Содержание к диссертации
Введение
1. Композиционные материалы триботехнического назначения 9
1.1. Трение и изнашивание и факторы, влияющие на износостойкость материалов 9
1.2. Общие сведения о порошковых материалах на железо-графитовой основе 17
1.3. Состав, свойства, структура порошковых триботехнических композитов на основе железа 22
1.4. Параметры, влияющие на прочность композитов 27
1.5. Получение порошка стали ШХ15 из шлифовальных шламов 2 9
2. Постановка задачи, материалы и методики исследований 35
2.1. Постановка задачи 35
2.2. Материалы и методика исследований 38
3. Структура и механические свойства композитов на основе порошка подшипниковой стали 4 8
3.1. Влияние атмосферы восстановительного отжига порошка стали ШХ15 на механические свойства спеченного материала 48
3.2. Свойства композиций на основе порошка стали ШХ15 56
3.3. Влияние технологических параметров процесса получения композитов на их структуру и механические свойства 62
.3.4. Антифрикционный материала для втулки шарнирного соединения тормозной рычажной передачи 69
4. Некоторые способы повышения эксплуатационных свойств композиций на основе порошковой стали ШХ15 82
4.1. Влияние термообработки на структуру и механические свойства композитов 82
4.2. Материалы каркасного типа на основе порошка стали ШХ15, пропитанные бронзой 85
5. Материалы из порошковой стали шх15, содержащие карбид бора и карбид кремния 91
5.1. Материалы на основе порошка стали ШХ15, содержащие карбид бора 92
5.2. Структура, фазовый состав и механические свойства спеченного композита IIIX15-C-Cu-SiC 105
Заключение и выводы 122
Список литературы 12 6
Приложения 14 0
- Общие сведения о порошковых материалах на железо-графитовой основе
- Свойства композиций на основе порошка стали ШХ15
- Материалы каркасного типа на основе порошка стали ШХ15, пропитанные бронзой
- Структура, фазовый состав и механические свойства спеченного композита IIIX15-C-Cu-SiC
Введение к работе
В течение ряда лет в рамках программ РАН «Порошковая металлургия», СО РАН «Научные основы конструирования новых материалов и создания перспективных технологий» и Государственного научного центра «ИФПМ СО РАН» «Компьютерное конструирование и создание новых материалов для Сибирского региона» в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН выполнялся проект по разработке технологии получения порошка легированной стали из шлифовальных шламовых отходов и вторичного использования его в производстве товарной продукции. Шламовые отходы в настоящее время являются неутилизируемыми и подлежат захоронению на полигоне токсичных отходов из-за высокого содержания масел, нитратов и- ионов тяжелых металлов. Решение задачи утилизации позволяет вернуть в машиностроительное производство ценное сырье для порошковой металлургии и одновременно снимает остроту экологической проблемы.
Технологический процесс получения порошка легированных сталей из шлифовальных шламов был разработан в ИФПМ, однако долгое время данная технология была не востребована промышленностью. С одной стороны, это связано с некоторым несовершенством технологии, не гарантирующей определенный химический состав порошка стали, которая получается из разных партий шлифовальных отходов. С другой, порошок, извлеченный из шлифовальных шламов, имеет ряд особенностей, ограничивающих его применение в порошковой металлургии: присутствие неметаллических примесей, несферическая форма
металлических частиц, плохая сыпучесть и высокая твердость порошка. Более тщательная очистка и подготовка порошков требует чрезмерного усложнения технологического процесса, что зачастую экономически невыгодно . В связи с. этим возникает необходимость поиска наиболее приемлемых режимов прессования и спекания таких материалов. Кроме того, в настоящее время необходимо расширить круг возможных применений уже получаемых порошков (в частности на ОАО «РОЛТОМ», г. Томск), исходя из уровня свойств спеченных изделий. Данные порошки могут применяться для изготовления деталей конструкционного, антифрикционного и фрикционного назначений, которые в настоящее время спекаются
из порошков типа ПЖ и графита.
Наиболее перспективным в этом плане может быть
изготовление деталей простой формы в массовом производстве, например: втулки скольжения, различные оправки и державки, фрикционные накладки и т.д.
Учитывая сказанное, целью настоящей работы является исследование влияния технологических параметров процесса переработки шламовых отходов' стали ШХ15 и режимов спекания восстановленных порошков на структуру, механические и триботехнические свойства спеченных материалов. При этом основное внимание уделяется вопросам практического применения получаемых композитов для изготовления деталей конструкционного назначения, в первую очередь, для узлов трения.
Научная новизна и практическая значимость работы. Впервые проведены систематические исследования прочностных и триботехнических свойств спеченных материа-
лов на основе восстановленного порошка стали ШХ15 с добавками графита, меди, карбидов бора и кремния.
Исследована взаимосвязь между технологическими параметрами получения исходных порошков и механическими свойствами композитов. Рассмотрена возможность совместимости таких триботехнических структурных составляющих как карбиды бора и кремния со сталью ШХ15. Функциональные свойства (пористость, твердость, прочность, коэффициент трения и износ) даны с точки зрения структуры и фазового состава и представляют самостоятельный научный интерес.
На основании полученных результатов исследований разработаны технические условия на изготовление втулки шарнирного соединения тормозной рычажной передачи железнодорожных вагонов (ТУ 3184-001-01538612-95).
Достоверность экспериментальных результатов подтверждается данными других авторов и совпадением с результатами производственных испытаний.
На защиту выносятся; 1.Совокупность экспериментальных данных по влиянию давления прессования восстановленного порошка стали, атмосфер восстановительного отжига и спекания на структуру и механические свойства антифрикционных композиционных материалов. 2.Структурные и триботехнические критерии выбора оптимального состава и технологических параметров получения антифрикционного материала для втулки шар-
нирного' соединения рычажной передачи тормозной системы ж.д. вагона. 3.Экспериментально установленные закономерности формирования структуры и ее влияния на прочностные и триботехнические свойства фрикционных материалов из восстановленного порошка стали ШХ15 с добавками карбида бора и карбида кремния, полученных спеканием.
Апробация работы. Материалы работы докладывались на 4-ой Международной конференции CADAMT "Компьютерное конструирование перспективных материалов и технологий", Томск-1995 г.; 4-ой Международной югославской конференции "YUTRIB'95"; 2-ой Международной научно-технической конференции "Износостойкость машин", Брянск, 1996 г.; Международной конференции "Deformation and Fracture in Structural PM Materials", Kosice, 1996 г.; Всероссийской научно-технической конференции "Экспериментальные методы в физике структурно-неоднородных сред", Барнаул, 1997 г.; научно - практическом симпозиуме "Славянтрибо-4", Санкт -Петербург, 1997 г.; 8-ой Международной конференции "Tribotechnics in theory and practice", Praha, 1997; 4-м русско-китайском симпозиуме "Materials and Processes", Beijing, China, 1997; на 14-ой Уральской школе металловедов- термистов "Фундаментальные проблемы физического металловедения перспективных материалов", Ижевск- Екатеринбург, 1998; научно-
практической конференции "Транссиб-99", Новосибирск, 1999 г.
По теме диссертации опубликовано 13 работ в научных журналах и сборниках трудов российских и международных конференций.
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и выводов. Работа изложена на 143 страницах, включает 37 рисунков, 12 таблиц и список цитируемой литературы из 101 наименования.
Общие сведения о порошковых материалах на железо-графитовой основе
К композиционным относятся материалы, состоящие из нескольких компонентов, различных по химическому составу и разделенных выраженной границей. По свойствам эти материалы отличаются от составляющих их компонентов, они неоднородны в микромасштабе и однородны в макромасштабе .[30]. Спеченные композиционные материалы, предназначенные для работы в условиях трения, подразделяют на антифрикционные и фрикционные. Это материалы одного класса, которые характеризуются высоким сопротивлением износу, хорошей прирабатываемо-стью, и главное, сохранением всего комплекса свойств при высоких температурах, нагрузках и скоростях скольжения. Условно материалы, у которых значение коэффициента трения при работе без смазки в паре с чугуном или сталью превышает 0.20 - 0.25 и при работе со смазкой - 0.05, относятся к категории фрикционных.
Классифицировать материалы трения можно по назначению: материалы, используемые в подшипниках, втулках, когда желателен минимум затрат работы на трение, относят к антифрикционным; материалы, используемые в тормозных и передаточных устройствах, предохранительных втулках - к фрикционным [19].
Спеченные материалы на основе железа получают обычными методами порошковой металлургии. Технологическая схема получения изделий включает в себя: смешивание порошков металлов и неметаллов; формование заготовок; спекание. Для антифрикционных материалов возможна пропитка изделий маслом, суспензией твердой смазки или жидким металлическим расплавом. В заключение проводится механическая обработка и контроль готовых изделий [19,20] .
Принцип конструирования триботехнических композитов может быть основан на следующих возможных классификациях .
Составляющие компонентов условно делятся на три группы: компоненты, образующие основу материала и способствующие формированию определенных физико-механических свойств. Как правило, они имеют металлическую природу - это железо, медь, никель, алюминий и т.д.; компоненты, регулирующие величину адгезионных связей, уменьшающие схватывание и заедание - графит, сульфиды молибдена, меди, цинка, железа, нитрид бора, чистые металлы с низкой температурой плавления; компоненты, регулирующие величину механического взаимодействия . Для антифрикционных материалов -это те же антизадирные добавки. В случае фрикционных материалов это компоненты, имеющие неметаллическую природу окислы, карбиды, минералы и сложные окислы [19,20,31].
В работе [32] компоненты спеченных материалов подразделяются на металлическую связку, материалы-наполнители, материалы скольжения и фрикционные составляющие. Металлическая связка - медь, железо. Материалы-наполнители - минералы, например, барит, каолин. В материалах на железной основе железо является и материалом-наполнителем и металлической связкой. Материалы скольжения - графит, сульфиды. Фрикционные составляющие - корунд, кварц, муллит.
Еще одна классификация выделяет матрицу, регуляторы трения, смазки (металлические и неметаллические) и поры, т.к. объем, размеры, тип и распределение их существенно влияют на поведение материала [33].
В последние десятилетия преимущественно идет разработка порошковых материалов на железной и медной основах [14,31]. Материалы на железной основе применяют при повышенной и нормальной нагрузках. Материалы на медной основе - предназначены для работы в корро-зионно-активной среде. Наиболее широко распространены спеченные композиты на основе железа вследствие недефицитного сырья и хороших физико-механических свойств изделий за счет . возможности легирования и введения различных присадок [19,34,35]. Для основы спеченных композитов используются восстановленные и вихревые порошки железа [34] . Кроме того, есть попытки применения порошков легированных сталей, полученных из отходов металлообработки, что значительно снижает стоимость композитов [36] . В большинстве триботехнических материалов кроме железа присутствует медь или медные сплавы. Медь значительно повышает прочность железной матрицы, хорошо влияет на спекание, увеличивает теплопроводность . В композиции железо-углерод медь замедляет диффузию углерода в а и y-Fe, тем самым затрудняет образование цементита, улучшает структуру и механические свойства, повышает микротвердость материала [19,20,32,34] .
Из компонентов, понижающих адгезию, трение, износ, а также выступающих в роли антифрикционных добавок, наибольшее распространение получили вещества со слоистой структурой кристаллической решетки - графит и дисульфид молибдена [15,31,32]. Графит, как правило, входит в состав любого триботехнического композита на основе железа, независимо от назначения. Он выполняет двойную роль: при растворении увеличивает прочность металлической основы, не растворившийся -играет роль твердой смазки. Содержание графита в композите подбирают экспериментально, в соответствии с требуемыми значениями коэффициента трения и износостойкости. Зависимости коэффициента трения, его ста , бильности и износа от содержания графита в спеченном материале на основе железа получены в [19] и приведены на Рис.1.1 и Рис.1.2.
Свойства композиций на основе порошка стали ШХ15
Основной задачей при разработке материалов трибо-технического назначения является оптимальное сочетание структуры и физико-механических свойств и нахождение технологических параметров, управляющих этими свойствами. При создании порошковых композитов такими параметрами являются: давление прессования, температура спекания, среда спекания и другие. Не менее важным следует считать знание свойств основы порошкового композита и характер зависимости их от тех или иных условий получения порошка и от введения дополнительных структурных составляющих.
В качестве базового варианта были выбраны образцы из порошка стали. ШХ15, полученные при давлении прессования 500 МПа и спеченные в вакууме. В таблице 3.2 показаны свойства этого материала. Из таблицы видно, что с ростом температуры спекания усадка увеличивается, но пористость материала остается достаточно высокой. Так при температуре спекания 1250С пористость уменьшилась до 28% по сравнению с исходной пористостью прессовки (около 4 0 %) . Микроструктура спеченных образцов состояла из феррито-перлитной основы и пор. Она показана на рис. 3.4.
Пористость аналогичных материалов на основе серийно выпускаемых порошков железа обычно регулируется давлением прессования. Порошки железа и материалы на их основе прессуются при давлениях 300-800 МПа, в зависимости от назначения. При этом пористость после прессования может изменяться в пределах от 10 до 4 0%, а усадка при спекании составляет около 0,03 [43,80]. В сравнении со спеченным железом высокую пористость материалов из порошка стали ШХ15 можно объяснить специфической формой восстановленных частиц (рис. 2.1) и повышенной твердостью. При развитой поверхности твердых стальных частиц сложно получить большое количество межчастичных контактов в процессе прессования. В то время как пластичные сферические частицы порошкового железа позволяют задавать начальную пористость в широких пределах. Таким образом, повышенная твердость и неправильная геометрическая форма частиц стали ШХ15 не позволяют достигнуть низкой пористости (при давлении прессования 1100 МПа пористость прессовок была не менее 28 %) и одновременно являются причиной большой усадки. Рис. 3.4. Структура стали ШХ15, спеченной при температуре 1200С в вакууме. Высокая пористость, и низкий уровень механических свойств спеченной стали ШХ15 обуславливают ее интенсивный износ при трении. Поэтому при разработке новых триботехнических материалов на базе порошка такой стали необходимо, прежде всего, обратить внимание на повышение прочностных характеристик изделий. Широко известные композиты типа ЖГрД, применяемые для изготовления подшипников скольжения, остаются работоспособными при нормальной нагрузке 2-5 МПа, упрочненные или легированные - до 10 МПа. Нормальным условием трения является наличие смазки в зазоре сопряжения. Однако это не исключает ювенильного контакта трущихся поверхностей. Поэтому в данной работе определяли допустимый предел нормального давления при трении скольжения для спеченной стали ШХ15 в отсутствие смазки.
Из рис. 3.5 видно, что коэффициент трения спеченной стали ШХ15 монотонно убывает с ростом нормальной нагрузки, что может быть связано с уменьшением модуля сдвига поверхностных слоев в результате фрикционного нагрева. При нагрузке свыше 4МПа коэффициент трения стабилизируется. Высокие значения коэффициента трения при малых нагрузках (fTp 0,5 - 0,6) может быть связано и с образованием окисной пленки на поверхности образцов. Коэффициент трения (а) и износ (б) стали ШХ15, спеченной при разных температурах. ческая деформация и разрыхление поверхностного слоя. Это может быстро привести к образованию слоя деградированного материала, имеющего небольшой модуль сдвига. Поэтому интенсивность изнашивания определяется свойствами данного слоя и принимает катастрофический характер при номинальном давлении около 4 МПа. Причем температура спекания не оказывает заметного влияния на величину износа. Можно лишь отметить, что в области давлений более 4МПа износ несколько уменьшается с увеличением температуры спекания.
Высокий износ спеченной стали ШХ15 при сухом трении объясняется несколькими причинами. Во-первых, низкой активностью процесса твердофазного спекания при получении материала, что обуславливает несовершенную структуру и невысокие прочностные свойства. Во-вторых, отсутствием противоизносных и антизадирных компонентов в матрице. В-третьих, высокой температурой в зоне трения, которая способствует изнашиванию. Несмотря на то, что изучение триботехнических свойств спеченной стали ШХ15 имеет скорее научный интерес, чем прикладной, их следует рассматривать как отправную точку исследований промышленных композитов на ее основе.
Больший практический интерес в этом плане представляет определение износостойкости стали ШХ15, спеченной с антифрикционными добавками, например, с графитом и медью. Как следует из раздела 3.1, введение графита приводит к уменьшению пористости, изменению фазового состава и, как следствие, улучшению механических свойств. Кроме того, регулирование данных свойств возможно вариацией давления прессования и изменением температуры спекания.
Для изучения влияния давления прессования и температуры спекания на плотность, микроструктуру и механические свойства спеченных композитов была подготовлена исходная шихта состава: сталь ШХ15 - 2% графита - 4% меди. Образцы прессовали при давлении 200, 450 и 800 МПа .и спекали в вакуумной печи при температурах 1100, 1150, 1200С. Температура спекания выше 1200С нежелательна вследствие больших энергетических затрат и возможности полного перехода графита в матрицу. Давление прессования, превосходящее 800 МПа, технологически необоснованно из-за нежелательных нагрузок на прессовое оборудование и повышенного износа деталей прессформ.
Материалы каркасного типа на основе порошка стали ШХ15, пропитанные бронзой
Выше было . показано, что композиция железо - медь - графит, полученная спеканием, может обладать хорошими триботехническими свойствами при определенном соотношении компонентов. Однако недостатком пористых материалов является низкая прочность, которая не позволяет применять их для высоконагруженных узлов трения. Кроме того, известна низкая теплопроводность спеченного железа, которая зависит от пористости и не превышает 40 Вт/м-К при пористости 10% [83], что также ограничивает его использование в узлах трения.
Существенно улучшить физико-механические свойства спеченных материалов на основе железа можно путем пропитки пористого железного каркаса сплавами цветных металлов - медью, бронзой, латунью.
Пропитка бронзой (инфильтрация) пористого композита ШХ15-2%С-4%Си проводилась в вакууме при температуре 1200С в течении двух часов. Структура пропитанных образцов показана на рис. 4.2, из которого видно, что в результате пропитки поры каркасного материала заполняются инфильтратом, что должно вызвать соответствующее повышение прочности композита.
Действительно, пропитка бронзой заметно повысила твердость (рис. 4.3, а) и предел прочности на изгиб (рис. 4.3, б) спеченных композитов. Кроме того, по еле пропитки прочностные свойства образцов практически не зависят от исходной пористости материала. Основной причиной повышения твердости и прочности является высокая плотность композиционного материала и упрочнение стальйого каркаса. Этому способствует хорошая смачиваемость стали бронзой.
Твердость HV (а) и предел прочности на изгиб (б) спеченных материалов ШХ15-2%С-4%Си после пропитки бронзой БРОФ-10-1. Некоторое возрастание предела прочности на изгиб пропитанных бронзой образцов при повышенной температуре спекания объясняется объединением микропор при спекании, что облегчает инфильтрацию.
Триботехнические испытания пропитанных образцов (рис. 4.4) показали, что коэффициент сухого трения композитов после пропитки значительно ниже коэффициента трения исходных спеченных материалов и приближается к коэффициенту трения известных антифрикционных материалов, работающих со смазкой. Однако износ при сухом трении остается достаточно высоким, хотя и меньше, чем до пропитки. Снижение изнашивания достигается, как правило, введением антизадирных присадок в композит или подачей смазки в зазор сопряжения.
В состав многих композиционных материалов трибо-технического назначения на основе железа вводятся твердые частицы карбидов [19, 31, 32]. С их помощью создается и стабилизируется определенный режим трения, а также повышается несущая способность материала, которая лимитируется пределом упругости твердой составляющей в пятнах контакта. При возрастании концентрации твердой фазы увеличивается ее общая площадь касания с контртелом, что приводит к снижению контурного давления и, следовательно, к повышению несущей способности материала. В то же время с увеличением концентрации твердых добавок уменьшается механическая прочность самого композита (из-за ослабления когези-онной связи между частицами каркаса) и увеличивается возможность взаимодействия между компонентами системы.
Структура, фазовый состав и механические свойства спеченного композита IIIX15-C-Cu-SiC
Карбид кремния входит в состав многих распространенных фрикционных материалов, работающих в условиях сухого трения, таких как МКВ-50А (5 вес.% SiC), СМК (1-6 вес.% SiC), СМК-80 (3,5 вес.% SiC) и др. [19,31,32]. Твердые частицы карбида кремния способствуют повышению коэффициента трения и износостойкости материала. По литературным данным [19,31] содержание карбида кремния в спеченных материалах на основе железа может достигать 20 вес.%, но чаще всего не превышает 5 вес.%. Это связано с тем, что спекание при температуре выше 1000С приводит к сублимированию карбида кремния и взаимодействию кремния с железом. Силициды железа по твердости значительно уступают карбиду кремния, а процесс их образования увеличивает пористость материала [82,84].
В настоящем разделе исследованы изменения фазового состава, структуры и механических свойств спеченного материала на основе порошковой стали ШХ15 с добавками 3 об.%Си, 6 об.%С и SiC в зависимости от содержания карбида кремния в исходной шихте и температуры спекания композита. Прессование образцов осуществлялось при давлении 500 МПа. Спекание проводили в вакууме при температурах 1150, 1200 и 1250С.
Плотность и прочностные характеристики спеченных материалов представлены на рисунке 5.6. Из рисунка видно, что при всех температурах спекания плотность композитов уменьшается с увеличением концентрации карбида кремния, а прочность на изгиб и твердость сначала возрастают, а затем, при концентрациях свыше 7 об.% SiC, уменьшаются. При этом различие механических свойств композитов с температурой спекания 1200С и 1250С небольшое, в то время как механические свойства материала, спеченного при температуре 1150С, заметно ниже. Изучение структуры [98-100] показало, что во всех композитах, содержащих SiC, присутствуют поры, размер и концентрация которых увеличиваются с повышением содержания в шихте _ карбида кремния (рис. 5.7). В то же время микротвердость стальной матрицы (рис. 5.8, а) увеличивается с повышением концентрации карбида кремния в шихте для композитов, спеченных при температуре 1200С и 1250С, и практически не меняется после спекания при температуре 1150С.
Различие в механических свойствах композитов, спеченных при разных температурах, вызвано фазовыми превращениями, которые в значительной степени зависят от температуры спекания. Для получения .более полного представления об изменениях, происходящих в составе материалов после спекания, были проведены рентгеност-руктурные исследования фазового состава. На рентгенограммах базового композита ШХ15 - б об.% С - 3 об.% Си (рис. 5.9,1 - 5.9,3) наблюдаются рефлексы - a-Fe, ЕезС и Си. В КОМПОЗИЦИИ ШХ15-6 об.% С-3 об.% Си-7 об.% SiC (рис. 5.9,4 - 5.9,6) сохраняются те же фазы, что и в базовом композите, но к ним добавляется фаза SiC. Положение рефлексов железа заметно не меняется, так как не происходит взаимодействия компонентов друг с другом при температуре спекания 1150С. При увеличении температуры спекания до 1200С, 1250С наблюдали некоторое уменьшение параметра решетки железа.
В композиции, содержащей 10,9 об.% SiC (рис. 5.9,7 - 5.9,9), фазовый состав спеченного композита в значительной степени зависел от температуры спекания. При температуре спекания 1150С количество фазы a-Fe уменьшается незначительно, но вместе с тем появляется соединение FesSi (рефлекс(222)) и возможно FeSi (реф-лекс(321)). Также сохраняется карбид кремния (рефлексы (004), (103)). При температуре спекания 1200С концентрация железа заметно уменьшается, что видно по отражениям (110) и (211) и исчезновению рефлекса (200) . Концентрация SiC и Fe3C наоборот увеличивается и появляется значительное количество графита (рефлекс (101)). В то же время концентрация силицидов невелика (отражения (111) FeSi2 и (321) FeSi).
