Спечені порошкові матеріали, Металургійний портал

Розроблені та застосовуються на практиці велика кількість спечених порошкових матеріалів. Найбільше застосування отримали конструкційні спечені матеріали, фрикційні, антифрикційні, пористі, електрохімічні та жароміцні порошкові матеріали.

Спечені антифрикційні матеріали застосовують при виготовленні підшипників ковзання, що працюють в умовах тертя. Працездатність таких підшипників знаходиться у прямій залежності від швидкості ковзання, навантаження та режимів експлуатації. Вони повинні володіти високими антифрикційними властивостями, що характеризуються самозмащуванням, гарною прироблюваністю, зносостійкістю і міцністю. Довгий час матеріалами підшипників ковзання були литі матеріали на основі міді (наприклад, олов'янисті бронзи). Однак вони дорогі і не завжди відповідають експлуатаційним характеристикам сучасних машин та механізмів.

В даний час існує велика кількість спечених антифрикційних матеріалів, які знайшли широке застосування у виробах загального машинобудування, що працюють у звичайних умовах, та у виробах спеціального призначення, що експлуатуються у складних умовах. Велике поширення набули підшипники ковзання на основі заліза та міді, що виготовляються за традиційною технологією та на стандартному обладнанні процесів порошкової металургії. Досить широко застосовують також антифрикційні матеріали на основі вуглецю.

Антифрикційними спеченими матеріалами на основі заліза

Найбільш поширеними спеченими антифрикційними матеріалами на основі заліза є:

пористе залізо;
залізографітові матеріали.

Пористе залізо

Пористе залізо є найпростішимтипом антифрикційного матеріалу, властивості якого наведені в таблиці 1. Технологія отримання пористого заліза полягає в пресуванні порошкового заліза, спіканні, просочення олією та калібрування.

Таблиця 1 - Властивості пористого заліза

Якість просочення оцінюють за масовою та об'ємною масловбиральністю та коефіцієнтом заповнення пор маслом, які визначаються за формулами:

Mмас. - масова олійна поглинання;
Mоб. - об'ємна олійно поглинання;
К - коефіцієнт заповнення пор маслом;
m1 та m2 – маса виробу до та після просочення олією; 2m
aм – щільність олії;
mм – маса олії у виробі;
V – обсяг виробу;
П – пористість виробу (зазвичай 10 – 30%).

Наявність пір створює постійний резервуар олії, що забезпечує низький коефіцієнт тертя. Здатність пористих підшипників самозмащуватися дозволяє у ряді випадків відмовитися від підведення олії ззовні, що дуже важливо для важкодоступних вузлів машин, а також у тих випадках, коли попадання мастила від маслянок і трубопроводів на продукцію виробництва неприпустимо (харчова, фармацевтична продукція).

Залізографітові матеріали

Залізографітові матеріали знайшли широке застосування у машинобудівній та металургійній промисловості, електричній та сільськогосподарській галузях для виготовлення деталей, що працюють у вузлах тертя.

Основними компонентами залізографітових матеріалів є залізний порошок, графіт та у невеликих кількостях мідь, сірка та фосфор. У залізографітових матеріалах міститься від 1 до 4% графіту. Графіт у цих матеріалах виконує подвійну роль. Графіт, що розчинився в процесі отримання деталей, збільшує міцність металевої основи, а нерозчиненої - граєроль твердого мастила.

Технологія виготовлення залізографітових матеріалів включає традиційні для порошкової металургії операції. Це приготування шихти механічним змішуванням вихідних компонентів, пресування, спікання та додаткова обробка (просочування олією, калібрування та ін.). Тиск пресування вибирається залежно від заданої залишкової пористості, якості порошку, величини навішування. Спікання виробів проводиться у захисній атмосфері або вакуумі в інтервалі температур 1000 – 1150 °С. Як захисну атмосферу застосовують водень, дисоційований аміак, конвертований природний газ.

Залізографітові матеріали мають перлітно-феритну структуру. Співвідношення структурних складових (фериту та перліту) впливає на експлуатаційні властивості залізографітових матеріалів. Кількість феритної складової залежить від вихідного змісту графіту, умов спікання і має перевищувати 50%. Найбільшу зносостійкість має перлітна структура.

У таблиці 2 наведено деякі властивості спечених залізографітових матеріалів.

Таблиця 2 – Властивості антифрикційних спечених залізографітових матеріалів

В антифрикційних матеріалах самозмащування відбувається за рахунок олії, що виступає в процесі тертя з порових каналів. Поява олії на поверхню тертя пояснюється різним об'ємним тепловим розширенням олії та металевої основи матеріалу. Ефект самозмащування обумовлює утворення на поверхні тертя граничних шарів олії, суцільність яких залежить від температури процесу. Підвищення температури поверхні тертя підшипників, просочених маслом до 60 - 70 ° С, призводить до нестійкого режиму тертя, до розриву масляних граничних шарів та інтенсивного зношування.

Длязалізографітовихпідшипників існують максимально допустимі навантаження, при перевищенні яких вони втрачають працездатність. Стабільні властивості має матеріал, що містить 0,8 – 1,0% графіту. Гранична швидкість ковзання залізографітових матеріалів становить 2 – 3 м/с. При перевищенні цієї швидкості коефіцієнт тертя стає нестабільним і залізографітові матеріали втрачають працездатність.

Спечені залізографітові матеріали за триботехнічними властивостями наближаються до сірих чавунів, а за зносостійкістю та міцністю перевершують бронзи.

Порівняльні властивості антифрикційних матеріалів наведено у таблиці 3.

Таблиця 3 – Механічні та експлуатаційні властивості антифрикційних матеріалів

Тривалість роботи підшипників із залізографітових матеріалів зазвичай становить 3 – 5 тисяч годин та залежить від умов їх роботи. Вони застосовуються у вузлах тертя сільськогосподарських машин, для виготовлення втулок транспортерів, кіноапаратів, деталей автомобілів, металорізальних верстатів та інших цілей.

Підвищення властивостей залізографітового матеріалу досягається легуванням та введенням різних добавок. Для покращення тих чи інших властивостей вводиться мідь, фосфор, цинк, олово, молібден, свинець. Властивості легованого залізографіту наведено у таблиці 4.

Введення міді у залізографітові матеріали покращує властивості за рахунок отримання більш однорідної структури, збільшення твердості, зменшення усадки.

Легування цинком, фосфором забезпечує хорошу спеканість, дрібнодисперсність перліту, більш високу зносостійкість.

Добавка молібдену підвищує в'язкість і втомну міцність, знижує знос і коефіцієнт тертя. Так, матеріал, що містить 3% графіту та 15% молібдену працездатний у межах навантажень від 0,1 до 20,0 МПа пришвидкості ковзання 0,1 - 95 м/с в умовах тертя в режимі самозмащування, при обмеженому мастилі і без мастила.

Введення свинцю або сплавів на основі кольорових металів дає підвищення міцності та антифрикційних властивостей. Введення здійснюють присадками зазначених добавок у вихідну шихту або просочення пористого каркаса розплавленим металом. Так, матеріал, що складається з 60 – 90% заліза та сплаву, що містить 85% міді, 5% олова, 5% свинцю та 5% цинку, використовується для підшипників, що працюють при тисках понад 1,0 МПа.

Таблиця 4 - Властивості легованого залізографіту

Залізомедні матеріали, що містять свинець, мають підвищену пластичність, тому їх застосовують при ударних навантаженнях.

В даний час все більше застосування знаходять матеріали з твердими мастилами, що працюють у вузлах тертя з високими швидкостями ковзання, коли навіть при невеликих навантаженнях можуть розвиватися значні температури, які сприяють видаленню мастила з області тертя.

Для забезпечення гарної працездатності вузлів тертя у цих випадках створюється на їх поверхні захисна розділова плівка, що виключає контакт металевих поверхонь та подальше схоплювання. Захисні шари на поверхні металу можуть створюватися шляхом відповідної обробки при виготовленні деталей. Для поліпшення триботехнічних властивостей таких матеріалів використовують різні речовини, які наносять на поверхні, що труться, як тверде змащення методом натирання або розпилення з суспензій з летючими розчинниками. Речовами, що наносяться на поверхні, що труться можуть бути сульфіди, селеніди, хлориди, фториди, йодиди, нітриди і оксиди металів. Такі шари твердих мастил утримуються на поверхні силами адгезії частинок твердого мастила з металами.Довговічність таких плівок невелика. Більш високу міцність та більше зчеплення з поверхнею металу мають плівки твердих мастил із сполучними. Як сполучні використовуються фенольні та епоксидні смоли, фторопласт та інші матеріали.

Ефективним методом утворення стабільної розділової плівки на поверхнях, що труться, є введення твердого мастила безпосередньо в матеріал. Цей метод більш технологічний, виключає додаткові операції з просочення або натирання матеріалу твердим мастилом.

Наприклад, матеріали, отримані змішуванням залізного порошку, легованого хромом, та дисульфіду молібдену (Mo2S), мають властивості:

твердість HV – 600 – 1000 МПа;
тимчасовий опір при стисканні – 1200 МПа;
тимчасове опір при розтягуванні - 170 МПа;
ударна в'язкість - 70 кДж/м 2;
знос - 0,005 мкм/км;
граничний тиск до схоплювання – 12 – 15 МПа.

При виборі твердого мастила необхідно враховувати його термостабільність, яка впливає на хімічну активність твердих мастил, оскільки під дією високої температури та навколишнього середовища мастила можуть розкладатися, утворюючи тверді та газоподібні продукти. Ці продукти можуть вступати в хімічну реакцію з металевою поверхнею тіл тертя і утворювати сполуки, що мають корозійну агресивність або абразивну дію.

На практиці як тверді мастила найбільш широке застосування отримали сірчисті сполуки молібдену, цинку, фторид кальцію.

Антифрикційними спеченими матеріалами на основі міді

Найбільш поширеними антифрикційними спеченими матеріалами на основі міді є:

олов'янисті бронзи;
Бронзографіти.

Спеченіолов'янисті бронзи

Спечені олов'янисті бронзи є першими порошковими антифрикційними матеріалами на основі міді, які почали застосовувати у виробництві. Вони використовуються для виготовлення підшипників, що працюють у легких умовах, що характеризуються малими швидкостями ковзання (менше 1,5 м/с) та великими навантаженнями (0,5–1,0 МПа). Оптимальними антифрикційними та механічними властивостями, що забезпечуються при вмісті 9-10% олова, є:

пористість – 15 – 35%;
тимчасове опір на розрив - 76 - 140 МПа;
відносне подовження – 5%;
показник V·P– 1,5 – 2,5 МПа⋅м/с.

Для роботи в умовах підвищених тисків та високих швидкостей ковзання використовують спечені високопористі бронзи, просочені фторопластом. А для підвищення несучої здатності та зниження швидкості зношування застосовують підшипники просочені фторопластом із наповнювачем – свинцем. Так, підшипники, виготовлені із сталевої стрічки, на яку нанесений шар пористої бронзи, просоченої сумішшю фторопласту та свинцю, мають основні характеристики:

межа міцності – 310 МПа;
коефіцієнт тертя при швидкостях 0,2 м/с – 0,05 – 0,1;
коефіцієнт тертя при швидкостях 0,2 – 5 м/с – 0,1 – 0,16;
граничне навантаження - 30 МПа.