Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

непрерывной заливки. Подшипники большого диаметра

вают индивидуально стационарным или центробежным способом,

литьем под давлением.

вышенные антифрикционные свойства и высокое сопротивление

остным разрушениям обеспечивают новые триметал-лические

ники. Наиболее распространенные отечественные композиции

трехслойных вкладышей состоят из стальной основы, промежуточного

медно-никелевого или металлокера-мического слоя (см. с.

и свинцового сплава, заполняющего поры промежуточного слоя и

ющего рабочий поверхностный слой толщиной не более 0,1 мм.

Триметаллы

нашли широкое применение в автомобилестроении

-53, ЗИЛ-130, ЗИЛ-375).

линии

зали

а также

По

устал

подшип

пористого

000)

образу

(ГАЗ

Цинковые антифрикционные сплавы.

ЦАМ 10—5 и ЦАМ 9,5—1,5, содержащи

0,03—0,06 % Mg. В литом виде

монометаллических вкладышей, втулок и 10

применяется и для отливки биметалличес

корпусом.

В деф

получ

сплав

Вс

прочн

могут

превы

размя

Ал

В табл

подши

являю

структ

Чаще применяют сплавы

е кроме алюминия и меди

сплавы применяют для

т. д.; сплав ЦАМ —5

ких изделий со стальным

ормированном виде сплав ЦАМ 9,5—1,5 используют для

ения биметаллических полос со сталью и алюминиевыми

ами методом проката и последующей штамповки вкладыша.

ледствие высоких антифрикционных свойств и достаточной

ости (σ

= 250÷400 МПа) при температуре 120 °С эти сплавы

заменять бронзы для узлов трения, температура которых не

шает 100 °С. При более высоких температурах сплавы

гчаются и налипают на вал.

юм ниевые антифрикционные (подшипниковые) сплавы.

. н

43 приведе ы алюминиевые сплавы для изготовления

пников (ГОСТ 14113—78). Основными компонентами сплавов

тся Sn, Cu, Ni и Si, образующие с алюминием гетерогенные

уры.

421

Чем больше в сплаве олова, тем выше его антифрикционные

свойства. Однако в литых сплавах содержание олова не должно

я-

Подш ва

о-

их

ГЛАВА XXIV. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С

МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ МАТРИЦЕЙ

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы

(чаще А1, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочными

волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными

тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле

(дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица

связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно

(дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие ту

Широко применяют полимерные, керамические и другие матрицы.

422

превышать 10—12 %, так как образующаяся грубая сетка олов

нистой составляющей снижает износостойкость и сопротивлени

усталости при повышении температуры. В деформированных

сплавах оловянистая составляющая располагается в вид

отдельных включений внутри зерен, это дает возможност

увеличить содержание олова и значительно улучшит

антифрикционные свойства сплава.

Сплавы АОЗ—1 и АО9—2 применяют для лить

монометаллических вкладышей и втулок толщиной более 1

мм. Сплавы АО20—1 и АН—2,5 предназначаются для получени

биметаллической ленты со сталью методом прокатки

последующей штамповкой вкладышей. ипники из спла

АН—2,5 можно изготовлять и лить м.

При работе в тяжелонагруженных скоростных подшипниках

на рабочую поверхность сплавов АОЗ—1, АО9—2 и АН—2

наносится слой (толщиной 0,02—0,03 мм) олова или другог

мягкого металла.

Подшипники работают при нагрузке не более 200—300 МПа

и окружной скорости 15—20 м/с

Разработан сплав АММгК—1, содержащий Mg, Si, Ti, Μ

и Sn. Применение этого сплава вместо алюминиевых сплаво

для подшипников скольжения обеспе ивает коэффициент трени

0,007—0,01, увеличение износостойкости в 1,5—2 раза, а пр

тивозадирной стойкости в 2 раза.

Вопросы для самопроверки

1. Какие требования предъявляются к антифрикционным сплавам?

2. Укажите марки (состав), структуру и применение оловянных

свинцовых баббитов.

3. Когда применяют цинковые и алюминиевые антифрикционные сплавы?

4. Укажите строение, достоинства и недостатки триметаллическ

(трехслойных) подшипников.

иную композицию, получили или название композиционные

материа

Воло материалы. На рис. 196

приведе

мате

напо

делят н

диам

рерывным волокном, в которых l/d = ∞.

Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр

волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение

длин .

Ч слоистую

структуру, в ан большим числом

параллельны

арми

кото

соот

в тр

боле

выно

жесткости (Ε/γ) и пониженной склонностью к трещинообразованию.

Примен ть

конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

423

лы (рис. 196).

книстые композиционные

ны схемы армирования волокнистых композиционных

риалов. Композиционные материалы с волокнистым

лнителем (упрочнителем) по механизму армирующего действия

а дискретные, в которых отношение длины волокна к

етру l/d ≈ 10÷10

, и с неп

ы к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения

асто композиционный материал представляет собой

которой каждый слой армиров

х непрерывных волокон. Каждый слой можно

ровать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань,

рая представляет собой исходную форму, по ширине и длине

ветствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают

ехмерные структуры.

омпозиционные материалы отличаются от обычных сплавов

е высокими значениями временного сопротивления и предела

сливости (на 50—100 %), модуля упругости, коэффициента

ение композиционных материалов повышает жесткос

Прочность композиционных (волокнистых) материалов

определяется свойствами волокон; матрица в основном должна

перераспределять напряжения между армирующими элементами.

Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть

значительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы.

Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения,

возникающие в композиции при нагружении, придают ей

прочность и жесткость в направлении ориентации волокон

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют

борные (σ

= 2500÷3500 МПа, Ε = 38÷420 ГПа) и углеродные (

= 1400÷3500 МПа, E = 160÷450 ГПа) волокна, а также волокна

п и

сокие моду .

424

из туго лавких соединений (карб дов, нитридов, боридов и

оксидов), имеющих вы прочность и ль упругости

кТак, волокна арбида кремния диаметром 100 мкм имеют σ

= 2500÷3500 МПа, Ε = 450 ГПа. Нередко используют в

качестве волокон проволоку з высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют

молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и

борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается

армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой

Металлические волокна используют и в тех случаях, когда

требуются высокие теплопроводность и электропроводимость

Перспективными упрочнителями для высокопрочных и

высокомодульных волокнистых композиционных м териалов

являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия

карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σ

= 15

000÷28 000 МПа и Ε = 400÷600 ГПа.

В табл. 44 приведены свойства некоторых волокнисты

композиционных материалов.

Композиционные материалы на металлической основе обладаю

высокой прочностью (σ

, σ

-1

) и жаропрочностью, в то же время

они малопластичны. Однако волокна в композиционных

материалах уменьшают скорость распространения трещин

зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают

внезапное

хрупкое

волокн

механ

чувств .

На ри

компо

(1) и п

волоко

необхо

волокн

поверх волокно — матрица. Для

предот

полно

ее не менее

Матри

(долж

эксплу как это может привести к понижению прочности

композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материалов

учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств

путем согласования поля сопротивления с полями напряжения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов

непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния,

диборида титана и оксида алюминия значительно повышает

жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является

малая скорость разупрочнения во времени (рис 198, а) с повышением

температуры.

425

разрушение. Отличительной особенностью одноосных

истых композиционных материалов являются анизотропия

ических свойств вдоль и поперек волокон и малая

ительность к концентраторам напряжения

с 197 приведена зависимость σ

и Ε бороалюминиевого

зиционного материала от содержания борного волокна вдоль

оперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание

н, тем выше σ

, σ

-1

и Ε вдоль оси армирования. Однако

димо учитывать, что матрица может передавать напряжения

ам только в том случае, когда существует прочная связь на

ности раздела армирующее

вращения контакта между волокнами матрица должна

стью окружать все волокна, что достигается при содержании

15—20 %.

ца и волокно не должны между собой взаимодействовать

на отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или

атации, так

Основным недостатком композиционных материалов G ОДНО

двумерным армированием является низкое сопротивление ме

слойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недос ат лишен

м ем.

-и

ж-

т ка ы

ие

м,

ей

—

их

ие

и а не

ые

ся

ть

ые

ве

ят

ислокаций и тем самым повышают прочность

атериалы β объемным армировани

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отлич

от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упрочненны

композиционных материалах матрица является основным элементо

несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в н

дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10

500 нм при среднем расстоянии между ними 100—500 нм

равномерном распределении их в матрице

. Прочность

жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющ

фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержан

рвторой фазы для азл чных металлов неодин ково, но обычно

превышает 5—10 об.%.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильны

тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложн

я исоединени оксидов редкоземельных металлов), нерастворяю-щих

в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочнос

материала до 0,9—0,95 Т

пл

. В связи G ЭТИМ такие материалы чащ

аропрочные упприменяют как ж . Дисперсно- рочненн

композиционные материалы могут быть получены на осно

большинства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия — СА

(спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюминия

дисперсных чешуек А1

. Частицы А1

эффективно тормоз

движение д

426

сплава. Содержание А1

в САП колеблется от 6—9 % (САП-1)

и до 13—18 % (САП-3). С увеличением содержания А1

повы

д й о

шается от 300 для САП-1 до 400 МПа для САП-3, а

тносительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3 %.

лотность этих материалов равна плотности алюминия, они не

ступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять

итан и коррозионно-стойкие стали при работе в интервале

емператур 250— 500 °С. По длительной прочности они

ревосходят

деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная

рочность σ

100

для сплавов САП-1 и САП-2 при 500 °С

оставляет 45—55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных

атериалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы

а основе никеля с

2—3 об. % двуоксида тория или двуоксида

афния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni +

0 % Cr,

Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Cr и Mo. Широкое

рименение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный

вуо ВДУкисью тория), -2 (никель, упрочненны дву кисью

афния) и ВД-3 (матрица Ni + 20 % Cr, упрочненная окисью

ория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При

емпературе 1200 °С сплав ВДУ-1 имеет σ

100

≅

75 МПа и σ

1000

≅ 65

Па, сплав ВД-3 — σМ

100

≅

65 МПа. Дисперсно-упрочненные

омпозиционные материалы, так же как волокнистые, стойки к

азупрочнению с повышением температуры и длительности

ыдержки при данной температуре (см. рис. 198).

к паратов,

подвергающихся нагреву, для элементов жесткости, панелей,

в автомобилестроении для облегчения кузовов,

рессор, рам,

панелей кузовов, бамперов и т. д., в горной промышленности

(буровой инструмент, детали комбайнов и т. д.), в гражданском

строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций

высотных сооружений и т. д.) и в других областях народного

хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый

качественный скачок в увеличении мощности двигателей,

энергетических и транспортных установок, уменьшении массы

машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из

композиционных материалов достаточно хорошо отработана.

Вопросы для самопроверки

1. В чем различие механизмов упрочнения композиционных материалов —

волокнистых и дисперсно-упрочненных?

2. Укажите примерный уровень прочности и модуля упругости волокон и

нитевидных кристаллов нескольких материалов.

427

бласти применения композиционных материалов не

граничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных

еталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.

.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в

осмической технике для узлов силовых конструкций ап

3. Сравните показатели прочности, модуль упругости, сопротивлен

усталости и жаропрочности стандартных сплавов и композиционны

материалов.

4. Дайте оценку уровню рабочих температур стандартных никелевы

сплавов (с. 310) и композиционных никелевых волокнистых и дисперсн

упрочненных материалов.

5. Какие разновидности волокнистых металлических материалов Вы знаете

6. Укажите номенклатуру деталей, которые можно изготовить

композиционных материалов

ия

о-

из

, е

и й

х )

ни й

а,

ура

в.

т й

смазке

т при

не более 1000—1500 МПа и максимальной

°С. Коэффициент трения бронзографита

Порошковая металлургия.

428

ГЛАВА XXV. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ

МАТЕРИАЛЫ

Порошковыми называют материалы, изготовляемые путе

прессования металлических порошков в изделия необходимо

формы и размеров и последующего спекания сформованных издели

в вакууме или защитной атмосфере при температуре 0,75—0,8 Т

пл

Различают пористые и компактные порошковые материалы.

Пористыми называют материалы в которых посл

окончательной обработк сохраняется 10—30 % остаточно

пористости. Эти сплавы используют главным образом дл

изготовления антифрикционны деталей (подшипников, втулок

и фильтров.

ри поАнтиф кционные рошковые сплавы имеют зки

коэффициент трения, легко прирабатываются, выдерживаю

значительные нагрузки и обладают хорошей износостойкостью

Подшипники из порошковых сплавов могут работать бе

принудительного смазывания за счет «выпотевания» масл

находящегося в порах.

Подшипники изготовляют из сплавов железа и 1—7 %

графита (ЖГр1, ЖГрЗ, ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8—

10 % Sn и 2—4 % графита (БрОГрЮ—2, БрОГр8—4 и др.).

Структура металлической основы железографитовы

материалов должна быть перлитной, с массовой долей связанног

углерода ~1,0%. Такая структ допускает наиболее высокие

скорости и нагрузки при наименьшем износе подшипнико

Добавка к железографитовым материалам серы (0,8—1,0 %) ил

сульфидов (3,5—4,0 %), образующих сульфидные пленки на

трущихся поверхностях, улучшает прирабатываемость

меньшает износ и прихва ываемость сопряженных детале .

Коэффициент трения железографита по стали при

0,07—0,09. Подшипники из железографита применяю

допустимой нагрузке

температуре 100—200

по стали без смазывания 0,04—0,07 и со смазыванием 0,05—0,007

Д по устимая нагрузка 400—500 МПа и рабочая температура не

выше 200—250 °С.

Механические свойства железографита: σ

= 180÷300 МПа и

вердость 60—120 НВ, а бронзографита: σт

узлах

сопротив повышения коэффициента трения в

состав фрикционных материалов вводят карбиды кремния, бора,

тугоплавкие оксиды и т

. д. Компонентами твердого смазочного

материала служат графит, свинец, сульфиды и др.

азочного

м яет 0,18—

0,40, а на м 0,17—0,25.

гр

(д

ав

м основе

ма

то

(для

и пор

пр

ту

от

эл

(у

Все больше порошковая металлургия применяется для

изгот сплавов: жаропрочных на никелевой

429

= 30÷50 МПа,

вердость 25—50 НВ.

Спеченные материалы на основе железа и меди используют

для фрикционных изделий (дисков, сегментов) в тормозных

о т. Фрикционные изделия должны иметь выс кий коэффициен

рения, достаточную механическую прочность и хорошее

ление износу. Для

Коэффициент трения по чугуну (трение без см

атериала) д на железной основе составлля материала

едной основе —

Фрикционны сплавы на медной основе применяют для

словий жидкостного трения в паре с закаленными стальными

еталями (сегменты, диски сцепления и т. д.) при давлении до 400

Па и скорости скольжения до 40 м/с с максимальной

емпературой 300—350 °С. Типичным фрикционным материалом

а основе меди является сплав МК5, содержащий 4 % Fe, 7 %

афита, 8 % Pb, 9 % Sn, 0—2 % Ni.

Для работы в условиях рения без смазочного материала

еталей тормозов самолетов, тормозных накладок тракторов,

томобилей, дорожных машин, экскаваторов и т. д.) применяют

атериалы на железной . Наибольшее применение получил

териал ФМК-П (15 % Cu, 9 % графита, 3 % асбеста, 3 % SiO

6 % барита). Фрикционные материалы изготовляют в виде

нких секторов (сегментов, полос) и крепят на стальной основе

упрочнения).

Широко применяют порошковые материалы для фильтрующих

зделий. Фильтры в виде втулок, труб, пластин из ошков

i, Fe, Ti, Al, коррозионно-стойкой стали, бронзы и других

атериалов с пористостью 45—50 % (размер пор 2—20 мкм)

спользуют для очистки жидкостей и газов от твердых

имесей.

В электротехнике и радиотехнике применяют порошковые

агниты на основе Fe—Ni—Al-сплава (типа алнико) и др. Свойства

орошковых магнитов нередко выше свойств литых

агнитов.

Большое применение в машинах для контактной сварки,

риборах связи получили контакты из порошковых

атериалов. Для этой цели применяют псевдосплавы

гоплавких металлов (W и Мо) с медью (МВ20, МВ40, МВ60,

В80), серебром (СМЗО, СМ60, СМ80, СВЗО, СВ50, СВ85 и др.)

ли с оксидом кадмия (ОК8, ОК12, ОК15) и др. Контакты

личаются высокой прочностью

, электропроводимостью и

ектроэрозионной стойкостью. Токосъемники (щетки)

зготовляют из порошков меди (или серебра) c графитом

глем).

овления специальных

ос

на основе карбидов W, Мо и Zr.

а р к

ния

и малой

те и

стемы Аl—Ζn—Mg—Cu

(П

i, V и других элементов,

ма

а с образованием дисперсных фаз,

уп

е н

одшипников, деталей автоматических передач и других

де

30-1 ...

СП60Н2Д2-2, СП30НЗМ-2, СП40Х-2, СП45Х3-2 и др.),

ма

н 2, , Х

. рк е

ед

ус

еские

ова

думка, 1985. 624 с.

430

нове, дисперсионно-упрочненных материалов на основе Ni,

ΑΙ, Ti и Cr. Методом порошковой металлургии получают

различные материалы

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) применяют тогда, когда

путем литья и обработки давлением трудно получить

соответствующий сплав. Изготовляют САС с особыми

физическими свойств ми. CAG соде жат большое оличество

легирующих элементов (например, САС1: 25—30 % Si, 5—7 % Ni,

остальное Αl). Из САС1 делают детали приборов, работающих в

паре со сталью при температуре 20—200 °С, которые требуют

сочетания низкого коэффициента линейного расшире

плопроводност .

В оптико-механических и других приборах применяют

высокопрочные порошковые сплавы си

В90, ПВ90Т1

И др.). ЭТИ сплавы обладают ВЫСОКИМИ

механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью

резанием и релаксационной стойкостью. Изделия из этих сплавов

подвергают термической обработке по режимам 1 и Т2 (см.

396).

Применяют гранулированные специальные сплавы с высоким

содержанием Fe, Ni, Cо, Μn, Cr, Zr, T

ло растворимых в твердом алюминии. Гранулы — литые

частицы диаметром от десятых долей до нескольких

миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого

металла охлаждаются в воде со скоростью 10

—10

°С/с, что

позволяет получить сильно пересыщенные твердые растворы

переходных элементов в алюминии. При последующих

технологических нагревах (400—450 °С) происходит распад

твердого раствор

рочняющих сплав.

Все более широкое применение получают компактные

материалы (1—3 % пористости) из порошков углеродистой и

легированной стали, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана

для изготовления всевозможных шест ре , кулачков, кранов,

корпусов п

талей машин.

Изготовляют большое количество порошковых

конструкционных (СП10-1 ... СП10-4, СП СП30-4,

СП30Д3-2,

ртенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5М3Т и др.),

коррозион о-стойких (СПХ17Н СПХ18Н15 СП 23Н28 и др.) и

других сталей В ма ировк сталей

добавочно вв ены буква «С»,

которая указывает класс материала — сталь, и буква «П» —

порошковая. Цифра после дефиса показывает плотность стали

в процентах. Стали подвергают термической обработке

Свойства сталей, полученных из п рошков после термической

обработки, во многих случаях тупают свойствам сталей,

полученных обычными металлургическими методами.

Механич

Более подробно см.: Порошковая металлургия: Справочник. Киев: Наук