RU2171307C1

RU2171307C1 - Antifriction-destination composite for operations under limited lubrication conditions

Info

Publication number: RU2171307C1
Application number: RU2000104199A
Authority: RU
Inventors: Т.А. Чернышова; Л.И. Кобелева; Л.К. Болотова; Д.Н. Плишкин; А.В. Панфилов; И.К. Каллиопин; Ю.Д. Карагодов; А.А. Панфилов
Original assignee: Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Priority date: 2000-02-22
Filing date: 2000-02-22
Publication date: 2001-07-27

Abstract

FIELD: antifriction materials. SUBSTANCE: cast composite material for use in heavy-duty friction units operated under limited lubrication conditions is based on industrial cast aluminum alloys (silumin type) and contains discrete fillers of two types: very hard and high silica module ceramic particles of carbides, nitrides, and oxides with particle size no greater than 20 mcm and 40-160 mcm fraction of graphite particles, wherein volume portion of ceramic filler varies between 2.5 and 5.0 vol %. EFFECT: reduced coefficient of friction under dry friction conditions and increased carrying capacity. 2 cl, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области создания новых антифрикционных материалов для машиностроения, работающих в тяжелонагруженных узлах трения скольжения в условиях ограниченной смазки или в узлах трения, где нежелателен или невозможен внешний подвод смазочных средств в зону фрикционного контакта. Такими материалами могут быть многофазные дискретно армированные композиционные материалы (КМ) на металлической основе, в которых один из армирующих наполнителей обеспечивает восприятие механических нагрузок и износостойкость, другой обеспечивает самосмазывание. The invention relates to the field of creating new antifriction materials for mechanical engineering, operating in heavily loaded sliding friction units in conditions of limited lubrication or in friction units where external supply of lubricants to the friction contact zone is undesirable or impossible. Such materials can be multiphase discretely reinforced composite materials (CM) on a metal base, in which one of the reinforcing fillers provides the perception of mechanical stress and wear resistance, the other provides self-lubrication.

В последние годы получили известность антифрикционные КМ на основе алюминиевых сплавов, упрочненные дискретными высокопрочными высокомодульными наполнителями - частицами или нитевидными кристаллами (НК). Такие КМ по своим трибологическим характеристикам (коэффициенту трения, задиростойкости, прирабатываемости) приближаются к традиционным подшипниковым материалам, существенно превосходят их по износостойкости и несущей способности, имеют малый удельный вес и позволяют получить заметный выигрыш в стоимости. In recent years, anti-friction CMs based on aluminum alloys, hardened by discrete high-strength high-modulus fillers - particles or whiskers (NCs) - have gained popularity. Such CMs in their tribological characteristics (coefficient of friction, scoring resistance, and working life) approach traditional bearing materials, significantly exceed them in terms of wear resistance and bearing capacity, have a small specific gravity and allow to obtain a noticeable cost gain.

Так, известен литой КМ с матрицей из сплава 6061 Al (состав, вес.%: 1,0 Mg; 0,6 Si; 0,25 Cu; 0,25 Zn; 0,2 Cr; Al - остальное), армированный керамическими частицами Al₂O₃ (объемная доля V_p равна 15%) [1]. При испытании в условиях трения скольжения в паре со сталью 52100 (HRC60) износостойкость такого КМ в 10 раз выше, чем матричного сплава, если трибосопряжение работает без смазки, и в 1000 раз выше при наличии масляной смазки. Введение керамических частиц в матричный сплав снижает коэффициент трения f, однако из-за склонности алюминиевых сплавов к схватыванию со сталью стабильная работа трибосопряжения возможна только в присутствии смазки: в режимах сухого трения f составляет 0,9 для матричного сплава и 0,5-0,6 для КМ; при трении со смазкой (маслом) 0,35 и 0,07 соответственно.So, cast KM with a matrix of 6061 Al alloy is known (composition, wt.%: 1.0 Mg; 0.6 Si; 0.25 Cu; 0.25 Zn; 0.2 Cr; Al - the rest) reinforced with ceramic particles of Al ₂ O ₃ (volume fraction V _p equal to 15%) [1]. When tested under sliding friction paired with steel 52100 (HRC60), the wear resistance of such a CM is 10 times higher than that of a matrix alloy if tribo-conjugation works without lubrication, and 1000 times higher in the presence of oil lubrication. The introduction of ceramic particles into the matrix alloy reduces the friction coefficient f, however, due to the tendency of aluminum alloys to set with steel, stable operation of the tribo-conjugation is possible only in the presence of lubricant: in dry friction modes, f is 0.9 for the matrix alloy and 0.5-0, 6 for KM; with friction with lubricant (oil) 0.35 and 0.07, respectively.

В [2] сообщается о двух КМ на основе сплавов: Al 4,0%; Cu 1,5%; Mg (I) и Al 7% Si (II), армированных НК β-SiC и частицами SiC со средним размером ⌀_p, равным 13 мкм. Объемное содержание наполнителя в обоих случаях 20%. Введение армирующих частиц или НК в матричные сплавы увеличивает их износостойкость при трении без смазки в 4 (I) и 2,5 (II) раза. Коэффициент трения таких КМ по стали имеет средние значения 0,5-0,6 без смазки и 0,16-0,18 при твердой смазке графитовым порошком.In [2], two CMs based on alloys were reported: Al 4.0%; Cu 1.5%; Mg (I) and Al 7% Si (II) reinforced with β-SiC nanocrystals and SiC particles with an average size ⌀ _p equal to 13 μm. The volumetric content of the filler in both cases is 20%. The introduction of reinforcing particles or NK into matrix alloys increases their wear resistance during friction without lubrication by 4 (I) and 2.5 (II) times. The friction coefficient of such CMs on steel has average values of 0.5-0.6 without lubrication and 0.16-0.18 for solid lubrication with graphite powder.

Таким образом, эксплуатация деталей из КМ, армированных керамическими наполнителями, в узлах трения скольжения требует применения смазочных средств. Thus, the operation of parts made of composite materials reinforced with ceramic fillers in sliding friction units requires the use of lubricants.

При выборе состава антифрикционных КМ, содержащих керамические частицы, существует и такое ограничение, как объемное содержание V_р и размер ⌀_p частиц. Увеличение V_р и ⌀_p повышает износостойкость КМ, но приводит к росту коэффициента трения и усилению абразивного износа сопряженных цапф. Поэтому в [3] предложен КМ на базе алюминиевого сплава (состав, вес.%: 10 -15 Si; 10-20 Ni; 1-2 Cu; Al - остальное), содержащий от 0,5 до 10 об.% дисперсных частиц боридов, нитридов, оксидов или карбидов размером от 0,2 до 20 мкм. КМ обладает высокой износостойкостью и низким коэффициентом трения (прототип).When choosing the composition of antifriction CMs containing ceramic particles, there is also such a limitation as the volume content of V _p and the particle size ⌀ _p . An increase in V _p and ⌀ _p increases the wear resistance of the CM, but leads to an increase in the coefficient of friction and an increase in the abrasive wear of the mating trunnions. Therefore, in [3] a CM based on an aluminum alloy was proposed (composition, wt.%: 10 -15 Si; 10-20 Ni; 1-2 Cu; Al - the rest), containing from 0.5 to 10 vol.% Dispersed particles borides, nitrides, oxides or carbides ranging in size from 0.2 to 20 microns. KM has high wear resistance and low coefficient of friction (prototype).

Однако если по условиям работы трибосопряжения подвод смазочных средств ограничен, целесообразно применение КМ, в которых реализуется механизм самосмазывания. К самосмазывающимся КМ относятся алюминево-графитовые сплавы. Например, известен КМ, изготовленный методом порошковой металлургии из смеси порошка алюминиевого сплава (состав, вес.%: 5 Si - 1,5 Ni - 0,5 Mg - 2 Pb, Al - остальное) в виде чешуек размером меньше или равным 1 мм и порошка графита дисперсностью 40-50 мкм [4]. KM быстро прирабатывается и после образования на поверхности трения защитной графитовой пленки имеет низкие коэффициенты трения. However, if the supply of lubricants is limited according to the operating conditions of tribo-coupling, it is advisable to use CMs in which the self-lubrication mechanism is implemented. Self-lubricating KM include aluminum-graphite alloys. For example, KM is known, made by powder metallurgy from a mixture of aluminum alloy powder (composition, wt.%: 5 Si - 1.5 Ni - 0.5 Mg - 2 Pb, Al - the rest) in the form of flakes smaller than or equal to 1 mm and graphite powder with a dispersion of 40-50 microns [4]. KM is quickly run in and after the formation of a protective graphite film on the friction surface has low friction coefficients.

Для существенного улучшения антифрикционных свойств алюминиевого сплава достаточно введения в него 1,5 об.% графита. В интервале давлений 10-25 МПа коэффициент трения стабилизируется на уровне 0,012 - 0,02. С другой стороны, введение графитового порошка в алюминиевые сплавы снижает их пластичность и ударную вязкость, особенно в случае изготовления КМ методами порошковой металлургии, при которых для материала характерны повышенная пористость и слабая связь наполнителя с матрицей (выкрашивание). Кроме того, алюминиево-графитовые КМ имеют относительно низкие износостойкость и несущую способность. To significantly improve the antifriction properties of an aluminum alloy, it is sufficient to introduce 1.5 vol.% Graphite into it. In the pressure range of 10-25 MPa, the friction coefficient stabilizes at the level of 0.012 - 0.02. On the other hand, the introduction of graphite powder into aluminum alloys reduces their ductility and toughness, especially in the case of production of CM by powder metallurgy methods, in which the material is characterized by increased porosity and weak filler-matrix bonding (chipping). In addition, aluminum-graphite CMs have relatively low wear resistance and bearing capacity.

Для решения технической задачи получения дискретно-армированного антифрикционного КМ, работающего в условиях ограниченной смазки или сухого трения, предложен литой композиционный материал на основе промышленных литейных алюминиевых сплавов (типа силуминов), содержащий дискретные наполнители двух видов: высокотвердые, высокомодульные керамические частицы или НК карбидов, нитридов, оксидов с размером не более 20 мкм и частицы графита фракционного состава 40-160 мкм. Объемная доля керамического наполнителя от 2,5 до 5 об. %, графитового наполнителя от 1,5 до 3 об.%. В таком КМ несущая способность и износостойкость обеспечены керамическим наполнителем; графитовый наполнитель создает на поверхности контакта защитную графитовую пленку и снижает коэффициент трения до уровня не хуже, чем при твердой смазке. Объемное содержание (2,5-5%) и размеры (менее 20 мкм) керамических частиц в КМ выбраны так, чтобы при высоких износостойкости и несущей способности подшипников исключить интенсивный износ сопряженных цапф. To solve the technical problem of obtaining a discrete-reinforced anti-friction CM working in conditions of limited lubrication or dry friction, a cast composite material based on industrial cast aluminum alloys (such as silumins) is proposed, containing two types of discrete fillers: high-hard, high-modulus ceramic particles or NK carbides, nitrides, oxides with a size of not more than 20 microns and graphite particles with a fractional composition of 40-160 microns. The volume fraction of ceramic filler is from 2.5 to 5 vol. %, graphite filler from 1.5 to 3 vol.%. In such a CM, the bearing capacity and wear resistance are provided by a ceramic filler; the graphite filler creates a protective graphite film on the contact surface and reduces the friction coefficient to a level no worse than with solid lubricant. The volume content (2.5-5%) and sizes (less than 20 microns) of ceramic particles in the CM are selected so that, with high wear resistance and bearing capacity of the bearings, intensive wear of the mating trunnions is eliminated.

Объемное содержание частиц графита (1,5-3%) достаточно для существенного улучшения антифрикционных свойств КМ без заметного снижения комплекса механических характеристик. Размеры графитовых частиц (40-160 мкм) выбраны из соображений уменьшения склонности частиц к агломерации при изготовлении КМ. Жидкофазные (литейные) методы совмещения наполнителей и матрицы (механическое замешивание наполнителей в матричные расплавы, растворение лигатур, литье под давлением) позволяют получить достаточно плотный КМ (с пористостью менее 2,0%) с удовлетворительной связью по поверхностям раздела между наполнителями и матрицей. Для осуществления литейного процесса производства KM материал матрицы выбирают из числа литейных алюминиевых сплавов (силуминов). Чтобы обеспечить смачивание армирующих наполнителей матричным расплавом, в процессе изготовления КМ проводят долегирование расплавов магнием в количестве до 1 вес.%. The volumetric content of graphite particles (1.5-3%) is sufficient to significantly improve the antifriction properties of CM without a noticeable decrease in the complex of mechanical characteristics. The sizes of graphite particles (40-160 microns) are selected from considerations of reducing the tendency of particles to agglomerate in the manufacture of CM. Liquid-phase (foundry) methods for combining fillers and matrices (mechanical mixing of fillers into matrix melts, dissolving ligatures, injection molding) make it possible to obtain a fairly dense CM (with porosity less than 2.0%) with a satisfactory bond along the interface between fillers and matrix. To carry out the KM casting process, the matrix material is selected from among cast aluminum alloys (silumins). To ensure the wetting of the reinforcing fillers with a matrix melt, in the process of manufacturing KM, the melting of the melts with magnesium is carried out in an amount of up to 1 wt.%.

Пример. Композиционный материал на базе промышленного литейного алюминиевого сплава АЛ2 (~12 вес.% Si), содержащий 2,5 об.% частиц карбида кремния размером менее 3 мкм и 3,0 об.% частиц графита с размером 40-160 мкм, получен механическим замешиванием частиц в расплав, предварительно долегированный магнием в количестве 1 вес.%. Example. A composite material based on the industrial casting aluminum alloy AL2 (~ 12 wt.% Si), containing 2.5 vol.% Particles of silicon carbide with a size of less than 3 microns and 3.0 vol.% Particles of graphite with a size of 40-160 microns, was obtained by mechanical by mixing the particles into the melt, previously alloyed with magnesium in an amount of 1 wt.%.

Испытания КМ на износ и трение проведены по схеме колодка - ролик на машине Шкода-Савина, снабженной устройством для измерения момента трения (устройство Л.Ю.Пружанского). Испытания заключаются в вытирании вращающимся стальным закаленным (450 НВ) роликом диаметром 30 мм канавки на плоских образцах из исследуемого материала. Нагрузка на узел трения 5 кг, общая продолжительность испытаний 30 мин. Результаты измерения износа и значений коэффициента трения образцов из предлагаемого КМ сопоставлены с таковыми, полученными на образцах КМ других составов, сплава АЛ2 и бронзы Бр05Ц5С5 (см. таблицу). Видно, что если в КМ с матрицей из литейного сплава АЛ2 (Al - 12 вес. % Si), армированной частицами карбида кремния SiC размером менее 3 мкм и объемным содержанием 2,5%, введены дополнительно частицы графита размером 40-160 мкм в количестве 1,5 об.%, то результатом является снижение коэффициента трения в условиях сухого трения по крайней мере в 5 раз по сравнению с базовыми вариантами (см. п.п. 4, 5, 7 таблицы) при сохранении высокого сопротивления износу. KM tests for wear and friction were carried out according to the block-roller scheme on a Skoda-Savin machine equipped with a device for measuring friction moment (device of L.Yu. Pruzhansky). The tests consist of wiping grooves on flat specimens of the material under study with a rotating steel hardened (450 HB) roller with a diameter of 30 mm. The load on the friction unit is 5 kg, the total test duration is 30 minutes. The results of measuring wear and values of the coefficient of friction of samples from the proposed KM are compared with those obtained on samples of KM of other compositions, alloy AL2 and bronze Br05Ts5S5 (see table). It can be seen that if in a CM with a matrix made of a cast alloy AL2 (Al - 12 wt.% Si) reinforced with silicon carbide particles SiC with a size of less than 3 μm and a volume content of 2.5%, additional graphite particles of 40-160 μm in size are introduced 1.5 vol.%, The result is a decrease in the coefficient of friction in dry friction by at least 5 times compared with the basic options (see paragraphs 4, 5, 7 of the table) while maintaining high wear resistance.

Литература
1. Lin S.J., Lin C.A., Wu G.A., Horng J.L. Sliding wear of Al₂O₃ / 6061 Al composite. J.Mat. Sci. (1996). 31. P. 3481-3486.Literature
1. Lin SJ, Lin CA, Wu GA, Horng JL Sliding wear of Al ₂ O _3/6061 Al composite. J. Mat. Sci. (1996). 31. P. 3481-3486.

2. Prasad S.V., Me Connell B.D. Tribology of Aluminum Metalmatrix Composites: Lubrication by Graphite. Wear. 1991. 149, N 1-2. P.241- 253
3. Aluminum alloy. Патент 5409661 США, МКИ⁶ C 22 C 21/04. Imahashi Kunihiko, Miura Hirohisa, Yamada Yasuhiro, Michioka Hirohumi, Kusuii Jun, Tanaka Akiei. Toyota Zidosha K.K., Aichen; Toyo Aluminum K.K., Osaka, both of Japan, N 249546, Заявл. 24.05.94. Опубл. 25.04.95.2. Prasad SV, Me Connell BD Tribology of Aluminum Metalmatrix Composites: Lubrication by Graphite. Wear 1991.149, N 1-2. P.241- 253
3. Aluminum alloy. U.S. Patent 5409661, MKI ⁶ C 22 C 21/04. Imahashi Kunihiko, Miura Hirohisa, Yamada Yasuhiro, Michioka Hirohumi, Kusuii Jun, Tanaka Akiei. Toyota Zidosha KK, Aichen; Toyo Aluminum KK, Osaka, both of Japan, N 249546, Decl. 05/24/94. Publ. 04/25/95.

4. Царев Г.Л., Ильшев А.П., Волочко А.Т. Свойства горячедеформированного антифрикционного алюминиевого сплава. Порошковая металлургия. 1986. N 1, с. 40-43. 4. Tsarev G.L., Ilshev A.P., Volochko A.T. Properties of hot deformed anti-friction aluminum alloy. Powder metallurgy. 1986. N 1, p. 40-43.

Claims

1. Cast composite material based on cast aluminum alloy of the silumin type, containing discrete ceramic particles less than 20 microns in size as a reinforcing filler, characterized in that it additionally contains graphite particles of 40-160 microns in size with the following filler content, vol. %: ceramic particles from 2.5 to 5.0, graphite particles from 1.5 to 3.0.

2. The material according to claim 1, characterized in that, as discrete ceramic particles, it contains particles of TiC, ZrC, B ₄ C, SiC, AL ₂ O ₃ , BN, TiN.