Композитная антифрикционная бронза

Название	Композитная антифрикционная бронза
Разработчик (Авторы)	Потехин Борис Алексеевич, Фурман Евгений Львович, Христолюбов Александр Сергеевич, Жиляков Аркадий Юрьевич, Кочугов Сергей Петрович, Коробов Юрий Станиславович, Илюшин Владимир Владимирович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2784661
Дата регистрации	29.11.2022
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Уральский государственный лесотехнический университет"
Область применения (класс МПК)	C22C 9/00 (2006.01) C22C 9/06 (2006.01)

Описание изобретения

Изобретение относится к металлургии, в частности к композитным бронзам.

1. Описание аналогов и критика прототипа

Среди бронз, применяемых для изготовления узлов трения-скольжения известны, в первую очередь, бронзы, представленные в таблице 1.

Бронза - «аналог» (№2, табл. 2) может упрочняться твердением за счет образования при отпуске-старении дисперсных частиц типа Cu3Al, но этого недостаточно для сплавов скольжения со смазкой, в данном случае эта бронза не соответствуют «правилу Шарпи» [1], которое гласит: «сплавы скольжения должны иметь относительно мягкую матрицу и твердые, компактные, равномерно распределенные включения, выполняющие функцию опорной поверхности при трении».

В полной мере, из представленных бронз, соответствует «правилу Шарпи» только бронза БрО10 (№3, табл. 1), ее структура представлена на Фиг. 1(Структура аналога - бронза БрО10 - опорная поверхность интерметаллиды Cu3Sn (а); прототипа - композитная бронза БрЖНХК 12-7-5-1 - опроная поверхность стальной дендрит, заменивший хрупкий интерметаллиды Cu3Sn (б)).

В бронзе БрО10 уже в процессе охлаждения и кристаллизации расплава формируются интерметаллиды Cu3Sn (компактные, равномерно распределенные), выполняющие функцию опорной поверхности при трении. Это единственная надежная, широко применяемая бронза, эффективно и широко используемая в подшипниках скольжения на транспорте.

Недостатком этой бронзы является то, что интерметаллиды хрупки, что делает эту бронзу не деформируемой (ψ ≤ 3%), имеющей низкую ударную вязкость и усталостную прочность. (ГОСТ 613-79).

Эта бронза применяется только в литом состоянии или как порошок для плазменного напыления, что сужает область ее применения, хотя ее Ктр (коэффициент трения) - низкий. Морфологические особенности интерметаллида - неблагоприятны с точки зрения механических, технологических свойств.

Морфологией структуры этой бронзы управлять (изменять) без потери трибологических свойств (коэффициент трения, износостойкость) в принципе невозможно. Наличие крупных хрупких интерметаллидов породило в эксплуатации неблагоприятное явление - контактно-усталостное выкрашивание.

Кроме того, наличие в бронзе БрО10 легкоплавкого олова (температура плавления - 232°С) приводит к его испарению в процессе наплавки, плазменного и газотермического напыления, что экологически вредно и нарушает работу сопла плазмотронов.

Прочностные показатели этой бронзы не высоки σ0.2=170Мпа, σΒ=215 Мпа в отливках.

В качестве прототипа, в наибольшей степени приближенного по химическому составу и свойствам к составу заявляемой бронзы, является композитная бронза БрЖНХК 12-7-5-1 [2]. Недостатком этой бронзы является пониженная пластичность, что может быть причиной образования холодных трещин в отливках, наплавках.

Сравнительные свойства прототипа рассмотрены ниже, совместно с заявляемым составом.

2. Техническая задача

Создание композитной, антифрикционной бронзы, армированной стальными дендритами из нержавеющей стали с повышеными пластическими свойствами и высокой износостойкостью.

3. Пути достижения технической задачи и соответствие заявляемого технического решения критериям изобретения

В двойных плавах Cu-Fe в интервале температур кристаллизации (ликвидус 1400°С - солидус 1100°С) формируются стальные дендриты [3]. Введение в сплавы этой стистемы Cr, который практически не растворим в Cu [4], позволяет получать дендриты, содержащие >14% Cr, то есть нержавеющие дендриты.

На этой базе, с использованием диаграмм Потака-Сагалевич [5] нами получены бронзы, наиболее близкие к заявляемому составу. Экспериментальный вариант композитной антифрикционной бронзы, армированной дендритами из аустенитной нержавеющей стали, выполняющие функцию опорной поверхности при трении представлен в таблице 2, их механические свойства в таблице 3, прототип подробно, в разных аспектах, описан в наших работах [2, 6-8].

Роль иттрия, как раскислителя, в формировании свойств медных сплавов, как мы установили, необычна.

Такие широко применяемые раскислители, как Al, Mn, Si при металлургическом производстве выводят часть вредных примесей (S, Р, Се и др.) в шлак, а оставшиеся примеси располагаются в виде окислов по границам зерен, ослабляя их.

Введение иттрия, как раскислителя, приводит к формированию «глобулей-сфер» (см. фиг. 2. Структура бронзы БрО10 (а), БрЖНХК 12-7-5-1 (б) и модифицированная иттрием бронза БрЖНХКИ 13-7-5-1-(0,10-0,25) (в)), в которых «собираются» вредные примеси (см. табл. 4), очищая от них границы зерен (см. фиг. 2, в и табл. 3).

Кроме того, хром, не растворимый в медной матрице «застревает» в ней, формируя Fe-Cr сегрегации с содержанием хрома 10-20%, а при наличии иттрия, по-видимому, диффузионная подвижность хрома возрастает и его количество в матрице уменьшается, что также должно повышает пластичность рассматриваемых композитных бронз.

Именно собирание всех окислов в сферические глобули (самая благоприятная форма с точки зрения механических свойств), а также уменьшение сегрегаций Cr в матрице и обеспечивает столь значимое повышение пластичности заявляемой бронзы.

Очень высокая износостойкость прототипа и заявленной бронзы (в 4-5 раз выше, чем у классической бронзы БрО10, см. табл. 1, 3) обусловлена тем, что хрупкие интерметаллиды Cu3Sn (фиг. 2 а), как опорная поверхность при граничном трении заменены на пластичные аустенитные нержавеющие дендриты (фиг. 2 б),

всегда покрытые твердой (≥ 700 HV) окисной (Fe, Cr)2O3 самовосстанавливающейся при трении нанопленкой [9].

При наличии иттрия на поверхности дендрита формируются еще более твердый окисел (Fe, Cr, Υ)2O3, что со всех сторон положительно.

Сравнение заявляемого технического решения с прототипом показывает, что оно соответствует критерию «новизна».

Изготовление таких сплавов возможно в плавильных печах любого типа (индукционных, электро-дуговых, сопротивления и др.), а также путем наплавки соответствующими электродами, плазменного и газотермического напыления и др, поэтому заявляемое изобретение соответствует критерию «промышленная применимость».

При проведении патентно-информационных исследований заявляемая совокупность признаков выявлена не была, поэтому заявляемое техническое решение соответствует критерию «изобретательский уровень».

Таким образом, предлагаемая бронза практически не отличается от прототипа по прочностным свойствам, по износостойкости, а основной показатель пластичности (поперечное сужение), обусловленный введением иттрия (0,10-0,25%) выше, чем у прототипа в 2,5-3,0 раза.

Способ получения не имеет принципиального значения. Возможно изготовление этих сплавов в плавильных печах любого типа (индукционных, электро-дуговых, сопротивления и др.), а также путем наплавки соответствующими электродами, плазменного и газотермического напыления и др.

Интервал 0,10-0,25%, обусловлен тем, что иттрий - «особенный» раскислитель не просто очищает матрицу бронзы от вредных примесей (сера, фосфор, селен, висмут и др.), а формирует из этих примесей глобули, при этом побочного вредного эффекта от иттрия ожидать не приходится. В любом количестве он полезен в бронзах, в частности, для полной очистки бронзы от вредных примесей вполне достаточно 0,25% Υ, но и 0,05% будут полезны.

В составе бронз, использованных при производстве крупногабаритных узлов паровых турбин (Акт промышленного применения бронзы БрЖНХК 12-7-5-1 от 08 ноября 2021 г.) содержание иттрия было: в первой партии - 0,24%, во второй партии - 0,11%. Результаты промышленного применения выявили самые благоприятные теологические свойства данной бронзы при газопламенном напылении в производственных условиях.

Таким образом, интервал содержания иттрия, заявленный в формуле изобретения 0,10-0,25% обоснован.

Заявляемая бронза уже эффективно применяется в виде порошка для плазменного и газотермического напыления на ООО «Турбинный завод», г. Екатеринбург для антифрикционной защиты ответственных деталей паровых турбин, см. акт внедрения (прилагается).

Литература

1. Крагельский И.В. Трение и износ / 2-е изд. пераб. и доп. М.: Машиностроение, 1968. - 480 с.

2. Потехин Б.Α., Христолюбов А.С., Жиляков А.Ю. Создание композитных бронз, армированных стальными дендритами // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2018. - Т.4. - С. 68-76.

3. Авраамов Ю.С., Шляпин А.Д. Новые композитные материалы на основе несмешивающихся компонентов: получение, структура, свойства / Москва, 1999. -121 с.

4. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник: В 3 т.: Т.2 / Под общ. ред. Н.П. Лякишева. - М.: Машиностроение, 1997. - 1024 с.

5. Потак Я.М., Сагалевич Е.А. Структурная диаграмма деформируемых нержавеющих сталей / /М.: МиТОМ. - 1971. - №9. - С. 12-16.

6. Потехин Б.А., Илюшин В.В., Христолюбов А.С., Жиляков А.Ю. Формирования структуры композитных бронз, армированных стальными дендритами // Физика металлов и металловедение. - 2014. - Том 115. - №4. - С. 442-448.

7. Potehkin В.Α., Hernandez Fereira А.А. Khristolyubov A.S. Zhilyakov A.V., Iliushin V.V. Influence of the microstracture dispersion on the tribological properties of composite bronzes reinforced with steel dendrites // 17th LACCEI International Multi-Conference for Engineering, Education, and Technology, TACCEI 2019; Montego Bay; Jamaica; 24 July 2019 до 26 July 2019. DOI: 10.18687/LACCEI2019.1.1.295.

8. Potehkin Β.Α., Khristolyubov A.S., Zhilyakov A.Yu. Tribological properties of composite bronzes reinforced with dendrites from maraging and stainless steels // Tecture Notes in Mechanical Engineering (Proceedings of the 6th International Conference on Industrial Engineering - 1СГЕ 2020). - 2021. - 1 st ed. - P. 1214-1220.

9. Sims, C.T.; Stoloff, N.S.; Hagel, W.C. Superalloys II: High-Temperature Materials for Aerospace and Industrial Power; John Willey and Sons: New York, NY, USA, 1987.

Формула изобретения

Композитная антифрикционная бронза, содержащая Fe, Ni, Cr, Si, отличающаяся тем, что она содержит иттрий в количестве 0,10-0,25 мас.% и легирующие элементы в количестве: Fe 12-14 мас.%; Ni 6-7,5 мас.%; Cr 4-5 мас.%; Si 0,7-1,3 мас.%, остальное – медь.

Изобретение " Композитная антифрикционная бронза" (Потехин Борис Алексеевич, Фурман Евгений Львович, Христолюбов Александр Сергеевич, Жиляков Аркадий Юрьевич, Кочугов Сергей Петрович, Коробов Юрий Станиславович, Илюшин Владимир Владимирович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога