Спеченные порошковые материалы


( Голосов: 1 ) 

Разработаны и применяются на практике большое количество спеченных порошковых материалов. Наибольшее применение получили конструкционные спеченные материалы, фрикционные, антифрикционные, пористые, электрохимические и жаропрочные порошковые материалы.

Спеченные антифрикционные материалы применяются при изготовлении подшипников скольжения, работающих в условиях трения. Работоспособность таких подшипников находится в прямой зависимости от скорости скольжения, нагрузки и режимов эксплуатации. Они должны обладать высокими антифрикционными свойствами, характеризующимися самосмазываемостью, хорошей прирабатываемостью, износостойкостью и прочностью. Долгое время материалами подшипников скольжения являлись литые материалы на основе меди (например, оловянистые бронзы). Однако они дороги и не всегда соответствуют эксплуатационным характеристикам современных машин и механизмов.

В настоящее время существует большое количество спеченных антифрикционных материалов, которые нашли широкое применение в изделиях общего машиностроения, работающих в обычных условиях, и в изделиях специального назначения, эксплуатируемых в сложных условиях. Большое распространение получили подшипники скольжения на основе железа и меди, изготавливаемые по традиционной технологии и на стандартном оборудовании процессов порошковой металлургии. Довольно широко применяются также антифрикционные материалы на основе углерода.

Антифрикционными спеченными материалами на основе железа

Наиболее распространенными антифрикционными спеченными материалами на основе железа являются:

  • пористое железо;
  • железографитовые материалы.

Пористое железо

Пористое железо является самым простым типом антифрикционного материала, свойства которого приведены в таблице 1. Технология получения пористого железа состоит в прессовании порошкового железа, спекании, пропитки маслом и калибровании.

Таблица 1 – Свойства пористого железа

Материал Плотность,
г/см3
Временное сопротивление, МПа Относительное удлинение, %  Твердость НВ, МПа Ударная вязкость,
кДж/м2
Пористое железо  5,1 – 6,6  100 – 220  5 – 13 350 – 800 30 – 100

Пропитка машинным маслом изделий является важным технологическим процессом, повышающим триботехнические свойства пористых антифрикционных материалов. Пропитку проводят погружением и некоторой выдержкой пористого изделия в нагретую до 80 – 120 °С масляную ванну с последующим охлаждением в холодном масле. Хорошие результаты дает пропитка в вакууме, при которой происходит наиболее полное заполнение пор маслом. При пропитке в вакууме содержание масла в изделиях увеличивается по сравнению с обычной пропиткой на 25 – 27%, а продолжительность операции сокращается в 8 – 10 раз. Улучшение пропитки маслом даёт применение ультразвуковой обработки, которая обеспечивает скорость пропитки в несколько раз большую, чем во всех применяемых в настоящее время способах.

Качество пропитки оценивают по массовой и объёмной масловпитывамостью и коэффициентом заполнения пор маслом, которые определяются по формулам:

Mмас. = (m2 - m1)⁄m1·100%;

Mоб. = Ммас.⁄aм;

Коб. = mм·104⁄(aм·V·П), где

  • Mмас. – массовая масловпитываемость;
  • Mоб. – объёмная масловпитываемость;
  • К – коэффициент заполнения пор маслом;
  • m1 и m2 – масса изделия до и после пропитки маслом; 2m
  • aм – плотность масла;
  • mм – масса масла в изделии;
  • V – объём изделия;
  • П – пористость изделия (обычно 10 – 30%).

Наличие пор создаёт постоянный резервуар масла, которое обеспечивает низкий коэффициент трения. Способность пористых подшипников самосмазываться позволяет в ряде случаев отказаться от подвода масла извне, что очень важно для труднодоступных узлов машин, а также в тех случаях, когда попадание смазки от масленок и трубопроводов на продукцию производства недопустимо (пищевая, фармацевтическая продукция).

Железографитовые материалы

Железографитовые материалы нашли широкое применение в машиностроительной и металлургической промышленности, электрической и сельскохозяйственной отраслях для изготовления деталей, работающих в узлах трения.

Основными компонентами железографитовых материалов являются железный порошок, графит и в небольших количествах медь, сера и фосфор. В железографитовых материалах находится от 1 до 4% графита. Графит в этих материалах выполняет двойную роль. Растворившийся в процессе получения деталей графит увеличивает прочность металлической основы, а нерастворившейся – играет роль твердой смазки.

Технология изготовления железографитовых материалов включает традиционные для порошковой металлургии операции. Это приготовление шихты механическим смешиванием исходных компонентов, прессование, спекание и дополнительная обработка (пропитка маслом, калибрование и др.). Давление прессования выбирается в зависимости от заданной остаточной пористости, качества порошка, величины навески. Спекание изделий проводится в защитной атмосфере или в вакууме в интервале температур 1000 – 1150 °С. В качестве защитной атмосферы применяют водород, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ.

Железографитовые материалы имеют перлитно-ферритную структуру. Соотношение структурных составляющих (феррита и перлита) влияет на эксплуатационные свойства железографитовых материалов. Количество ферритной составляющей зависит от исходного содержания графита, условий спекания и не должно превышать 50%. Наибольшей износостойкостью обладает перлитная структура.

В таблице 2 приведены некоторые свойства спеченных железографитовых материалов.

Таблица 2 – Свойства антифрикционных спеченных железографитовых материалов

Содержание графита,
%
Пористость,
%
 Твердость НВ,
МПа
Временное сопротивление
на разрыв, МПа
Временное сопротивление
на сжатие, МПа
Ударная вязкость,
кДж/м2
 0,5 – 0,8  6 – 26  650 – 800  98 – 470  –  200 – 500
 0,8 – 1,5  1,4 – 27  600 – 1850  180 – 600  500 – 800  100 – 300
 1,5 – 2,3  15 – 35  550 – 1300  80 – 355  400 – 800  50 – 150
 2,3 – 3,0  17 – 35  300 – 1450  70 – 280  500 – 700  20 – 100
 5,0  16 – 19  800 – 980  230 – 260  500 – 700  70 – 90
 7,0  18 – 25  250 – 750  150 – 190  500 – 600  15 – 60

В антифрикционных материалах самосмазываемость происходит за счет масла, выступающего в процессе трения из поровых каналов. Появление масла на поверхность трения объясняется различным объёмным тепловым расширением масла и металлической основы материала. Эффект самосмазывания обуславливает образование на поверхности трения граничных слоёв масла, сплошность которых зависит от температуры процесса. Повышение температуры поверхности трения подшипников, пропитанных маслом до 60 – 70 °С, приводит к неустойчивому режиму трения, к разрыву масляных граничных слоёв и интенсивному износу.

Для железографитовых подшипников существуют максимально допустимые нагрузки, при превышении которых они теряют работоспособность. Стабильными свойствами обладает материал, содержащий 0,8 – 1,0% графита. Предельная скорость скольжения для железографитовых материалов составляет 2 – 3 м/с. При превышении этой скорости коэффициент трения становится нестабильным, и железографитовые материалы теряют работоспособность.

Спеченные железографитовые материалы по триботехническим свойствам приближаются к серым чугунам, а по износостойкости и прочности превосходят бронзы.

Сравнительные свойства антифрикционных материалов приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Механические и эксплутационные свойства антифрикционных материалов

 Материал Пористость,%  Плотность,
г/см3
 Твердость, МПа Предел прочности, МПа Показатель P·V, МПа·м/c
 Пористое железо  20  6,20  530  140  1,7
 Железографит с 3% графита  23  6,00  530  180  10
 Бронза ОЦС6-6-3  –  8,82  680  150  5
 Баббит Б - 83  –  7,40  300  90  –


Длительность работы подшипников из железографитовых материалов обычно составляет 3 – 5 тысяч часов и зависит от условий их работы. Они применяются в узлах трения сельскохозяйственных машин, для изготовления втулок транспортеров, киноаппаратов, деталей автомобилей, металлорежущих станков и других целей.

Повышение свойств железографитового материала достигается легированием и введением различных добавок. Для улучшения тех или иных свойств вводится медь, фосфор, цинк, олово, молибден, свинец. Свойства легированного железографита приведены в таблице 4.

Введение меди в железографитовые материалы улучшает свойства за счет получения более однородной структуры, увеличения твердости, уменьшения усадки.

Легирование цинком, фосфором обеспечивает хорошую спекаемость, мелкодисперсность перлита, более высокую износостойкость.

Добавка молибдена увеличивает вязкость и усталостную прочность, понижает износ и коэффициент трения. Так, материал, содержащий 3% графита и 15% молибдена работоспособен в пределах нагрузок от 0,1 до 20,0 МПа при скорости скольжения 0,1 – 95 м/с в условиях трения в режиме самосмазывания, при ограниченной смазке и без смазки.

Введение свинца или сплавов на основе цветных металлов даёт повышение прочностных и антифрикционных свойств. Введение осуществляют присадками указанных добавок в исходную шихту или пропиткой пористого каркаса расплавленным металлом. Так, материал, состоящий из 60 – 90% железа и сплава, содержащего 85% меди, 5% олова, 5% свинца и 5% цинка, используется для подшипников, работающих при давлениях более 1,0 МПа.

Таблица 4 – Свойства легированного железографита

Легирующий элемент Количество,
%
 Пористость,
%
 Твердость,
МПа
Предел прочности,
МПа
Коэффициент трения Микротведость,
МПа
 Без добавки  –  16,6  1027  205  0,52  1600
 Марганец  0,4  15,8  1287  479  0,63  1460
 Хром  0,8  16,9  1050  376  0,52  2200
 Медь  5,0  13,7  1358  450  0,45  3660
 Цинк  1,0  14,6  1144  424  0,57  5850
 Олово  0,4  19,2  1547  456  0,52  1950
 Фосфор  0,4  19,5  1301  373  0,45  3700
 Свинец  0,8  15,7  1290  411  0,52  1800


Железомедные материалы, содержащие свинец, имеют повышенную пластичность, поэтому их применяют при ударных нагрузках.

В настоящее время все большее применение находят материалы с твердыми смазками, работающие в узлах трения с высокими скоростями скольжения, когда даже при небольших нагрузках могут развиваться значительные температуры, которые способствуют удалению смазки из области трения.

Для обеспечения хорошей работоспособности узлов трения в этих случаях создаётся на их поверхности защитная разделительная пленка, исключающая контакт металлических поверхностей и последующее схватывание. Защитные слои на поверхности металла могут создаваться путём соответствующей обработки при изготовлении деталей.
Для улучшения триботехнических свойств таких материалов используют различные вещества, которые наносят на трущиеся поверхности в качестве твердой смазки методом натирания или распыления из суспензий с летучими растворителями. Веществами, наносимыми на трущиеся поверхности могут быть сульфиды, селениды, хлориды, фториды, йодиды, нитриды и оксиды металлов. Такие слои твердых смазок удерживаются на поверхности силами адгезии частиц твердой смазки с металлами. Долговечность таких пленок невелика. Более высокую прочность и большее сцепление с поверхностью металла имеют пленки твердых смазок со связующими. В качестве связующих используются фенольные и эпоксидные смолы, фторопласт и другие материалы.

Эффективным методом образования стабильной разделительной пленки на трущихся поверхностях является введение твердой смазки непосредственно в материал. Этот метод более технологичен, исключает дополнительные операции по пропитке или натиранию материала твердой смазкой.

Например, материалы, полученные смешиванием железного порошка, легированного хромом, и дисульфида молибдена (Mo2S), имеют свойства:

  • твердость HV – 600 – 1000 МПа;
  • временное сопротивление при сжатии – 1200 МПа;
  • временное сопротивление при растяжении – 170 МПа;
  • ударная вязкость – 70 кДж/м2;
  • износ – 0,005 мкм/км;
  • предельное давление до схватывания – 12 – 15 МПа.

При выборе твердой смазки необходимо учитывать её термостабильность, которая влияет на химическую активность твердых смазок, так как под действием высокой температуры и окружающей среды смазки могут разлагаться, образуя твердые и газообразные продукты. Эти продукты могут вступать в химическую
реакцию с металлической поверхностью тел трения и образовывать соединения, обладающие коррозионной агрессивностью или абразивным действием.

На практике в качестве твердых смазок наиболее широкое применение получили сернистые соединения молибдена, цинка, фторид кальция.

Антифрикционными спеченными материалами на основе меди

Наиболее распространенными антифрикционными спеченными материалами на основе меди являются:

  • оловянистые бронзы;
  • бронзографиты.

Спеченные оловянистые бронзы

Спеченные оловянистые бронзы являются первыми порошковыми антифрикционными материалами на основе меди, которые начали применяться в производстве. Они используются для изготовления подшипников, работающих в легких условиях, характеризующихся малыми скоростями скольжения (менее 1,5 м/с) и большими нагрузками (0,5–1,0 МПа). Оптимальными антифрикционными и механическими свойствами, обеспечивающимися при содержании 9 –10% олова, являются:

  • пористость – 15 – 35%;
  • временное сопротивление на разрыв – 76 – 140 МПа;
  • относительное удлинение – 5%;
  • показатель V·P– 1,5 – 2,5 МПа⋅м/с.

Для работы в условиях повышенных давлений и высоких скоростей скольжения используют спеченные высокопористые бронзы, пропитанные фторопластом. А для повышения несущей способности и снижения скорости изнашивания применяют подшипники пропитанные фторопластом с наполнителем – свинцом. Так, подшипники, изготовленные из стальной ленты, на которую нанесен слой пористой бронзы, пропитанной смесью фторопласта и свинца, имеют основные характеристики:

  • предел прочности – 310 МПа;
  • коэффициент трения при скоростях 0,2 м/с – 0,05 – 0,1;
  • коэффициент трения при скоростях 0,2 – 5 м/с – 0,1 – 0,16;
  • предельная нагрузка – 30 МПа.

В качестве легирующих добавок спеченных бронз применяют титан, никель, железо и другие элементы. Для работы при повышенных температурах используют легированный композиционный материал, содержащий дисульфид молибдена. Основные свойства материалов с различным содержанием дисульфида молибдена приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Свойства спеченных бронз с различным содержанием дисульфида молибдена.

Содержание MoS2 в
бронзе, %
Предел прочности на разрыв, МПа Плотность, г/см3 Ударная вязкость, кДж/м2
 10  600–650  7,3  24
 20  500–550  6,4  8
 30  300–400  5,7  5
 40  250–300  5,3  3

Спеченные материалы содержащие дисульфид молибдена (MoS2), отличаются большой износостойкостью и высокими триботехническими свойствами в широком диапазоне температур (от 40 до 200 °С).

Бронзографиты

Бронзографиты получили широкое распространение в качестве самосмазывающихся подшипников скольжения из композиций бронза-графит, в которых содержание графита обычно составляет 2 – 4%. Бронзографиты используются для изготовления деталей электродвигателей, швейных и стиральных машин, а также в автотракторном электрооборудовании. Основные механические и триботехнические свойства спеченных оловянистых бронз и бронзографитов приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Механические и триботехнические свойства спеченных оловянистых бронз и бронзографитов

Марка
материала 
Пористость (ср.) %  Предел прочности на разрыв, МПа    Твердость (ср.) НВ, МПа Коэффициент трения с жидкостной смазкой Максимальные допустимые
нагрузка, МПа скорость, м/с
 Бр 010  18  60  450  0,05  4  10
 БрОГр10-2  18  50  350  0,05  4  10
 БрОГр9-3  18  40  400  0,05  4  10
 БрОГр8-4  18  35  350  0,05  4  10
 БрОСГр1-29-0,5  18  45  450  0,02  –  –
 Бр010-ФГ  33  30  350  0,05  5  50
 БрОЦ6-6-ФТ  33  30  350  0,05  5  50

Из-за низкой пластичности и недостаточно высоких триботехнических характеристик бронзографиты мало применяют в узлах трения, работающих при ударных нагрузках и при отсутствии жидкостных смазок.
Перспективными триботехничкскими материалами для подшипников скольжения являются износостойкие спеченные хромооловянистые и хромоникелевооловянистые бронзы с твердыми смазками.

Основные механические и триботехнические свойства хромооловянистых бронз приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Механические и триботехнические свойства спеченных хромооловянистых бронз.

Коэффициент трения

Марка спечённой бронзы  Твердость НВ, МПа  Предел прочности на разрыв, МПа  Относительное удлинение, %  Коэффициент трения Износ без смазки, мкм/км
 
 Без жидкостной смазки Со смазкой в масле
 БрОХ5-10  1150  330  9,5  0,6  0,09  0,05
 БрОМс5-10-2  1150  335  2,5  0,2  0,05  0,009
 БрОХМс5-10-4  1150  320  1,5  0,16  0,04  0,007
 БрОХМсГр5-10-1-1  1150  320  2,5  0,2  0,05  0,01
 БрОХМсГр5-10-2-2  1150  310  1,5  0,15  0,05  0,008

Эти подшипники могут работать в узлах трения при повышенных температурах. (~100 °С) и значительных скоростях скольжения (до 30 м/с) в условиях агрессивных сред и высоких давлений. Хромооловянистые и хромоникелеоловянистые бронзы целесообразно применять для изготовления деталей, работающих в узлах трения без жидкостной смазки при средних и тяжелых условиях эксплуатации, а также в изделиях общего машиностроения, работающих в обычных условиях, с целью повышения их ресурса работы.

Антифрикционные материалы на основе углерода

Антифрикционные материалы на основе углерода подразделяют:

  • углеродные,
  • углеродные на эпоксиднокремнийорганическом связующем,
  • графитофторопластовые и силицированные графиты.

Углеродные

Углеродные антифрикционные материалы могут быть обожженные и графитизированные. Основным исходным сырьём для их производства являются нефтяной кокс и каменноугольный пек. Технология заключается в связывании отдельных частиц кокса пеком в монолитное твердое тело, для чего порошки кокса смешивают с пеком и прессуют. Спрессованные заготовки подвергают обжигу в газовых печах при температуре до 1100 °С в засыпке из углеродистых материалов. В зависимости от габаритов и качества деталей продолжительность обжига может составлять от нескольких суток до нескольких десятков суток. В процессе обжига происходит карбонизация пека, в результате чего образующийся углерод откладывается на контактных участках, связывая частицы пека.

Последующий нагрев обожженных заготовок путем пропускания электрического тока через заготовки до температуры 3000 °С в течение сотен часов приводит к превращению углерода в графит или процессу графитизации.

Обожженные антифрикционные материалы не подвергают графитизации.

Для уменьшения пористости и улучшения некоторых свойств в технологический процесс вводят операцию пропитки смолой, пеком или металлами.

При работе в одинаковых условиях различные обожженные материалы показывают различные результаты. Так, обожженные материалы (марка АО-1500 и АО-600) в режиме сухого трения по стали со скоростью скольжения 0,24 м/с и нагрузке 0,5 – 1,5 МПа за 100 ч. работы имеют величину износа 10 – 100 мкм, а обожженные материалы с металлической пропиткой (марка АО-1500-СО5) в этих же условиях имеют износ равный 10 – 30 мкм.

Графитизированные антифрикционные материалы имеют маркировку АГ-1500, АГ-1500-3, АГ-600 и АПГ. Эти материалы также пропитывают металлами и сплавами, что повышает их прочность и теплопроводность.
При аналогичных условиях работы, указанных для обожженных материалов, износ графитизированных материалов (марка АГ-1500 и АГ-600) составляет 10 – 50 мкм, а пропитанных металлами (марка АГ-1500-СО5 и АГ-600-СО5) – 10 – 40 мкм.

Изделия из обожженных и графитизированных материалов могут работать в различных средах (окислительных, восстановительных, нейтральных). Область применения обожженных материалов ограниченна из-за пониженной
теплопроводности, более низких предельных значений температур при работе в окислительных средах и повышенной хрупкости.

В последнее время разработаны антифрикционные материалы, сочетающие в себе свойства обожженных и графитизированных материалов. После дополнительной пропитки специальным спиртом или соединениями фосфора они могут работать в окислительной атмосфере до 600 °С.

Углеродные материалы на эпоксиднокремнийорганическом

Углеродные материалы на эпоксиднокремнийорганическом связующим представляют собой пластмассовые композиции на основе порошковых углеродных наполнителей и сухих смазок, связанных кремнийорганическими смолами повышенной теплостойкости. Характерными представителями материалов этого класса является АМС-1 (обожженный) и АМС-3 (графитизированный), некоторые свойства которых представлены в таблице 8.

Таблица 8 – Свойства материалов АМС-1 и АМС-3

Свойство Материал
АМС-1 АМС-3
 Твердость НВ, МПа  400  350
 Плотность, г/см3  1,74 – 1,80  1,78 – 1,80
 Предел прочности на сжатие, МПа, при температуре, °С
 20
 200

 

 160 – 200
 30 – 40

 

 80 – 110
 23 – 32

 Водопоглощение, %  0,1 – 0,2  0,01


Материал АМС-1 применяют для уплотнений в узлах сухого трения при нормальной влажности газовой среды и в узлах жидкостного трения в сжиженных газах. Материал АМС-3 применяют для уплотнений при работе в воде.

Графитофторопластовые материалы

Графитофторопластовые материалы представляют собой композиции, получаемые на основе политетрафторэтилена (фторопласта-4), углеродных наполнителей и слоистых добавок, состоящих из естественного графита, нитрида бора и других. Наиболее распространенными материалами этого класса являются МВ-2А, АФГМ, АФГ-80ВС, некоторые свойства которых приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Свойства графитофторопластовых материалов

Наименование Материал
МВ-2А АФГМ АФГ-80ВС
 Плотность, г/см3  1,9 – 2,0  2,1 – 2,3  2,05 – 2,15
 Твердость НВ, МПа  85 – 140  67 – 143  60 – 95
 Предел прочности на сжатие, МПа  35 – 58  15 – 26  11 – 19
 Водопоглощение, %  0,0 – 0,1  0,0 – 0,2  0,0 – 0,05
 Допустимая рабочая температура, °С  250  180  200


Материал МВ-2А применяют для вкладышей радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в жидкостях.

Материал АФГМ и АФГ-80ВС применяют для колец компрессоров, сжимающих воздух, кислород, азот и углекислый газ. Материал АФГМ предназначен для сжатия сухих газов, а АФГ-80ВС – для сжатия влажных газов.

Силицированный графит

Силицированный графит, используемый в качестве антифрикционного материала, состоит из карбида кремния, графита, оксида кремния и свободного кремния. Известны две марки силицированного графита (СГ-Т и СГ-П), химический состав которых приведён в таблице 14, а основные характеристики – в таблице 10.

Таблица 10 – Химический состав силицированных графитов

Марка графита Состав, %
Карбид кремния Углерод Кремний + оксид кремния
 СГ-Т  55 – 70  33 – 5  12 – 25
 СГ-П  50 – 70  47 – 25  3 – 5

Эти материалы обладают высокой износостойкостью при работе в агрессивных средах. Они могут работать в соляной, серной, азотной и других кислотах, а также в других агрессивных жидкостях.

Силицированный графит может применяться только в паре трения с силицированным графитом или с графитами высокой прочности и твердости. Такие пары обеспечивают хорошую работоспособность уплотнения при давлении среды до 5 МПа, нагрузке до 2,5 МПа, скорости скольжения до 25 м/с и температуре до 250 °С.

Таблица 15 – Основные характеристики силицированных графитов

Свойства

Марка графита  Свойства
Плотность, г/см3 Предел прочности на сжатие, МПа Предел прочности на растяжение, МПа
 СГ-Т  2,5 – 2,7  300 – 320  40 – 50
 СГ-П  2,4 – 2,6  420 – 450  60 – 70

При работе в особых условиях (абразивный износ, агрессивная среда, значительная температура) для узлов трения применяют тугоплавкие металлы и соединения. Так материал на основе карбида вольфрама обладает свойствами:

  • твердость, HV – 9,5 – 18 ГПа;
  • плотность – 11,5 – 15 г/см3;
  • предел прочности на изгиб – 120 – 280 МПа.

Высокой твердостью, прочностью, устойчивостью к абразивному износу, термической стабильностью и инертностью к агрессивным средам обладают материалы на основе боридов титана, циркония, гафния, в которых содержится 70 – 88% боридов и 12 – 30% порошка этих металлов.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

MetalSpace

Опубликовано MetalSpace

Адрес электронной почты: info@metalspace.ru
Предлагаем сотрудничество
  • Опубликуй свои произведения в электронной форме.
  • Размести научную статью или пресс-релизы на страницах нашего портала.

Оставь комментарий