RU2794534C1 - Hard alloy for friction units with high load - Google Patents

Abstract

FIELD: powder metallurgy.

SUBSTANCE: invention is related to a hard wear-resistant alloy designed to work under difficult conditions of dynamic loading, high contact pressures and speeds. The alloy contains components in the following ratio, in % by weight: nickel - 7.0-20, copper - 0.4-0.6, manganese - 0.9-1.1, the rest is chromium carbonitride. The size of the carbonitride phase is 1-2 mcm.

EFFECT: increased wear resistance of the alloy, which is expressed in an increase in bending strength, hardness and a decrease in the coefficient of friction.

2 cl, 2 tbl

Description

[01] Область техники[01] Field of technology

[02] Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к износостойкому твердому сплаву, предназначенному для работы в сложных условиях динамического нагружения, высоких контактных давлений и скоростей.[02] The invention relates to the field of powder metallurgy, namely to a wear-resistant hard alloy designed to work under difficult conditions of dynamic loading, high contact pressures and speeds.

[03] Уровень техники[03] State of the art

[04] Известны износостойкие металлические материалы, получаемые методом порошковой металлургии и широко применяемые в машиностроительных отраслях промышленности (например, сплавы типа ПК 70, ПХР, ПК40Х132). Однако известные сплавы не обеспечивают требуемого уровня основных физико-механических характеристик и эксплуатационных свойств в условиях длительного воздействия повышенных контактных давлений, температур и скоростей, что существенно снижает наработку на отказ высоконагруженных узлов трения и пар трения в подшипниках скольжения, используемых в судовом, транспортном и энергетическом машиностроении.[04] Known wear-resistant metal materials obtained by powder metallurgy and widely used in engineering industries (for example, alloys such as PK 70, PKhR, PK40X132). However, known alloys do not provide the required level of basic physical and mechanical characteristics and operational properties under conditions of prolonged exposure to elevated contact pressures, temperatures and speeds, which significantly reduces the time between failures of highly loaded friction units and friction pairs in plain bearings used in ship, transport and energy engineering.

[05] Известен износостойкий и коррозионностойкий сплав на основе карбонитрида хрома, описанный в патенте РФ RU 2015189, 30.06.1994. Сплав содержит никель в количестве 15-20 мас. % и карбонитрид хрома - остальное. Однако указанный сплав не предназначен для использования в высоконагруженных узлах трения.[05] Known wear-resistant and corrosion-resistant alloy based on chromium carbonitride, described in the patent of the Russian Federation RU 2015189, 30.06.1994. The alloy contains Nickel in the amount of 15-20 wt. % and chromium carbonitride - the rest. However, this alloy is not intended for use in highly loaded friction units.

[06] В патенте США US 4948425, 06.04.1989 описан сплав на основе карбонитрида титана и карбида хрома, содержащий также по меньшей мере один из элементов группы: титан, цирконий, гафний, ванадий, ниобий, тантал, хром, молибден, вольфрам, марганей, железо, кобальт, никель и кремний. Данный сплав характеризуется наличием составе титана, что неприемлемо в случае применения в водородной энергетике. Титан образует с водородом металлогидраты, изменяющие свойства сплавов в худшую сторону (набухание, потеря прочностных свойств, образование губчатого материала) Это сплав имеет также набор свойств, ухудшающихся с увеличением рабочей температуры в условиях длительного динамического нагружения и воздействия высоких контактных давлений и температур.[06] In US patent US 4948425, 04/06/1989 describes an alloy based on titanium carbonitride and chromium carbide, which also contains at least one of the elements of the group: titanium, zirconium, hafnium, vanadium, niobium, tantalum, chromium, molybdenum, tungsten, manganese, iron, cobalt, nickel and silicon. This alloy is characterized by the presence of titanium, which is unacceptable for use in hydrogen energy. Titanium forms metal hydrates with hydrogen, which change the properties of alloys for the worse (swelling, loss of strength properties, formation of spongy material). This alloy also has a set of properties that deteriorate with increasing operating temperature under conditions of long-term dynamic loading and exposure to high contact pressures and temperatures.

[07] Наиболее близким аналогом заявленного изобретения является сплав для высоконагруженных узлов трения на основе карбонитрида титана TiCN, описанный в патенте РФ RU 2509170, 10.03.2014). Сплав также содержит в своем составе никель, молибден, вольфрам, хром, железо, углерод и серу.[07] The closest analogue of the claimed invention is an alloy for highly loaded friction units based on titanium carbonitride TiCN, described in RF patent RU 2509170, 10.03.2014). The alloy also contains nickel, molybdenum, tungsten, chromium, iron, carbon and sulfur.

[08] Однако данный состав также не обладает упомянутым комплексом физико-механических и эксплуатационных свойств.[08] However, this composition also does not have the mentioned complex of physicomechanical and operational properties.

[09] Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является невозможность реализации в сплаве комплекса свойств, обеспечивающих высокий уровень износостойкости и наработки на отказ (надежности), особенно в случае применения его в водородной энергетике и в конструкциях, адаптированных к водороду.[09] The technical problem to be solved by the claimed invention is the impossibility of implementing in the alloy a set of properties that provide a high level of wear resistance and MTBF (reliability), especially in the case of its use in hydrogen energy and in structures adapted to hydrogen.

[010] Раскрытие сущности изобретения[010] Disclosure of the Invention

[011] Технический результат изобретения заключается в повышении износостойкости сплава, выражающейся в увеличении прочности на изгиб, твердости и снижении коэффициента трения.[011] The technical result of the invention is to increase the wear resistance of the alloy, which is expressed in an increase in bending strength, hardness and a decrease in the coefficient of friction.

[012] Указанная задача решается, а технический результат достигается в заявленном изобретении за счет того, что твердый сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: никель - 7,0-20, медь - 0,4-0,6, марганец 0,9-1,1, карбонитрид хрома остальное.[012] This problem is solved, and the technical result is achieved in the claimed invention due to the fact that the hard alloy contains components in the following ratio, wt. %: nickel - 7.0-20, copper - 0.4-0.6, manganese 0.9-1.1, chromium carbonitride the rest.

[013] Согласно частному варианту реализации изобретения размер карбонитридной фазы составляет 1-2 мкм.[013] According to a particular embodiment of the invention, the size of the carbonitride phase is 1-2 microns.

[014] Карбонитрид хрома обеспечивает высокий уровень микротвердости сплава и стойкости против износа. Карбонитрид хрома обеспечивает также низкое значение коэффициента трения в паре карбонитрид хрома по карбонитриду хрома и, соответственно, минимальный нагрев пар трения-скольжения в процессе эксплуатации[014] Chromium carbonitride provides a high level of alloy microhardness and wear resistance. Chromium carbonitride also provides a low coefficient of friction in a pair of chromium carbonitride over chromium carbonitride and, accordingly, minimal heating of friction-sliding pairs during operation.

[015] Никель, медь и марганец являются матрицей для твердой фазы карбонитрида хрома. Медь обеспечивает смачиваемость металлов матрицы и карбонитрида хрома. Соотношение компонентов обеспечивает формирование оптимальной структуры сплава, обеспечивающей достаточно высокую прочность и наработку на отказ.[015] Nickel, copper and manganese are the matrix for the solid phase of chromium carbonitride. Copper provides wettability of the matrix metals and chromium carbonitride. The ratio of the components ensures the formation of the optimal structure of the alloy, which provides a sufficiently high strength and MTBF.

[016] В целом приведенный состав сплава обеспечивает низкое значение коэффициента трения в паре и длительную работу в условиях применения водорода в качестве топлива.[016] In general, the given composition of the alloy provides a low value of the coefficient of friction in pairs and long-term operation in the conditions of using hydrogen as a fuel.

[017] Осуществление изобретения[017] the Implementation of the invention

[018] Заявленный износостойкий сплав содержит компоненты в следующем соотношении, мас. %: никель - 7,0-20, медь - 0,4-0,6, марганец 0,9-1,1, карбонитрид хрома остальное. В качестве карбонитрида хрома используется соединение формулы Cr₃CN. Соотношение марганца к меди (Mn/Cu) не должно превышать 3.[018] The claimed wear-resistant alloy contains components in the following ratio, wt. %: nickel - 7.0-20, copper - 0.4-0.6, manganese 0.9-1.1, chromium carbonitride the rest. Chromium carbonitride is a compound of the formula Cr ₃ CN. The ratio of manganese to copper (Mn/Cu) should not exceed 3.

[019] Сплав обладает мелкозернистой структурой (размеры карбонитридной фазы от 0,5 до 1,5 мкм) с равномерно распределенной металлической фазой и характеризуется низкой пористостью (0,1-0,2 об. %) и высокими значениями твердости и прочности при изгибе.[019] The alloy has a fine-grained structure (carbonitride phase sizes from 0.5 to 1.5 μm) with a uniformly distributed metal phase and is characterized by low porosity (0.1-0.2 vol.%) and high values of hardness and bending strength .

[020] Сплав может быть получен следующим способом.[020] The alloy can be obtained in the following way.

Компоненты в виде порошков в заданном соотношении помещаются в атритер для интенсивного размола и получения однородной массы. Среда размола этанол. Затем смесь сушат в специальном шкафу с удалением продуктов испарения, гранулируют до размера гранул 100-250 мкм, проводят контроль влажности, прессование заготовок и спекание отпрессованных заготовок в вакуумной термодинамической установке при максимальной температуре 1450°С и выдержкой в течении 1 часа.Components in the form of powders in a given ratio are placed in an attriter for intensive grinding and obtaining a homogeneous mass. The grinding medium is ethanol. Then the mixture is dried in a special cabinet with the removal of evaporation products, granulated to a granule size of 100-250 μm, moisture control is carried out, blanks are pressed and pressed blanks are sintered in a vacuum thermodynamic installation at a maximum temperature of 1450 ° C and holding for 1 hour.

[021] В таблице 1 приведены примеры состава сплава по заявленному изобретению и ближайшему аналогу (прототипу)[021] Table 1 shows examples of the composition of the alloy according to the claimed invention and the closest analogue (prototype)

[022][022]

[023] В таблице 2 показаны результаты испытаний заявленного сплава и прототипа. Результаты механических испытаний усреднены по пяти образцам. Механические свойства исследованных сплавов, включая предел прочности при изгибе и твердости по шкале Роквелла (Ra) определялись в соответствии с требованиями ГОСТ 29919-74 и ГОСТ 20017-74. Определение износостойкости образцов проводилось на лабораторной установке. Оценка износостойкости исследуемых сплавов проводилась в относительных единицах по отношению к прототипу.[023] Table 2 shows the test results of the claimed alloy and prototype. The results of mechanical tests are averaged over five samples. The mechanical properties of the studied alloys, including ultimate flexural strength and hardness on the Rockwell scale (Ra), were determined in accordance with the requirements of GOST 29919-74 and GOST 20017-74. Determination of the wear resistance of the samples was carried out on a laboratory setup. Evaluation of the wear resistance of the investigated alloys was carried out in relative units in relation to the prototype.

[024][024]

Claims (3)

1. Твердый сплав на основе карбонитрида хрома для высоконагруженных узлов трения, содержащий никель, отличающийся тем, что он дополнительно содержит медь и марганец при следующем соотношении компонентов, мас. %:1. Hard alloy based on chromium carbonitride for highly loaded friction units containing nickel, characterized in that it additionally contains copper and manganese in the following ratio, wt. %: никель nickel 7,0-20 7.0-20 медьcopper 0,4-0,6 0.4-0.6 марганецmanganese 0,9-1,1 0.9-1.1 карбонитрид хромаchromium carbonitride остальное rest 2. Сплав по п. 1, отличающийся тем, что размер карбонитридной фазы составляет 1-2 мкм.2. An alloy according to claim 1, characterized in that the size of the carbonitride phase is 1-2 microns.