Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный обзор 6
1.1. Порошковые материалы антифрикционного назначения 6
1.2. Порошковые антифрикционные материалы на основе меди 13
1.2.1. Пористая оловянная бронза 14
1.2.2. Бронзографитовые материалы 17
1.2.3. Сложнолегированные бронзы 20
1.3. Методы получения исходных порошков для изготовления бронзографитовых материалов 22
1.4. Основные операции изготовления изделий из исходных порошков 26
1.5. Порошковые металлостеклянные антифрикционные материалы 33
1.6. Актуальность работы и постановка задачи 36
2. Методы исследований, материалы, оборудование 39
2.1. Получение молибдатного стекла 39
2.2. Определение термических свойств сваренного стекла 46
2.3. Получение порошковых стеклосодержащих материалов 49
2.3.1. Порошковые композиции для получения образцов 49
2.3.2. Прессование образцов 53
2.3.3. Спекание образцов 55
2.4. Исследование технологических свойств порошковых спеченных материалов 58
2.4.1. Изменение геометрических и гравиметрических параметров после спекания 58
2.4.2. Масловпитываемость спеченных образцов 59
2.4.3. Определение триботехнических характеристик 59
2.5. Исследование микроструктуры 63
2.6. Методика исследования физико-механических характеристик 63
3. Экспериментальная часть 67
3.1. Изменения массы и величины усадки материала при спекании 67
3.2. Масловпитываемость порошковых стеклонаполненных бронзографитов 73
3.3. Исследование триботехнических характеристик полученных материалов 74
3.4. Термические свойства сваренного стекла 93
3.5. Исследование структуры порошковых материалов 94
3.6. Прочностные свойства разработанных порошковых бронзографитов 99
3.7. Обработка экспериментальных данных 103
Общие выводы 115
Литература 117
Приложение 127
- Порошковые антифрикционные материалы на основе меди
- Методы получения исходных порошков для изготовления бронзографитовых материалов
- Определение термических свойств сваренного стекла
- Масловпитываемость порошковых стеклонаполненных бронзографитов
Введение к работе
Борьба с потерями на трение и изнашивание подвижных сочленений машин и механизмов является одной из серьезных задач современного машиностроения. В связи с этим разработке и совершенствованию материалов, особенно антифрикционных, уделяется постоянное и пристальное внимание исследователей и технологов. Такое внимание к антифрикционным материалам не случайно. В нашей стране, США, Великобритании, Германии и Японии на ремонт машин и механизмов ежегодно расходуются колоссальные средства, из которых 85 % - на замену подшипниковых узлов.
В современном машиностроении применяются более 10 различных групп антифрикционных материалов, насчитывается более 100 марок литых металлических сплавов. Однако, ни один из них не отвечает так полно требованиям, предъявляемым к антифрикционным материалам, как материалы, изготовленные методами порошковой металлургии. Обладая механическими свойствами, сопоставимыми со свойствами литых материалов, порошковые имеют более лучшую прирабатываемость, более низкий коэффициент трения и большую износостойкость. Подшипники из этих материалов, как правило, характеризуются свойствами самосмазывания и саморегулирования подачи смазки в зону трения. Их пористость способствует прирабатываемости контактирующих поверхностей механизмов, а находящееся в их порах масло образует смазочную пленку, что обеспечивает граничное трение, как в пусковой период, так и при других режимах работы узла трения [1].
Порошковые подшипники в большинстве случаев могут работать в течение длительного времени без дополнительной смазки, а при более тяжелых режимах нагружения - с дополнительной подачей смазки в зону нагружения.
5 При использовании самосмазывающихся узлов трения отпадает
необходимость в системе маслоподачи, что уменьшает металлоемкость
оборудования, упрощает его конструкцию, позволяет эксплуатировать новую
технику в особо тяжелых условиях, где невозможна дополнительная смазка.
С технологической точки зрения процессы порошковой металлургии, по сравнению с другими отраслями металлургии, не создают высокого уровня шума, вредных выбросов и являются более экономически выгодными.
Актуальной задачей порошковой металлургии на современном этапе является создание композиционных антифрикционных материалов с высокими триботехническими характеристиками.
Порошковые антифрикционные материалы на основе меди
В промышленности нашли широкое применение в качестве антифрикционных материалов порошковые материалы на основе меди [3, 17, 21, 22, 33], т.к. они обладают высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью и электропроводностью.
Медь является одним из распространенных материалов в порошковой металлургии. Это связано с простотой получения медных порошков, легкостью их восстановления из окислов, высокой пластичностью и сравнительно низкой температурой плавления и спекания. Поэтому медь широко применяется для изготовления антифрикционных порошковых материалов [4].
В справочнике [10] для пористых подшипников на медной основе рекомендуются: допустимое рабочее давление 6-8МШ, температурный диапазон 60 - 80 С, коэффициент трения без смазки 0,05 - 0,07, со смазкой 0,005 - 0,007. Впрочем, последние цифры вызывают сомнение. Антифрикционные сплавы на медной основе особенно успешно работают в механизмах, эксплуатирующихся с остановками [11]. Эти материалы можно подразделить на следующие группы: пористая оловянная бронза, бронзографитовые материалы, сложнолегированные бронзы. Рассмотрим подробнее порошковые материалы, которые получили широкое применение.
Наиболее широкое распространение среди порошковых антифрикционных материалов на медной основе получили в последнее время материалы, основой которых является оловянистая бронза [2, 15, 17, 21, 22, 27]. Бронза часто находит применение для подшипников, которые должны обладать повышенной коррозионной стойкостью.
Крагельский И.В. в работе [11] отмечает, что пленки окислов, возникающие на бронзах и меди, являются хорошей смазкой, поэтому бронзы часто применяются для подшипников скольжения. По способности к реакции с маслом медь и олово относятся к активным, они образуют с жирными кислотами химические соединения типа металлических мыл, являющихся хорошими смазками [10, 34]. При этом в отличие от пленок, образованных в результате физической адсорбции, пленки на основе мыла восстанавливаются в процессе их разрушения или износа.
При добавках к меди растворимого в ней олова наблюдается возрастание прочностных свойств и стойкости к износу порошковой бронзы [22,35, 36, 37]. Введение олова в качестве легирующей добавки более 10 - 11 % нецелесообразно, так как дальнейшее повышение его содержания не ведет к значительному увеличению прочности бронзы [3,35,36, 37, 38], рис. 1.1. Пластичность бронз начинает резко снижаться при содержании олова более 8,0 масс. %, когда в структуре появляется 6 - фаза, при этом материал становится более хрупким [38, 39].
Пористая оловянная бронза содержит от 6 до 12 % олова. Пористая бронза используется для замены литых бронз, что позволяет получать значительную экономию цветного металла. Ее физико-механические свойства ниже, чем у литых бронз, однако в условиях небольших скоростей скольжения (примерно до 0,15 м/с) допустимые нагрузки для пористой бронзы (особенно изготовленной из мелких порошков) выше, чем у литой бронзы, и не меняются с увеличением количества подаваемой смазки. При увеличении скорости скольжения подача дополнительной смазки позволяет повышать допустимые нагрузки. Пористые бронзы применяются в основном для изготовления подшипников, работающих в легких условиях, например, для приборов, работа которых характеризуется малыми скоростями скольжения (менее 1,5 м/с) и небольшими нагрузками (примерно 0,5 -1,0 МПа). Такие подшипники не требуют дополнительной смазки в течение 3000 - 5000 ч, имеют низкий и стабильный коэффициент трения (0,01 - 0,04), низкий уровень шума и надежно работают в диапазоне от - 60 до + 120 С. В условиях дополнительной смазки предельная нагрузка для пористой бронзы равна 8,0 МПа при скорости скольжения 1 м/с. Пористая бронза применяется также при изготовлении подшипников для машин по обработке пищевых продуктов, текстильных машин, в которых необходимо избегать загрязнений, бытовых машин, небольших электромоторов, пусковых устройств, часовых механизмов, точного инструмента, вентиляторов, рычажных механизмов и шарниров [17].
В работе [14] указывается на широкое применение пористой бронзы (10 % олова) для подшипников при небольших скоростях скольжения (до 0,5 м/с) и малых нагрузках (до 0,5 МПа). Такие подшипники в режиме самосмазывания в приборах для магнитной записи и воспроизведения, в малогабаритных электродвигателях и редукторах акустических приборов работают 5-6 тыс. часов. Авторы [21] рекомендуют допустимую нагрузку на подшипники из порошковой бронзы до 28 МПа при малой скорости скольжения, а при скоростях более 1 м/с значение произведения P v =1,8 МПа-м/с. Авторы работы [40] показали, что для антифрикционных материалов на основе порошковой бронзы более высокую износостойкость показали образцы, в материале которых было обеспечено равномерное распределение сравнительно мелких пор.
Методы получения исходных порошков для изготовления бронзографитовых материалов
Качество порошковых изделий зависит от свойств металлических исходных порошков - их объемной характеристики, удельной поверхности, формы, зерна, гранулометрического состава и др. [27]. По сущности технологического процесса методы получения порошков могут быть разделены на физико-химические и механические [2,6, 8,20]. Наибольшее промышленное распространение получения порошков меди получили методы: электролиза, восстановления из окислов и других соединений металлов, распыление, размол [6]. Возможность применения порошка для изготовления конкретных изделий определяется его свойствами, которые зависят от метода получения и природы металла порошка. В основном металлические порошки характеризуются технологическими и физическими свойствами и химическим составом [4, 6, 8]. К технологическим свойствам относятся: насыпная и относительная плотности, текучесть и прессуемость порошка. К физическим характеристикам относятся: форма частиц, гранулометрический состав и удельная поверхность частиц порошков. Химический состав порошков определяется содержанием основного металла и легирующих добавок, содержанием примесей различных механических загрязнений и газов [4].
По виду продукции методы получения порошков можно разделить на такие, которыми получают нелегированные металлы, и на методы получения порошковых сплавов заданного состава. Последние получают в основном методами распыления, дробления исходного материала (сырья) - (стружки и др.) в соответствующих размольных установках или восстановлением смеси оксидов, например водородом, при этом получают порошки сплавов [2].
Электролитический метод получения порошков меди в нашей стране является основным [6,20,22,24, 61]. Электролитический метод производства порошков обладает невысокой производительностью и высокой себестоимостью (требует много электроэнергии). Однако чистота и высокие технологические свойства электролитических порошков вполне искупают его недостатки [6]. Ведущим отечественным предприятием - поставщиком порошка меди для порошковых антифрикционных материалов является Пышменский медноэлектролитный завод [6,62]. Содержание меди в получаемых порошках не менее 99,5 — 99,7 %, примесей - не более: Fe - 0,02 %, Pb - 0,05 %, As - 0,005 %, Sb - 0,01 % и S04 - 0,01 % в соответствии с ГОСТ 4960-68.
Для получения полиметаллических порошков можно применять также гальваническое покрытие металлических частиц порошка каким-нибудь другим металлом. Так, например, оловом могут быть покрыты частицы медного порошка в ванне для лужения при применении оловянного анода, аналогично этому медь может осаждаться на оловянном порошке при применении медного анода из ванны меднения. Подобным образом можно осаждать никель на медь или медь на никель и т.д. [63].
Медный порошок можно получать восстановлением закиси или окиси меди (окалина от прокатки проволоки, листов и т.д.) диссоциированным аммиаком или конвертированным природным газом с последующим измельчением губки [6,46, 61]. Значительного промышленного применения этот метод получения порошковой меди в нашей стране не нашел. Он применяется для собственных нужд производства [61].
В последнее время все шире внедряется метод производства медных порошков, заключающийся в восстановлении меди из водных растворов ее солей водородом при повышенных давлении и температуре [6, 22, 61, 62, 64, 65].
Этот процесс особенно широко налажен в США и Канаде [61, 65]. Исходным сырьем служат рудные концентраты (медно-цинковые, медно-свинцово-цинковые или отходы металлообработки [6], отходы металлургических и химических производств, отходы при изготовлении печатных плат). Предварительный экономический расчет показывает, что использование его в промышленности позволит снизить стоимость порошка в 1,5 - 2 раза при улучшении чистоты и технологических свойств [66].
В работах [62, 64, 67] даются рекомендации по производству медного порошка из растворов меди с помощью железа (метод цементации). Авторы в работе [67] показали, что после дополнительной обработки в порошке содержится до 99,2 % меди. Форма порошка дендритная, насыпной вес 1,7 - 1,9 г/см . Поскольку для этих целей можно использовать растворы хлористой меди - отходы производства печатных плат, производство медного порошка методом цементации в масштабе сотен тонн является весьма экономичным.
В работе [68] подробно описан метод получения порошков меди газофазовым методом. Метод основан на объемной конденсации паров металла при быстром охлаждении парогазовой смеси и последующем осаждении аэрозолей. Этим методом могут быть получены высокодисперсные порошки меди, состоящие из частиц размером 100 — 200 А [65, 68]. Метод распыления [64, 69, 70] наиболее универсальный, производительный и экономичный и обеспечивает получение частиц меди и бронзы от нескольких микрон до 1 - 2 мм самой разнообразной формы. За рубежом половину производственных мощностей получения порошков составляют установки распыления [6]. В работе [71] показана возможность получения порошков меди микрометаллургическим методом сферических частиц размером от 1,0 до 9-ЮОмкм. Более тонкие порошки меди и олова получают при распылении электродов дуговым разрядом с образованием высокодисперной металлической пыли [2, 65]. В зависимости от метода получения порошки могут состоять из частиц различной формы. Форма частиц оказывает влияние на технологические свойства порошков [20]. Механические свойства образцов, изготовленных из медных порошков с неравномерной формой частиц, значительно выше, чем для сферического порошка [20,28,72].
Определение термических свойств сваренного стекла
Знание таких термических характеристик стекол, как коэффициент термического распшрения и температура начала размягчения является весьма важным. В композиционном порошковом материале частицы металла и стекла находятся в тесном контакте и при спекании ведут себя неодинаково. Стекло начинает размягчаться при довольно низких температурах (420 -480 С), образуя при этом высоковязкую жидкость, которая обволакивает частицы металла, заполняет пустоты между ними и по сути способствует спеканию частиц металла между собой. При охлаждении порошковых образцов металлическая и стеклянная фазы испытывают термические изменения своих объемов в разной мере. Если эти изменения сильно отличаются друг от друга, то в порошковом материале могут возникнуть внутренние напряжения, отрицательно влияющие на механические свойства композитов.
Поэтому необходимо подбирать составы стекол таким образом, чтобы коэффициенты их термического расширения были наиболее близки к коэффициентам термического расширения металла, составляющего основу композиционного материала.
Температура начала размягчения стекол также очень важна. Чем ниже эта температура, тем при более низких температурах можно вести спекание изделий, что влечет за собой снижение энергозатрат на производство порошковых композиционных материалов.
Определение термических свойств сваренных стекол производили с помощью кварцевого дилатометра.
Дилатометрический метод является наиболее простым и распространенным методом, позволяющим определить термическое расширение материалов.
Испытуемый образец 5 вставляют в кварцевую пробирку 3 и прижимают сверху кварцевым стержнем 4, верхний конец которого упирается в головку показывающего прибора 6. Печь включают в сеть и нагревают со скоростью 3-5 С/мин. Спай термопары 7 должен находиться напротив образца. При изменении показаний показывающего прибора на целое деление шкалы (0,01 мм) снимают показания милливольтметра 8. Затем милливольты переводят в градусы С по градуировочным таблицам.
Медь 90 87 86 83 86 83 82 79 84,5 80 Указанные значения факторов наиболее часто встречаются в цитированной литературе. Большинство исследователей рекомендует содержание олова в порошковых бронзографитах для подшипников скольжения от 6 до 10 мае. % [2, 3, 4, 7,10, 15, 16, 21, 23, 46, 76]. Величина верхнего предела графита в бронзографитах составляет 4 мас. % в соответствии с рекомендациями [14, 15, 16, 24]. Величина давления прессования для бронзографитов, согласно исследований составляет: 300 - 400 МПа [76], 150 - 180 МПа [46], 100 - 400 МПа [24], 200 - 400 МПа [7, 16], не более 500 МПа [3]. В связи с этим, выбрано усредненное давление прессования 300 МПа, 350 МПа и 400 МПа.
По температуре спекания материалов на основе бронзографитов имеются рекомендации: 720 - 750С [46], 750С [93], 750 - 770С [8], 760С [79], 750 - 800С [1], 760 - 815С [7], 780С [43], 2/3 от температуры плавления наиболее тугоплавкого компонента (1083 С для меди, следовательно, температура спекания 720 - 730С) [2], 800С [77], 815С [15], 800 - 850С [21], 800 - 860С [22], 0,80 - 0,85 от абсолютной температуры плавления сплава [86].
В работе [23] указывается на необходимость тщательного контроля температуры спекания бронзографитов, так как при незначительном повышении температуры 800 - 870С образцы могут расплавиться.
В работе температура спекания образцов соответствует наиболее оптимальной, согласно большинства исследователей: 760 - 780С.
Одновременно, для сравнения были изготовлены аналогичные образцы из механических смесей порошков меди, олова и графита, без содержания стекла, по составу соответствующие серийному материалу БГр4. Кроме того, для более полного изучения физико-механических характеристик и технологических параметров материала были изготовлены соответствующие образцы для исследования износостойкости и определения прочности на сжатие при изменении содержания стекла, графита, олова и давления прессования в вышеуказанных интервалах.
Масловпитываемость порошковых стеклонаполненных бронзографитов
Масловпитываемость стеклосодержащи х бронзографитов достаточно низкая, исходя из литературных данных. Однако у составов № 8 и 10 она довольно высокая. Это свидетельствует об оптимальной пористости изделий, что вызвано, по-видимому, особенностью данного стекла. Боратная фаза, видимо как более легкоплавкая сильнее растекается по поверхности частиц металла — смачивая их и образуя заметный контакт, а силикатная фаза служит перемычками между этими боратными прослойками.
В работе для оценки и сравнения разработанного материала были исследованы триботехнические характеристики - зависимости коэффициента трения от приложенной нагрузки, величины износа от пути трения при постоянной нагрузке и зависимость интенсивности изнашивания от приложенной нагрузки при фиксированном пробеге. Эти характеристики определяют границы работоспособности пары трения. Стойкость материалов к изнашиванию в различных режимах трения определяют ресурс и срок службы узлов трения. Априорно можно предположить, что за счет легирования бронзы молибденом из молибденоборосиликатного стекла будет обеспечена повышенная износостойкость. Испытания проводились на серийно выпускаемой машине СМТ-1, согласно выше описанной методике в п. 75 На рис. 3.1 представлены зависимости коэффициента трения от давления при различном усилии прессования нашего материала. Режим работы: скорость скольжения V = 1 м/с, трение в масле, давление повышалось ступенчато от 1 МПа до резкого увеличения момента трения; смазка (индустриальное масло И-40) вводилась в зону трения капельным способом (1 капля/км пробега), в отдельных исследованиях вращающееся контртело (ролик) окуналось в ванночку с маслом или другой смазочной средой.
Из графика видно, что самому низкому значению коэффициента трения соответствует давление 350 МПа. Далее будем рассматривать исследованные зависимости при данном давлении прессования. Различные жидкие масла являются широко распространенными видами смазок подшипников скольжения в самых различных условиях их работы. На рисунках 3.2 - 3.5 представлено изменение основных триботехнических показателей стеклосодержащего бронзографита с различным содержанием графита и серийного материала БГр 4. Режим трения: скорость скольжения V = 1 м/с; давление повышалось ступенчато от 1 МПа до резкого увеличения момента трения; смазка (индустриальное масло И-40) вводилась в зону трения капельным способом (1 капля/км пробега).
Минимальной интенсивности изнашивания и минимальному коэффициенту трения во всех исследованиях отвечал порошковый материал с 7 мае. % стекла. Большие количества стекла приводят к разупрочнению материала и могут быть применимы только для малых нагрузок [107].
Анализ зависимостей позволяет сделать следующие выводы: - введение молибденоборосиликатного стекла в бронзографитовый материал позволяет почти в 2 раза увеличить нагрузочную способность, по сравнению с БГр4; - коэффициент трения и интенсивность изнашивания в изученном диапазоне давлений значительно ниже, чем у БГр4.
Влияние содержания стекла неоднозначно, так при малом давлении до 8 МПа коэффициент трения у БГр4 в 1,5-2 раза ниже, чем разработанного материала — при содержании графита 4 мае. %, при 1 мае. % графита — различие коэффициентов трения минимально. В диапазоне давлений от 12 МПа до 20 МПа коэффициент трения разработанного бронзографита стабилизируется и имеет тенденцию к снижению при увеличении давления. Давление 20 МПа является критическим для серийного БГр4 по значению коэффициента трения и интенсивности изнашивания, тогда как диапазон допустимых давлений разработанного материала расширился до 36 МПа при коэффициенте трения до 0,03.
