Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

При ВТМО деформация осуществляется вблизи точки А

вследствие достаточной термической активации возникающая

ячеистая субструктура преобразуется в полигонизованную или

частично рекристаллизованную. При таком температурном режиме

диффузионные процессы обеспечивают перераспределение атомов

углерода путем концентрации на дефектах кристаллического

строения. Скопления атомов углерода на субграницах стабилизируют

субструктуру аустенита и способствуют ее более полному

наследованию мартенситом. Следствием этого является

равномерность распределения дислокаций

ввиду протекания

процессов полигонизации и меньшая концентрация углерода в

кристаллической решетке мартенсита, способствующая снижению ее

тетрагональности. Эти факторы обусловливают повышенную

пластичность стали, подвергнутой ВТМО, при высокой ее прочности,

определяемой как указанными структурными изменениями, так и

упрочнением за счет мартенситного превращения.

При НТМО, проводимой обычно при сравнительно низких

температурах (ниже порога рекристаллизации

), процессы

аннигиляции дислокаций протекают со значительно меньшей

интенсивностью и полученная ячеистая субструктура аустенита с

высокой плотностью дислокаций наследуется мартенситом.

Прочность стали, подвергнутой

НТМО, несколько выше, чем после закалки или ВТМО, а

пластичность несколько ниже. Для повышения прочности необходимо

максимально повышать степень деформации, а температуру

деформации как можно более снижать.

Перспективным

методом упрочнения порошковой стали

является предварительная термомеханическая обработка (ПТМО),

включающая холодную пластическую деформацию, промежуточный

отпуск, скоростной нагрев и закалку. После такой обработки наиболее

устойчивые дефекты кристаллического строения, создаваемые при

холодной пластической деформации, сохраняются при протекании

последующих процессов и наследуются мартенситом. При высокой

температуре отпуска (500-600

С) и пониженном содержании углерода

влияние пластической деформации на механические свойства

несущественно. Влияние ПТМО на свойства стали ПК70-7,4 по

сравнению с обычной термической обработкой показано в табл. 10.

Таблица 10

Механические свойства стали ПК70-7,4

после ТО и ПТМО

Механические свойства после:

ТО (З+О) ПТМО при степени деформации, %

15 25 50

отп

МПа

δ,

МПа

δ,

МПа

δ,

МПа

δ,

200

300

400

500

980

1030

770

540

1230

1260

1360

1200

1210

1230

1240

1220

1200

1210

1180

1.2.2. Материалы на основе цветных металлов и сплавов

Порошковые цветные металлы и их сплавы широко применяют

как в машиностроении, так и в приборостроении, электротехнической

промышленности и электронной технике. Как и компактные, эти

материалы обладают высокой тепло- и электропроводностью,

коррозионной стойкостью, немагнитны, хорошо обрабатываются

резанием и давлением. По химическому составу порошковые

цветные

металлы и их сплавы могут быть идентичны компактным, но

известны материалы, производство которых возможно только

методами порошковой металлургии.

Конструкционные порошковые материалы на основе цветных

металлов и сплавов различают по плотности, составу, структуре и

способу производства. Они могут быть пористыми или беспористыми.

Их различают по химсоставу металлической основы, а также

легирующих элементов. По структуре указанные материалы бывают

одно- или двухфазными. Изделия из них получают холодным

прессованием и спеканием, горячим прессованием или горячей

штамповкой.

Марки конструкционных порошковых материалов на основе

цветных металлов и сплавов обозначают сочетанием букв и цифр [4].

Первый буквенный индекс указывает на класс материалов: Ал -

алюминий, Бе – бериллий, Бр - бронза, В - вольфрам, Г - марганец, Д

- медь, Ж - железо, Л - латунь, М - молибден, Мг - магний, Н -

никель, О - олово, П - фосфор, С - кремний, Св - свинец, Ср -

серебро, Т - титан, Ф

- ванадий, Х - хром, Ц - цинк, Цр - цирконий.

Второй буквенный индекс П указывает, что материал получен

методами порошковой металлургии. Следующие после этого индекса

буквы обозначают легирующие элементы, цифры после них - среднее

содержание элемента в процентах (отсутствие цифры означает, что

содержание элемента менее 1%). Число после дефиса отражает группу

плотности

материала.

Основное применение конструкционные материалы на основе

цветных металлов и сплавов (особенно на основе бронзы, латуни и

меди) нашли в узлах трения. Химический состав и механические

свойства некоторых материалов представлены в табл. 11 и 12.

П р и м е р ы у с л о в н ы х о б

о з н а ч е н и й:

порошковый конструкционный материал на основе алюминия

третьей группы плотности, т.е. пористость от 9 до 2% (табл. 3) –

АлП-3;

порошковый конструкционный материал на основе бронзы,

легированный 10% олова и 3% цинка, четвертой группы плотности

(пористость ≤ 2%) –

БрПО10Ц3-4;

порошковый конструкционный материал на основе латуни Л

59,

легированной свинцом до одного процента, второй группы плотности

(пористость от 15 до 10%) –

ЛП59Св-2.

Таблица 11

Химический состав некоторых порошковых конструкционных

материалов на основе цветных металлов и сплавов

Марка материала Основа Легирующие элементы, % по массе

АлП-3

АлПД2-4

АлПЖ12-4

АлПМг2Д2Ц11-4

БеП-4

БрПО10Ц3-4

ВП-4

ЛП59-4

ЛП80-4

ТПАл4МФ-4

Алюминий

---//---

Бериллий

Бронза

Вольфрам

Латунь

---//---

Титан

Нет

1,5-2,5Cu; 0.3-0.6Mg; 0.3-0.7Mn

11.8-12.8Fe; 0.3-0.7Mn

1.8-2.2Cu; 1.5-2.5Mg; 10.6-11.8Zn

Нет

9.5-10.5Sn; 2.5-3.2Zn

Нет

3,8-4,4Al; 2.8-3.5Mo; 0.2-0.5V

Таблица 12

Механические свойства порошковых конструкционных

материалов на основе цветных металлов и сплавов без ТО

Марка

материала

, МПа

не менее

δ,%

не менее

КСU,

кДж/м2

не менее

НВ,

МПа

АлП-3

АлПД2-4

АлПЖ12-4

АлПМг2Д2Ц11-4

БеП-4

БрПО10Ц3-4

ВП-4

ЛП59-4

ЛП80-4

ТПАл4МФ-4

120

180

350

830

200

300

650

260

250

500

350

100

150

500

300

120

250-300

350-400

250-300

1900-2200

1200-1800

900-1100

2500-3000

650-750

700-850

2000-2200

1.2.3. Износостойкие материалы.

Основными требованиями, которые предъявляются к материалам

износостойких изделий, являются высокие прочность, пластичность,

износостойкость и умеренный коэффициент трения [6,7,8,9]. Эти

свойства позволяют обеспечить надежную эксплуатацию (без

схватывания) тяжелонагруженных узлов трения при работе без смазки

или ограниченном ее подводе. Основным условием надежной работы

износостойких материалов является исключение макросхватывания

поверхностей трущихся тел, которое приводит

к интенсивному

износу.

Высокие значения физико-механических свойств порошковых

конструкционных износостойких материалов достигаются при

высокой относительной плотности изделий (практически

беспористых) рациональным легированием и термической или

термомеханической обработкой. Эффективным средством повышения

износостойкости этих материалов является введение

противозадирных добавок. Обычно это тугоплавкие или

интерметаллические соединения (карбиды, бориды, алюминиды,

силициды), оксиды, стекло. Реже

в состав этих материалов вводят

твердые смазки (графит,сульфиды, селениды) или легкоплавкие

металлы.

К основным принципам создания порошковых износостойких

материалов относятся следующие:

- структура материала должна быть гетерогенной и состоять из

твердых зерен, равномерно распределенных в упругопластической

матрице. В этом случае приложенная нагрузка действует в основном

на включения твердой фазы,

а в матрице происходит релаксация

напряжений;

- структура материала не должна существенно изменяться в

процессе трения или должна перестраиваться в структуру, выгодную с

точки зрения трения и износа;

- поверхностный слой трущихся материалов должен иметь

меньшую прочность, чем нижележащие слои (правило

положительного градиента);

- поверхностный слой не должен наклепываться в процесс

трения;

- под влиянием окружающей среды в материале не должны

происходить структурные изменения, ухудшение характеристик

прочности и пластичности;

- в состав материала рекомендуется вводить вещества,

способные работать в качестве твердых смазок;

- между структурными составляющими материала должна

существовать адгезионная связь;

- противозадирные добавки не должны значительно

снижать прочность материала;

- коэффициент трения твердых включений между собой и по

материалу матрицы должен быть минимальным.

Макрогетерогенную структуру можно создать введением

противозадирных (антисхватывающих

) добавок в металлическую

матрицу, содержание которых обычно составляет более 15-25

объемных %, а также применением режимов спекания, при которых

не успевает произойти гомогенизация материала. Порошковые

износостойкие материалы должны быть плотными (П ≤ 10 %). Они

могут быть получены двойным прессованием и спеканием прессовок,

либо горячим прессованием, либо горячей штамповкой, либо

пропиткой более тугоплавкой металлической

заготовки

неметаллическим расплавом и т. д.

Материалы с неравновесной грубогетерогенной структурой,

формируемой в процессе спекания, представляют собой прочную и

пластичную металлическую матрицу и равномерно распределенные в

ней твердые включения оксидов, тугоплавких соединений или

интерметаллидов в количестве 15-20 об. %. Такая гетерогенная

структура позволяет исключить макросхватывание и повысить

износостойкость материалов. В процессе трения

изделий из этих

материалов возможны следующие случаи контактов: металл - металл

(М-М), металл - твердое включение (М-ТВ), твердое включение -

твердое включение (ТВ-ТВ). Первый (М-М) случай характеризуется

схватыванием контактирующих поверхностей, интенсивным износом

и высоким коэффициентом трения. Второй (М-ТВ) и третий (ТВ-ТВ)

случаи контактов обычно не сопровождаются схватыванием

. Поэтому

лавинообразное микросхватывание (до сваривания), имеющее место

при трении металлических поверхностей, в грубогетерогенных

поверхностях превращается в микросхватывание, соответствующее

моменту образования большинства металлических контактов. В

следующий момент времени они прерываются контактами М-ТВ и

ТВ-ТВ.

Интенсивность износа и коэффициент трения в первую очередь

определяются параметрами микросхватывания между трущимися

поверхностями. Максимальные значения коэффициента трения

наблюдаются при трении одноименных металлов с ОЦК или ГЦК

кристаллической решеткой, а также разноименных металлов с

высокой растворимостью в твердом состоянии или образующих

интерметаллические соединения. Пониженные значения

коэффициента трения имеют место у

металлов с гексагональной

плотноупакованной кристаллической решеткой; твердых металлов, не

образующих сплавов; а также у материалов с хорошо выраженной

гетерогенной структурой (типа бронз, чугунов, закаленных сталей).

Сравнительно невысокие значения коэффициентов трения

наблюдаются при трении пар типа неметалл (оксид, керамика, стекло)

- металл. Не наблюдается схватывания при трении пар стекло-стекло

или тугоплавкое

соединение.

Примером таких материалов является спеченная

конструкционная хромистая сталь марки ПЖЧ25Х3, более

износостойкая, чем сталь ШХ15. Физико-механические и

фрикционные характеристики стали ПЖЧ25Х3 приведены в таблице

13.

Созданная как аналог (по химическому составу) стали ШХ15,

спеченная сталь ПЖЧ20Х3 обладает большей износостойкостью,

несмотря на то, что имеет пористость 10-12% и

уступает ей по

прочности и твердости. Испытания в режиме граничного трения со

сталью Р9 при скорости 2,5 м/с и давлении 3,4 МПа показали, что

материал ПЖЧ20Х3 по износостойкости превосходит сталь ШХ15 в 5

раз. Промышленное применение порошковых деталей масляного

насоса кузнечно-прессового оборудования, изготовленных из стали

ПЖЧ20Х3, позволило повысить ресурс

масляного насоса с 3000 до

12000 часов [6].

Высокой прочностью и износостойкостью обладают

порошковые материалы на основе железа, содержащие карбид бора

(табл. 14).

Таблица 13

Физико-механические и фрикционные характеристики стали

ПЖЧ25Х3 [6]

, г/см

Микрост-

руктура

после

закалки

и отпуска

МПа

δ,

КСU,

кДж/м

НRC

Износ,

мкм/мм,

КТ-Р9,

V=2,5 м/с,

р=3,4МПа

6,8-7,0

Мартенсит,

тростит и

тростомар-

тенсит, хро

мистые вк-

лючения

250-300

1,4-1,5

120-140

40-45

0,05

7,5-7,65

То же

600

1,5

150

50-57

...

Таблица 14

Физико-механические свойства и износостойкость материалов

железо-карбид бора [6]

сп,

Массовая доля

карбида бора,

НВ, МПа

изгиба,

МПа

Повышение из-

носостойкости

по отношению

к стали

1100

1200

0,5

1,0

0,5

1,0

1100

1400

1300

1600

650

700

650

680

3,0

3,4

3,3

3,6

При спекании изделий из этих материалов (обычно в течение 2

ч) образуется жидкая фаза, активирующая усадку. После спекания

порошковые материалы имеют доэвтектоидную мелкозернистую

структуру перлита или феррито-перлита с карборидами железа, а

также расположенную по границам зерен эвтектику. Легированная

матрица и дисперсные твердые включения сложных карбидов и

боридов обеспечивают повышенную прочность и износостойкость

материалов.Повышенной износостойкостью характеризуются

материалы типа железо-феррохром, железо-ферромарганец, железо-

ферротитан, железо-карбид титана.

Высокой работоспособностью при высоких температурах

обладают износостойкие материалы на основе никеля или кобальта,

содержащих в качестве противозадирных добавок оксид магния MgO

или муллит 3Al

•2SiO

. Материалы получают холодным

прессованием и спеканием в аргоне при 1380-1400

С в течение 12 ч.

При трении по стеллиту при 600

С и V= 0,89 м/с f=0,09, I=5...6

мкм/км. Весьма износостойким при высоких температурах является

материал, содержащий 40-65 % молибдена, 1-19 % вольфрама, 20-55

% кремния и 5-20 % оксидов циркония, цинка или хрома.

Ярко выраженной гетерогенной структурой и высокой

твердостью обладают твердые сплавы, чем объясняется их высокая

износостойкость в условиях абразивного износа.

Из смесей порошков высшего карбида хрома и 5-30

мас. %

никеля (материал КХН) или никель-фосфорного сплава (материал

КХНФ) прессованием и последующим спеканием в среде водорода

или вакууме при 1150-1300

С изготовляют карбидохромовые сплавы.

Их рекомендуется использовать при изготовлении фильер, матриц,

оправок для протягивания металлов и сплавов, калибровочного и

измерительного инструмента, пресс-форм. Стойкость против

истирания у карбидохромовых твердых сплавов, например,

превышают эту стойкость у быстрорежущих сталей в 20 - 40 раз, а в

некоторых случаях и в 100 раз.

Металлостеклянные материалы - порошковые материалы,

полученные из смеси порошков металла и стекла. Изделия из них

получают холодным прессованием шихты с последующим спеканием

заготовок, горячим статическим прессованием или горячей

штамповкой заготовок, пропиткой расплавленным стеклом пористых

металлических заготовок. Стеклянную компоненту представляют

порошки тарного, оконного, кварцевого, термостойкого,

электровакуумного и других стекол, полученных измельчением в

различных мельницах или аттриторах.

Стекла являются аморфными, метастабильными и изотропными

веществами. Характерная особенность стеклянного расплава –

возрастание вязкости при понижении температуры, причем процесс

твердения идет без образования новой фазы. Структура представляет

собой скопление чрезвычайно мелких (1,2-1,5 нм), значительно

деформированных кристаллов или кристаллитов, центральная часть

которых

имеет структуру, близкую к кристаллической, а

периферийная - аморфную.

При спекании порошковых материалов на границе раздела

твердой металлической и жидкой стеклянной фаз происходит

взаимодействие свободного кремнезема с оксидами металла.

Расплавленное стекло хорошо смачивает все металлы при наличии на

их поверхности пленки оксидов при достижении температуры,

достаточной для взаимодействия оксидов и кремнезема

расплава,

которая обычно ниже температуры плавления основного металла.

Последняя должна существенно превышать температуру жидкого

расплава. При соединении размягченного стекла с поверхностью

окисленного металла оксиды растворяются в стекле и образуются

комплексные соединения (силикаты). При удалении оксидов с

поверхности металла смачивания стеклом не наблюдается.

Металлостеклянные материалы имеют ярко выраженную

гетерогенную структуру - металлическую

матрицу и равномерно

распределенные стеклянные включения. Структура металлической

матрицы аналогична структуре материалов, не содержащих

стеклянную фазу (при их одинаковом химическом составе и

технологии получения). Стеклянные частицы в процессе спекания или

нагрева под штамповку изменяют свою форму с осколочной на более

округлую, их средний размер возрастает с 1-10 до 20-60 мкм.

В пористых

металлостеклянных материалах стеклянная фаза

снижает прочность, пластичность и упругость: в этом случае

механические свойства определяются соответствующими

механическими характеристиками спеченного металлического

каркаса. При получении беспористых металлостеклянных материалов

стеклянная фаза ситаллизируется и повышает общую прочность

материала по сравнению с пористыми. Металлостеклянные