Огневой В.Я. Машиностроительные материалы
Подождите немного. Документ загружается.
41
беспористые материалы на основе углеродистых сталей подвергают
закалке и отпуску, при этом их твердость возрастает до 55-60 HRC.
Механические свойства металлостеклянного материала железо +
1% графита + 5% стекла приведены в табл. 15.
Таблица 15
Механические свойства материала состава железо + 1% графита +
5% стекла [4]
σ
В
, МПа δ, %
KCU, кДж/м
2
t,
0
С
Исх. ТО Исх. ТО Исх. ТО
-60 380 750 0,3 ... 30 45
20 290 710 1,1 ... 88 100
100 280 600 1,4 0,4 88 100
200 260 650 1,9 0,1 86 100
300 290 610 2,0 1,5 70 65
Примечание:
Исх. - исходное состояние; ТО-закалка+отпуск.
После термической обработки металлическая матрица на основе
углеродистых и легированных сталей имеет микротвердость порядка
5-6 ГПа, стеклянная фаза - 8-12 ГПа, что предопределяет высокую
износостойкость металлостеклянных материалов (табл. 16).
Оптимальные фрикционные и физико-механические свойства
наблюдаются при введении 15-25 об. % стекла.
Одним из применяемых в технике износостойких материалов,
работающих без смазки в вакууме, является
металлостеклянный
материал ПС5ГШ на основе эвтектоидной стали с 15 об. %
стеклянной фазы, внедренной в виде стеклянного порошка. Материал
подвергают термической обработке: закалке с 820-840
0
С в водные
растворы солей и отпуску при 200
0
С в течение 1 часа. Механические
свойства при этом:
σ
В
=580...620 МПа;
σ
И
=1000...1200 МПа;
KCU=100 кДж/м
2
;
δ
=2...3 %; HRC 52...58.
Фрикционные испытания в условиях трения без смазки
показывают, что при отсутствии стекла трущиеся поверхности
42
схватываются, температура в зоне трения превышает 600
0
С,
интенсивность износа возрастает в 20...30 раз.
Таблица 16
Интенсивность износа железостеклянного материала П=23...27%
при р=3 МПа, v=0,25 м/с
l
, мкм/км, при
τ
, ч
Массовая
доля стекла,
%
4 8 12 16 20 24 28 32
0
20 30 47 62 83 98 102 120
1,0
20 30 39 47 62 72 82 94
3,0
6 9 9 17 14 18 26 36
5,0
2 3 7 12 16 20 24 26
7,0
1 3 5 10 14 16 18 20
12,0
8 12 13 14 14 15 18 25
15,0
6 13 31. - - - - -
16,0
18 14 36. - - - - -
17,0
12 20 42. - - - - -
18,0
14 22 46. - - - - -
20,0
16 21 47. - - - - -
Металлостеклянные материалы в 1,5-5 раз дешевле
легированной стали ШХ15, превосходят ее при равной твердости: при
трении без смазки - в 3-11 раз, при работе в абразивной среде - в 1,9-
2,5 раза. Металлостеклянные материалы применяют при изготовлении
тяжелонагруженных узлов трения, работающих при ограниченном
подводе смазки или при ее отсутствии (шестерен, кулачков,
храповиков, уплотнительных колец ходовой
системы трактора, шпуль
ткацких машин, деталей сельхозмашин и др.).
1.2.4. Антифрикционные материалы
Антифрикционные материалы в зависимости от условий работы
должны обладать [6,10,11]:
- хорошей начальной прирабатываемостью в работе, т.е. время,
необходимое для снижения коэффициента трения между
43
подшипником и валом до заданной величины, должно быть
минимальным;
- высокими триботехническими свойствами;
- способностью выдерживать нагрузку, скорость и температуру
без разрушения и изменения формы и качества;
- способностью образовывать самосмазывающиеся или легко
притирающиеся продукты истирания коллоидного характера (пленку),
которые могут сберечь шейку вала от износа даже при затрудненной
смазке;
- меньшей
твердостью, чем у шейки вала, причем твердость
должна снижаться как можно меньше при нагреве;
- высокой теплопроводностью для хорошего отвода теплоты
трения;
- достаточной выносливостью или сопротивлением усталости;
- достаточной вязкостью в случае ударной нагрузки;
- хорошими технологическими свойствами;
- микропористостью или микрокапиллярностью,
способствующими удержанию смазки;
- хорошими антикоррозионными свойствами.
Широкое распространение в
машиностроении получили
пористые материалы, пропитываемые маслом и материалы, в состав
которых специально вводятся твердые смазки типа графита,
дисульфида молибдена и т. д.
1.2.4.1. Материалы на основе железа
Материалы на основе железа являются наиболее
распространенными спеченными антифрикционными материалами.
Введение различных антифрикционных и упрочняющих добавок
позволяет создавать высокоизносостойкие материалы, успешно
конкурирующие с
литыми и спеченными материалами на основе
цветных металлов.
На основе железа разработано большое количество спеченных
антифрикционных материалов: пористое железо, пропитанное
смазкой; железо-графит; железо-медь-графит; сульфидированные
железографитовые материалы; материалы с присадками в качестве
твердых смазок фторидов кальция или бария; пористые материалы
пропитанные свинцом или легкоплавкими сплавами на основе меди
,
44
олова, свинца и других присадок; сульфидированные нержавеющие
стали; сложнолегированные антифрикционные материалы и т. д.
Материалы на основе железа регламентируются ГОСТ 26802 - 86
“Материалы антифрикционные порошковые на основе железа.
Марки.” [12]. В стандарте приведены марки, химический состав,
физико-механические свойства, микроструктура, условия работы и
области применения, соответствие обозначений ранее применявшимся
в нормативно-технической
документации. Для примера ниже
приводится система маркировки данных материалов. В обозначении
марок перед дефисом буквы указывают: П - на принадлежность
материала к порошковому, А - на назначение материала -
антифрикционный. После дефиса следует буквенное обозначение
основы материала и легирующих компонентов: Ж - железо; Д - медь;
О - олово; Г - графит; Х- хром; Н - никель; Ф
- фосфор; Б - бор; К -
сера; Мс - дисульфид молибдена; Цс - сернистый цинк; Л - латунь; М
- молибден. Цифры, стоящие после букв, указывают на содержание
определенного элемента в материалах сходных композиций,
отличающихся процентных содержанием одних и тех же элементов.
(ПА-Ж, ПА-ЖД5, ПА-ЖГр3, ПА-ЖГрДК6, ПА-ЖГрЦсОК и др.)
Пористое железо (ПА-Ж). Это наиболее простой тип материала,
содержащий кроме железа не более 0,3 углерода и при пористости от
17 до 34 % и твердости не менее НВ 200 (МПа), имеющий структуру
феррита и до 20% перлита. При стабильной подаче смазки работает
при давлении до 2,5 МПа и скоростях скольжения 1-2 м/с. С
увеличением скорости скольжения
и в режиме самосмазывания
нагрузка уменьшается до 1,5 МПа, коэффициент трения при этом
0,03-0,06. Введение серы до 0,5% (ПА-ЖК) увеличивает срок службы
и улучшает обрабатываемость материала.
Железографит. Это наиболее распространенный
антифрикционный материал, основные марки которого - ПА-ЖГр,
ПА-ЖГр2, ПА-ЖГр3. Микроструктура - перлит, графит, поры,
допускаются феррит до 40% и включения цементита
до 10%.
Введение графита до 1,5% позволяет использовать материал для
работы в присутствии смазки, подаваемой дополнительно, а также в
режиме самосмазывания. Однако в последнем случае срок службы его
меньше, уменьшаются предельно допустимые нагрузки и скорости
скольжения. При содержании в материале более 1,5% графита и
наличие его в структурно-свободном состоянии антифрикционные
45
свойства материала улучшаются, особенно в условиях
дополнительной подачи смазки (табл. 17).
Антифрикционные свойства материалов этой композиции в
значительной мере зависят от условий работы и присутствия смазки.
При удовлетворительной смазке коэффициент трения их находится в
пределах 0,005-0,09, а при ограниченной смазке - 0,02-0,125.
Критерий pv для таких материалов составляет: в условиях
самосмазывания - 1,6 МПА⋅м/с
; при периодической и скудной смазке
- до 2,5 МПа⋅м/с; при стабильной смазке - до 10 МПа⋅м/с; при смазке
под давлением - до 40 МПа⋅м/с. Предельная скорость скольжения для
железографитовых материалов допускается до 2-3 м/с. Длительность
работы определяется ее условиями и обычно не превышает 3-5 тыс.
часов.
Таблица 17
Свойства антифрикционных
спеченных железографитовых
материалов [4]
Массовая
доля
графита,
%
НВ,
МПа
σ
В,
МПа
КС,
Дж/см
2
р
макс,
МПа
v
макс,
м/с
0,8-1,5
1,5-2,3
2,3-3,0
5,0
7,0
590-1820
540-1275
295-1420
785-960
245-736
180-590
78-348
69-275
226-255
147-186
9,8-29,4
0,6-5,9
2-9,8
6,9-8,9
1,47-5,9
3,9-4,9
3,93
2,9-9,8
14,7
6,87
2-3
2-3
4
4
4
Композиции железо-медь (ПА-ЖД, ПА-ЖД5) и железо-медь-
графит (ПА-ЖГрД, ПА-ЖГр2Д, ПА-ЖГрД5). Присутствие меди
значительно повышает прочность пористого железа, благоприятно
влияет на процесс спекания. Количество вводимой меди колеблется в
широких пределах - от 0,5 до 20% , но для изготовления подшипников
используют преимущественно материалы с содержанием 5-9% меди.
Антифрикционные свойства материалов, содержащих медь, мало
отличаются от свойств пористого железа и железографита, однако они
имеют более высокие физико-механические свойства. Эти материалы
применяют при работе с дополнительным подводом смазки и реже в
46
режиме самосмазывания. Высокие физико-механические свойства
материалов, легированных медью, позволяют применять их в
ответственных узлах трения, где требуется повышенная прочность
подшипников. Такие материалы способны выдерживать статические
нагрузки до 285 МПа. Однако величина pv таких материалов не
превышает 2 МПа⋅м/с при ограниченной смазке. Железомедные
материалы, содержащие более 10% меди, обладают повышенной
коррозионной
стойкостью и по антифрикционным свойствам не
уступают бронзе.
Материалы железо-медь-графит-фосфор с добавлением
сульфидов (ПА-ЖГрДФК, ПА-ЖГрДФМс, ПА-ЖГрДМс и др.).
Легирование железомедьграфитовых материалов фосфором позволяет
значительно повысить их сопротивление пластической деформации
при трении, что уменьшает возможность закупорки поровых каналов
при возможном увеличении нагрузки. Такие материалы способны
работать в присутствии дополнительной смазки при нагрузке до 7,65
МПа и скорости 4 м/с. Хорошими свойствами обладают композиции
на основе железа, содержащие 1,2% С и 0,32-0,4% Р или 0,6% С и
0,9% Р. Такие материалы при пористости 15-20% имеют твердость в
пределах 7,8-9,8 МПа, прочность при разрыве не менее 255 МПа и
относительное удлинение 1,5-1,2%.
Сера положительно влияет
на физико-механические свойства и
структуру железографита и существенно улучшает эксплуатационные
характеристики материала. При работе в масле с обильной смазкой
такие материалы имеют коэффициенты трения 0,009. Сера
существенно влияет на антифрикционные свойства материала также
при введении ее в виде сульфидов. В присутствии сульфида цинка в
железографите образуется структура тонкодисперсного перлита,
обеспечивающая повышение
несущей способности, износостойкости
и прирабатываемости материала. Введение в такие материалы до 1%
олова значительно улучшает их антифрикционные свойства.
Некоторые данные по работе антифрикционных материалов на основе
железа приведены в табл.18.
Наличие сульфидов в материале несколько увеличивает значения
его коэффициента теплового расширения и снижает коррозионную
стойкость в сравнении с железографитом, не содержащим
сульфиды.
Введение сульфидов цинка значительно расширило возможные
области применения железографитовых материалов благодаря
47
достижению более высоких предельных параметров как при работе со
смазками, так и без дополнительной смазки. Срок службы узлов
трения, оснащенных сульфидированными материалами на основе
железа, обычно в несколько раз выше, чем бронз, баббитов, а также
спеченных материалов на основе бронз.
Таблица 18
Параметры работы спеченных антифрикционных
материалов при наличии смазки [4]
Марка
материала
Р,
МПа
V,
м/с
t
,
0
С
τ,
часы
БрОГр 10-4
ПА-Ж
ПА-ЖК
ПА-ЖГр
ПА-ЖГр3
ПА-ЖГрД
ПА-ЖГрК
ПА-ЖГрД3К
ПА-ЖГр2К
ПА-ЖГрЦс *
2,94-3,92
1,96-2,45
1,96-2,94
1,96-3,43
1,96-9,81
4,90-9,81
3,92-5,86
4,90-9,81
3,92-7,87
7,85- 17,66
1-2
1-2
1-2
2-3
2-5
4
4
4-8
5
10
60-80
100
100
150
100
200
100-150
200
200
200
2000-3000
1000-2000
3000-4000
2000
2000-5000
2000-3000
3000
до 5000
3000-5000
300-5000
*
Длительность работы в условиях граничного или сухого трения
составляет менее 100 часов.
Механические свойства ряда антифрикционных порошковых
материалов на основе железа даны в табл. 19 [12].
1.2.4.2. Материалы на основе меди
Материалы на основе меди получили широкое распространение
в связи с их высокими антифрикционными свойствами, коррозионной
стойкостью и высокой электропроводностью. Они применяются в
узлах трения различных машин и механизмов и в электротехнике в
качестве скользящих токосъемных контактов.
48
Таблица 19
Механические свойства антифрикционных материалов
на основе железа [12]
Механические свойства, не менее
Марка
материала
σ
В
, МПа
σ
В
ИЗГ.
МПа
КСU, кДж/м
2
ПА-Ж
ПА-ЖД
ПА-ЖД5
ПА-ЖК
ПА-ЖДК
ПА-ЖГр
ПА-ЖГр2
ПА-ЖГр3
ПА-ЖГрД
ПА-ЖГр2Д
ПА-ЖГрД5
ПА-ЖГрК
ПА-ЖГр2К
ПА-ЖГрДК
ПА-ЖГрДК1
ПА-ЖГрЛ
ПА-ЖГрЦс
ПА-ЖГр3Цс
ПА-ЖГрФК
ПА-ЖГрФ1К
ПА-ЖГрДФК
ПА-ЖГрДФМс
ПА-ЖГрДМс
ПА-ЖГр3М
ПА-ЖФК
ПА-ЖФ1К
ПА-ЖФКМ
85
120
150
120
120
120
100
70
150
150
150
100
100
150
150
300
140
100
180
240
200
200
200
60
150
180
200
130
250
300
170
250
140
110
110
250
200
250
140
150
200
200
-
180
160
-
-
-
200
220
150
-
-
-
30
39
40
-
30
30
20
15
30
25
30
30
20
25
20
150
-
20
70
60
20
20
40
10
70
60
20
49
Это такие материалы, как пористая оловянистая бронза,
легированная пористая бронза (свинцовистая, фосфористая и др.),
бронзографит, ленточные беспористые бронзовые материалы на
стальной подложке, ленточные пористые бронзовые материалы на
стальной подложке с пропиткой пористого слоя пластмассой, медь-
графит и др.
Пористая оловянистая бронза. Обычно содержит от 6 до 12%
олова. Оптимум свойств наблюдается
при его содержании 9-11%.
Пористые бронзы применяют в основном для изготовления
подшипников, работающих в легких условиях, например для
приборов (скорости скольжения менее 1,5 м/с, нагрузки 0,5-1 МПа).
Подшипники, пропитанные после спекания смазкой, могут работать
без дополнительной подачи смазки 300-5000 часов и имеют низкий и
стабильный коэффициент трения (0,01-0,04), низкий уровень шума и
надежно работают в
диапазоне температур от -60 до +120
0
С. При
дополнительной смазке предельная нагрузка для таких подшипников
может быть повышена до 8 МПа при V=1 м/с, с повышением скорости
до 6 м/с нагрузка снижается до 1 МПа.
Из пористой бронзы изготавливают подшипники машин для
обработки пищевых продуктов, текстильных и бытовых машин,
небольших электромоторов, пусковых устройств, часовых
механизмов, насосов для холодной
воды, вентиляторов и др.
Бронзографитовые материалы. В этих материалах графит
играет роль твердой смазки. Содержание его варьируется от 1 до 25%.
Свойства бронзографитовых материалов в зависимости от содержания
графита приведены в табл. 20 и 21.
Таблица 20
Свойства бронзографитовых материалов
Марка
материала
σ
В,
МПа
НВ,
МПа
Р
макс
,
МПа
V
макс,
м/с
f
по стали
БрОГр10-3
БрОГр 9-3
БрОГр 8-4
98
79-147
-
343
177-294
167-490
4
4
4
5-10
5-10
5-10
0,04-0,07
0,04-0,07
0,04-0,07
50
Масловпитываемость этих материалов составляет 2,5-3,5%.
Величина допускаемых давлений для бронзографита в значительной
степени зависит от пористости материала и скорости скольжения. По
показателям pv при работе со смазкой в условиях частых остановок
металлографитовые материалы работают надежнее, чем материалы из
графита. Они хорошо поглощают попадающие на поверхность трения
твердые частицы.
Таблица 21
Влияние
графита на свойства бронзографита БрОГр 10-...
Массовая доля
графита, %
σ
В
,
МПа
σ
СЖ
,
МПа
НВ,
МПа
4
6
8
10
44,7
55,6
41,4
23,4
514
355
245
168
873
785
706
667
Бронзографитовые материалы могут применяться в тех же случаях,
что и пористая бронза, и, кроме того, для изготовления шестерен,
работать в паре с контртелом, имеющим грубую поверхность, в
несмазывающих жидкостях и др. Они заменяют литые бронзы, латуни
и подшипники качения.
Свинцовистая бронза. Материал обладает хорошей
прирабатываемостью и низкой несущей способностью, которая
значительно повышается при нанесении тонкого слоя бронзы на
стальную подложку. Содержание свинца в сплавах может
варьироваться в пределах до 40-60%. Свинец резко снижает
прочность бронзы, поэтому содержание его понижают до 10-20% и
дополнительно вводят до 10% олова. Сплавы, содержащие свинец,
предназначают преимущественно для работы в масле.
Рабочая поверхность свинцовистой бронзы не поглощает
попадающие
на нее твердые частицы. Поэтому требуется или высокая
степень очистки смазочного масла, или нанесение на рабочую
поверхность тонкого слоя сплава свинец-олово или свинец-индий
методом электролиза.