys, there is an additional possibility of influencing tribological properties through fractional composition: a decrease in the particle size distribution is accompanied by a decrease in the friction coefficient, which is explained by the phenomena of superplasticity in the boundary layer and different from the cast phase composition of the surface layers.
Подшипники и втулки системы гидропривода и двигателей (фиг. 1, 2) повышают прочность и долговечность указанных деталей в 2 раза. Bearings and bushings of the hydraulic drive system and engines (Fig. 1, 2) increase the strength and durability of these parts by 2 times.
Эффективность работы заявляемых изделий в значительной степени определялась демпфирующими свойствами материала, применение которого позволило снизить уровень вибраций и шумов в 1,5-2 раза. The efficiency of the claimed products was largely determined by the damping properties of the material, the use of which allowed to reduce the level of vibration and noise by 1.5-2 times.
Втулки с наружными диаметром до 20 мм используются в приборостроении, где требуются кроме антифрикционных свойств немагнитность и криогенные свойства, так как возможна работа механизмов при -196оС.Sleeve with outer diameter of 20 mm used in instrumentation where required apart antifriction properties of nonmagnetic and cryogenic properties have been possible to operate the mechanisms at -196 ° C.
Шестерни-валы масляных насосов гусеничных машин с модулем зуба 2,5-3,5 (фиг. 3) изготовлены из порошкового сплава, требования по динамической и статической прочности зуба обеспечиваются высокой конструкционной прочностью материала (800 МПа). Низкий порог хладноломкости (Т50=200оС) в стали позволяет применять эти изделия при температуре - 180оС.The gear shafts of the oil pumps of tracked vehicles with a tooth module 2.5-3.5 (Fig. 3) are made of powder alloy, the requirements for the dynamic and static strength of the tooth are ensured by the high structural strength of the material (800 MPa). Low cold brittleness threshold (T 50 = 200 ° C) in the steel allows the use of these products at a temperature of - 180 C.
Втулка направляющая ходовой части (фиг. 4) изготовлена из порошкового сплава, увеличивающего срок службы в 1,5 раза. Материал отличается высокой прирабатываемостью, не требует сложной термообработки. Твердость поверхностного слоя, упрочненного деформацией скольжения, распространяется на глубину 10-20 мкм и составляет 4500 МПа. Это исключает необходимость проведения сложной термической обработки, проводимой ранее для упрочнения поверхности изделия с применением дорогостоящих способов химико-термической обработки, ТВЧ или нанесения износостойких покрытий. The running gear guide bush (Fig. 4) is made of a powder alloy, which increases the service life by 1.5 times. The material is highly run-in, does not require complex heat treatment. The hardness of the surface layer hardened by slip deformation extends to a depth of 10-20 μm and amounts to 4500 MPa. This eliminates the need for complex heat treatment, carried out earlier to harden the surface of the product using expensive methods of chemical-thermal treatment, high-frequency treatment or the application of wear-resistant coatings.
Общим для всех заявляемых антифрикционных изделий со структурой ε-мартенсита является: самоупрочнение, самосмазывание, самогашение вибраций - это первый прецедент использования изделий с комплексом таких уникальных свойств, недоступным другим системам легирования. Common to all of the claimed anti-friction products with ε-martensite structure is: self-hardening, self-lubrication, vibration damping - this is the first precedent for using products with a complex of such unique properties, inaccessible to other alloying systems.
Claims (3)
Марганец 10 - 33
Углерод 0,002 - 0,200
Железо Остальное
причем структура содержит 5 - 95% фазы ε -мартенсит, остальное - метастабильная γ' - и / или α - фаза.1. An antifriction alloy based on iron with a ε-martensite structure containing manganese and carbon, characterized in that it contains components in the following ratio, wt.%:
Manganese 10 - 33
Carbon 0.002 - 0.200
Iron Else
moreover, the structure contains 5 - 95% of the ε-martensite phase, the rest is the metastable γ ' and / or α-phase.
Марганец 10 - 33
Углерод 0,002 - 0,200
Кремний и/или кобальт 0,5 - 8,0
Железо Остальное
3. Антифрикционное изделие, содержащее рабочую поверхность, выполненную из антифрикционного сплава на основе железа, содержащего марганец и углерод, отличающееся тем, что антифрикционный сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас.%:
Марганец 10 - 33
Углерод 0,002 - 0,200
Железо Остальное
а его структура содержит 5 - 95% фазы ε -мартенсит, остальное метастабильная γ' - и / или α - фаза.2. The alloy according to claim 1, characterized in that it further comprises silicon and / or cobalt in the following ratio of components, wt.%:
Manganese 10 - 33
Carbon 0.002 - 0.200
Silicon and / or cobalt 0.5 - 8.0
Iron Else
3. An anti-friction product containing a work surface made of an anti-friction alloy based on iron containing manganese and carbon, characterized in that the anti-friction alloy contains components in the following ratio, wt.%:
Manganese 10 - 33
Carbon 0.002 - 0.200
Iron Else
and its structure contains 5 - 95% of the ε-martensite phase, the rest is metastable γ ' and / or α - phase.
Марганец 10 - 33
Углерод 0,002 - 0,200
Кремний и/или кобальт 0,5 - 8,0
Железо Остальное4. The product according to claim 3, characterized in that the antifriction alloy additionally contains silicon and / or cobalt in the following ratio of components, wt.%:
Manganese 10 - 33
Carbon 0.002 - 0.200
Silicon and / or cobalt 0.5 - 8.0
Iron Else
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5024896 RU2023737C1 (en) | 1992-04-28 | 1992-04-28 | Iron-based antifriction alloy having martensite structure and antifriction product |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| SU5024896 RU2023737C1 (en) | 1992-04-28 | 1992-04-28 | Iron-based antifriction alloy having martensite structure and antifriction product |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2023737C1 true RU2023737C1 (en) | 1994-11-30 |
Family
ID=21595690
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| SU5024896 RU2023737C1 (en) | 1992-04-28 | 1992-04-28 | Iron-based antifriction alloy having martensite structure and antifriction product |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2023737C1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2270267C1 (en) * | 2004-12-30 | 2006-02-20 | Общество с ограниченной ответственностью Производственно-коммерческая фирма "Транс-Евразия" | Dispersion-hardening austenitic steel with memory of the form |
| RU2280706C2 (en) * | 2001-01-24 | 2006-07-27 | Федерал-Могул Синтеред Продактс Лтд | Iron-based copper-containing sintered article and method of its production |
| RU2322525C1 (en) * | 2006-07-11 | 2008-04-20 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Antifriction material |
| RU2403310C2 (en) * | 2008-12-04 | 2010-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (ФГУП ЦНИИчермет им. И.П. Бардина) | Iron-based alloy |
| RU2443795C2 (en) * | 2010-04-16 | 2012-02-27 | Тамара Федоровна Волынова | MULTI-FUNCTION ANTIFRICTION NANOSTRUCTURE WEAR-RESISTANT DAMPING ALLOYS WITH SHAPE MEMORY EFFECT ON METASTABLE BASIS OF IRON WITH STRUCTURE OF HEXAGONAL ε-MARTENSITE, AND ITEMS USING THESE ALLOYS WITH EFFECT OF SELF-ORGANISATION OF NANOSTRUCTURE COMPOSITIONS, SELF-STRENGTHENING AND SELF-LUBRICATION OF FRICTION SURFACES, WITH EFFECT OF SELF-DAMPING OF VIBRATIONS AND NOISES |
| RU2524812C2 (en) * | 2009-05-07 | 2014-08-10 | Федерал-Могул Висбаден Гмбх | Material of sleeve bearing |
| RU2570140C2 (en) * | 2014-01-09 | 2015-12-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Composition of powder materials to manufacture piston rings of internal combustion engines |
-
1992
- 1992-04-28 RU SU5024896 patent/RU2023737C1/en active
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| 1. Патент Японии N 52-34341, кл. C 22C 38/04, 1977. * |
| 2. Патент Японии N 61-223161, кл. C 22C 38/04, 1986. * |
| 3. Патент Японии N 62-14624, кл. C 22C 38/24, 1987. * |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2280706C2 (en) * | 2001-01-24 | 2006-07-27 | Федерал-Могул Синтеред Продактс Лтд | Iron-based copper-containing sintered article and method of its production |
| RU2270267C1 (en) * | 2004-12-30 | 2006-02-20 | Общество с ограниченной ответственностью Производственно-коммерческая фирма "Транс-Евразия" | Dispersion-hardening austenitic steel with memory of the form |
| RU2322525C1 (en) * | 2006-07-11 | 2008-04-20 | Юлия Алексеевна Щепочкина | Antifriction material |
| RU2403310C2 (en) * | 2008-12-04 | 2010-11-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный научно-исследовательский институт черной металлургии им. И.П. Бардина" (ФГУП ЦНИИчермет им. И.П. Бардина) | Iron-based alloy |
| RU2524812C2 (en) * | 2009-05-07 | 2014-08-10 | Федерал-Могул Висбаден Гмбх | Material of sleeve bearing |
| US9468974B2 (en) | 2009-05-07 | 2016-10-18 | Federal-Mogul Wiesbaden Gmbh | Plain bearing material |
| RU2443795C2 (en) * | 2010-04-16 | 2012-02-27 | Тамара Федоровна Волынова | MULTI-FUNCTION ANTIFRICTION NANOSTRUCTURE WEAR-RESISTANT DAMPING ALLOYS WITH SHAPE MEMORY EFFECT ON METASTABLE BASIS OF IRON WITH STRUCTURE OF HEXAGONAL ε-MARTENSITE, AND ITEMS USING THESE ALLOYS WITH EFFECT OF SELF-ORGANISATION OF NANOSTRUCTURE COMPOSITIONS, SELF-STRENGTHENING AND SELF-LUBRICATION OF FRICTION SURFACES, WITH EFFECT OF SELF-DAMPING OF VIBRATIONS AND NOISES |
| RU2570140C2 (en) * | 2014-01-09 | 2015-12-10 | Федеральное Государственное Бюджетное Образовательное Учреждение Высшего Профессионального Образования "Дагестанский Государственный Технический Университет" (Дгту) | Composition of powder materials to manufacture piston rings of internal combustion engines |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Glaeser | Materials for tribology | |
| US6095692A (en) | Rolling bearing | |
| US5084116A (en) | Rolling contact element steel and rolling bearing made thereof | |
| US5427457A (en) | Rolling bearing | |
| Lefevre et al. | Austempered materials for powertrain applications | |
| EP0411931B1 (en) | Case hardening corrosion resistant steel alloy and article made therefrom | |
| Refaey et al. | Effect of microstructure on properties of ADI and low alloyed ductile iron | |
| GB2324305A (en) | Bearings | |
| GB2235212A (en) | Rolling bearing | |
| WO1994010354A1 (en) | Gray cast iron | |
| RU2443795C2 (en) | MULTI-FUNCTION ANTIFRICTION NANOSTRUCTURE WEAR-RESISTANT DAMPING ALLOYS WITH SHAPE MEMORY EFFECT ON METASTABLE BASIS OF IRON WITH STRUCTURE OF HEXAGONAL ε-MARTENSITE, AND ITEMS USING THESE ALLOYS WITH EFFECT OF SELF-ORGANISATION OF NANOSTRUCTURE COMPOSITIONS, SELF-STRENGTHENING AND SELF-LUBRICATION OF FRICTION SURFACES, WITH EFFECT OF SELF-DAMPING OF VIBRATIONS AND NOISES | |
| RU2023737C1 (en) | Iron-based antifriction alloy having martensite structure and antifriction product | |
| JP5122068B2 (en) | Fe-based wear-resistant sliding material | |
| EP0745695B1 (en) | Bearing part | |
| JPH02277764A (en) | Roller bearing | |
| JPH1151065A (en) | Rolling bearing | |
| Li | Abrasive wear | |
| Straffelini | Materials for tribology | |
| Raedt et al. | New forged steels energy-efficient solutions for stronger parts | |
| Hucklenbroich et al. | High nitrogen martensitic steel for critical components in aviation | |
| Burrier Jr | Bearing steels | |
| Kantipudi et al. | Metals and their Tribological Applications | |
| Al-Samarai et al. | Wear in Metals | |
| GB2344828A (en) | Rolling member | |
| Scott | Paper 23: Hard Materials |