Огневой В.Я. Машиностроительные материалы

Подождите немного. Документ загружается.

Сложнолегированные бронзы. Свойства бронзы и

бронзографита могут быть значительно улучшены легированием

титаном, никелем, свинцом, цинком, кобальтом, железом, алюминием,

а также введением веществ, играющих роль твердых смазок.

Дальнейшее улучшение свойств бронз может быть обеспечено

введением присадок, вызывающих старение материала после закалки

и отпуска.

Применяют материал на основе оловянной бронзы с

добавками

графита и 2% свинца. Некоторые типы специальных бронз на основе

меди содержат 2,4% Ni, 0,8% Si, 0,3% Р. После закалки в воде от 850

С и старения при 450

С этот материал имеет при пористости 12%

~340 МПа, удлинение около 1% и HRB 35-40. Подшипники из

этого материала могут работать при Р=15,7 МПа и V=9,4 м/с (РV=147

МПа⋅м/с).

Материал, содержащий 0,2% Р, 3% Zn, 3% Ni, применяют при

тяжелых условиях работы. Обычно для работы в таких условиях

прибегают к комплексному легированию основы и рекомендуют

заменять традиционные легирующие присадки (олово, свинец,

графит) никелем, железом

, молибденом, ванадием, хромом и

вольфрамом. При введении хрома в состав материала добавляют

фосфор (0,1-3,0%), при введении никеля - графит. К числу вводимых в

оловянистые бронзы элементов относятся также серебро, бор, цинк,

алюминий, висмут и др.

Спеченные латуни. Применяют для изготовления

подшипников, работающих со смазкой, при режимах работы,

применяемых для бронзовых подшипников.

В латуни в некоторых

случаях вводят дополнительно до 1,5% свинца и 0,25-0,8% фосфора.

Меднографитовые материалы. Применяют в основном для

изготовления неподвижных электроконтактов, радиальных

уплотнений и электрощеток. В меднографитовых материалах медь

обеспечивает высокую электропроводность, а графит в основном

повышает износостойкость и регулирует контактное сопротивление.

Содержание графита в зависимости от назначения материала

колеблется от

нескольких процентов до 75%. Для улучшения свойств

щеточных материалов добавляют олово, свинец, цинк.

Материалы, содержащие твердые смазки. Введение веществ,

играющих роль твердой смазки, таких как: сульфиды, селениды,

фториды металлов; легкоплавкие металлы; не только направлено на

улучшение свойств бронз и сплавов на основе меди, но и зависит от

функционального назначения сплавов. Так, добавление до 20%

дисульфида вольфрама в медь или в сплав меди с 10% олова, а также с

добавками никеля позволяет получать самосмазывающийся материал

с низкими значениями коэффициента трения и износа при трении, как

в воздушной среде,

так и в вакууме при температурах до 400-600

С. В

условиях повышенных температур хорошей самосмазывающей

способностью обладает также материал на основе меди, содержащей

9-18% железа и 10-14% фтористых кальция, скандия или бария.

Весьма перспективны самосмазывающиеся порошковые

материалы, содержащие твердые смазки типа дихалькогенидов

тугоплавких металлов (табл. 22,23).

Таблица 22

Физико-механические свойства порошковых материалов с

твердыми смазками [4]

Марка

материала

Металлич.

основа

Твердая

смазка

γ,

г/см

НВ

2,5(62,5)30,

МПа

СЖ

МПа

ВАМК-24

ВАМК-25

ВАМК-26

ВАМК-27

ВАМК-28

Co - Ag

Ni - Mo

Бронза

Co - Ag

MoS

WSe

, Pb

WSe

, Pb

WSe

7,4

8,0

8,5

7,7

1500-1900

1000-1300

1000-1400

1000-1250

850-1000

200

240

210

170

800

700

400

500

Твердые смазки сохраняют смазочную способность до температур

разложения, обеспечивая эффективное функционирование изделий

при повышенных температурах, нагрузках и скоростях, работе в

вакууме и различных газовых средах. Для снижения интенсивности

взаимодействия металлической основы и твердых смазок

рекомендуется легировать матрицу, например: медь - никелем, бронзу

- свинцом, никель - молибденом, кобальт – серебром.

Фрикционные и прочностные характеристики

, а также

результаты стендовых испытаний деталей зубчатых зацеплений из

некоторых материалов с твердой смазкой приведены в табл.22,23. В

качестве контртела (КТ) использована сталь 40Х13 при давлении

порядка 10-30 МПа, коэффициент трения качения составляет 0,020-

0,028, что в 5-10 раз меньше, чем при скольжении.

Таблица 23

Результаты стендовых испытаний зубчатых зацеплений из

материалов типа ВАМК [4]

Условия эксплуатации или испытаний

τ, ч

Марка

материала

Среда

Темпер

КОНТ

МПа

м/с

испыт. экспл.

ВАМК-24

ВАМК-25

ВАМК-26

Вакуум

воздух

Вакуум

От +45

до -25

600

От +30

до -30

200

500

1000

0,1

0,5

0,2

0,1

500

100

500

3000

500

Введение смазок в порошковое изделие осуществляется либо в

виде порошка в исходную шихту, либо в поры изделия после спекания

[4]. Как правило, методы введения должны обеспечить их присутствие

в поверхностных рабочих и приповерхностных слоях. Но ряд смазок

влияют на объемные свойства материала. Это, прежде всего, графит в

железографитовых композициях, который

в ряде случаев должен

упрочнять материал за счет растворения в железе и образования более

прочной перлитной структуры. Поэтому графит присутствует обычно

во всем объеме изделия и его вносят непосредственно в шихту.

Положительно влияют на объемные свойства изделия также вводимые

в шихту твердые смазки: дисульфид молибдена, сернистый цинк, сера

и некоторые другие

добавки.

Достаточно распространенным методом введения серы является

пропитка серой спеченного изделия при 120-130

С с последующим

отжигом при температуре 300-450

С в течение 40-60 мин., что

обеспечивает образование сульфидов.

Минеральные жидкие смазки обычно вводят в поры изделий

после спекания погружением в нагретое до 100-120

С масло на 2-4

часа. При пористости 25-30% количество впитываемого масла в этом

случае составляет 3-3,5% по массе.

Особое место занимают полимерные антифрикционные

материалы (АПМ). Данные по ним приведены в разделе 4.2.3.

1.2.5. Фрикционные материалы

Фрикционные материалы, в противоположность

антифрикционным должны в первую очередь обеспечивать

задаваемый коэффициент трения в конкретный момент

взаимодействия с контртелом. В машиностроении фрикционные

материалы в основном используются в узлах трения покоя с

частичным проскальзыванием

контактирующих элементов -

фрикционные муфты, тормоза и др. Коэффициент трения во время

работы данных узлов является переменным и зависит от многих

факторов: используемых материалов, конструкции узла трения, темпа

и частоты включения (торможения) и т. д. [8,9,11].

В муфтах сцепления оптимальным коэффициентом трения

является f=0,3...0,4. В муфтах сцепления ведущие элементы обычно

изготавливают из

более жестких элементов и пластическая

деформация их поверхностных слоев гораздо ниже, чем у ведомых.

Причем касание ведущего диска ведомых элементов происходит, как

правило, не по всей поверхности ведомого элемента, а в некоторых

точках касания, что приводит к неравномерному нагреву ведомого

элемента. Следовательно, для сохранения стабильным коэффициента

трения необходимо обеспечить интенсивный отвод

тепла из таких

участков и также с поверхности трения, т.е. для ведомых элементов

необходимо применять материалы с хорошей теплопроводностью.

Для этих целей в ряде случаев в состав материала вводится

металлическая стружка. К фрикционным накладкам муфт сцепления

предъявляется еще ряд требований: способность не размягчаться в

пределах рабочих температур, минимальное коробление

под

действием температур, высокое сопротивление заеданию и т.д.

К фрикционным материалам в тормозах предъявляют несколько

иные требования. Принципиальной разницы при выборе материалов

муфт сцепления и тормозов не существует, однако она определяется

различной энергетической нагруженностью данных узлов: тормоза

более нагружены. В подавляющем большинстве случаев в тормозах

подвижные элементы изготавливают более

твердыми и

износостойкими, чем неподвижные фрикционные элементы, износ

которых выше. Следовательно, фрикционные материалы должны:

быть тепло- и термостойкими, выдерживать достаточно большое

число нагреваний и охлаждений без значительного растрескивания и

коробления, обладать высоким сопротивлением к схватыванию в

холодном и нагретом состояниях, иметь высокую маслостойкость, не

допускать при торможении возникновения автоколебаний, иметь

высокое сопротивление к налипанию на контртело. Кроме того,

при

работе тормозов недопустимо возникновение шумов, особенно

высокочастотных, которые обусловливают такие дефекты, как “писк

тормозов”.

Следовательно, создание материалов для фрикционных

элементов является сложнейшей технической задачей. В настоящее

время в машиностроении применяются следующие группы

фрикционных материалов: органические (дерево, кожа, пробка,

войлок), металлические (чугун, стали и др.), полимерные (ФПМ),

спеченные (порошковые

) материалы. Наиболее отвечают

современным требованиям к фрикционным материалам две последние

группы: полимерные и спеченные материалы. Они и будут

рассмотрены далее.

Порошковая металлургия позволила создать новый класс

фрикционных материалов, отличающийся от традиционных

повышенными коэффициентом трения, износостойкостью и

теплостойкостью, что позволило применять эти материалы в узлах

трения с тяжелыми режимами работы: при

объемной температуре до

1000

С, а температуре поверхностей трения более 1000

С.

Основными типами спеченных фрикционных материалов

являются материалы на железной и медной основе. Первые обычно

применяются для тяжелых и самых тяжелых условий работы и, как

правило, используются в условиях сухого трения. Материалы на

медной основе предназначены для работы в более легких условиях и

применяются как при сухом трении, так и

при работе с жидкостной

смазкой. Наибольшее распространение в машиностроении получили

металлокерамические фрикционные материалы МК-5, ФАБ, ФМК-8,

ФМК-11, МКВ-50А, СМК-80 и ряд других.

МК-5. Состав, %: Sn-9, Pb-9, Fe-4, графит-7, Cu-остальное.

Применяется для дисков гидротрансмиссий автомобилей, тракторов,

тепловозов и других машин.

ФАБ. Состав, %: Cu-69, Pb-8, графит-9, Fe-5, Al-11.

ФМК-11. Состав, %: Cu-15,графит-9, SiO

-3, BaSO

-6, асбест-3,

Fe-64. Предназначен для работы в тяжелонагруженных колесных

дисковых тормозах.

МКВ-50А. Состав, %: Fe-64, Cu-10, графит-8, асбест-3, карбид

кремния-5, карбид бора-5. Предназначен для работы в

тяжелонагруженных дисковых тормозах, отличается относительно

высокой стабильностью механических свойств при температурах до

600

С.

СМК-80. Состав, %: Fe-48, Cu-23, Mn-7, дисульфид молибдена-

2, нитрид бора-6,5, карбиды бора и кремния-10,5. Отличается

высокими фрикционными свойствами при работе в тяжелых условиях.

Некоторые данные о свойствах спеченных фрикционных

материалов приведены в табл. 24.

Таблица 24

Свойства спеченных фрикционных материалов [4,11]

Марка

материала

γ,

г/см

НВ,

МПа

СЖ

МПа

МК-5

ФАБ

ФМК-8

ФМК-11

МКВ-50А

СМК-80

5,6-6,3

6,0-7,3

7,0

6,0

5,0

5,9

150-450

600-1000

600-850

800-1000

1000

850-950

20-40

90-100

55-65

30-40

40-50

250-280

400-500

450-500

300-350

150-210

150-250

0,16-0,32

0,21

0,29

0,36

1.3. Порошковые инструментальные материалы

1.3.1. Быстрорежущие стали

К инструменту предъявляются требования высокой прочности,

износостойкости и теплостойкости. Для достижения необходимых

свойств у инструментальных сталей методами порошковой

металлургии нужно применять сложную и дорогостоящую

технологию.

Поэтому в машиностроении, как правило, применяют

инструментальные стали, полученные традиционной

металлургической технологией.

Хотя, как исключение, можно привести быстрорежущие стали.

Порошковые быстрорежущие стали

имеют перед сталями обычной

металлургической технологии целый ряд преимуществ, главными из

которых являются пониженная склонность к росту зерна, равномерное

распределение и высокая дисперсность карбидной фазы, повышенная

шлифуемость, более высокий уровень механических и

эксплуатационных характеристик.

Основными технологическими процессами получения

быстрорежущих порошковых сталей являются: горячее

изостатическое прессование с обязательной последующей горячей

ковкой

или прокаткой заготовок (ГИП), динамическое горячее

прессование (ДГП) и горячая экструзия. Причем во всех случаях

обработка порошковой смеси производится в контейнерах из

малоуглеродистой стали, которые после засыпки порошка

дегазируются в вакууме при температуре до 900

С и завариваются.

Микроструктура порошковой быстрорежущей стали,

полученной указанными методами, характеризуется высокой

дисперсностью и однородностью распределения карбидной фазы, что

недостижимо в металле обычной металлургической технологии.

Средний размер карбидов составляет 0,6-0,8 мкм, а максимальный не

превышает 2-3 мкм. Мелкие равномерно распределенные карбиды

снижают склонность порошковой быстрорежущей стали к росту

зерна. При правильно выбранном режиме

закалки зерно аустенита

получается не крупнее № 11-12 по ГОСТ 5639-82.

По литературным данным [3] стойкость инструмента из

порошковой быстрорежущей стали в 1,5-3 раза выше, чем у

инструмента из той же стали обычной выплавки. Наибольший эффект

достигается при резании труднообрабатываемых материалов.

Вместе с тем одним из основных условий получения

высококачественной порошковой быстрорежущей стали является

высокое качество исходного порошка, что в комплексе со сложной и

дорогостоящей технологией позволяет предположить, что

эффективное применение порошковые быстрорежущие стали может

быть в

случае изготовления инструмента на специализированных

заводах.

Для сравнения в табл. 25 приведены данные по быстрорежущей

стали 10Р6М5К5, полученной различными методами.

Таблица 25

Свойства стали 10Р6М5К5, полученной различными методами [4]

Метод

изготовления

стали

г/см

Балл

зерна

аустенита

и,

МПа

KCU

кДж/м3

НRC

Горячее изостати-

ческое прессова-

ние + ковка

Горячая экструзия

Обычная

технология

8,175-

8,180

8,170-

8,180

8,156-

8,170

11-12

10-12

9-10

3000-4000

2650-3580

2100-3000

250-300

110-170

50-180

67-69

1.3.2. Металло - и минералокерамические материалы

1.3.2.1. Твердые сплавы

Твердые сплавы представляют собой металлокерамические

гетерогенные материалы, состоящие из зерен высокотвердых

тугоплавких соединений (карбидов, реже нитридов или боридов

переходных металлов), объединенных пластичным металлом-связкой,

при содержании тугоплавкой фазы более 50% по объему. В качестве

тугоплавкой фазы твердых сплавов наиболее широко используются

карбиды вольфрама, титана, тантала, хрома или их сочетания, а в

качестве связующего – металлические кобальт, никель, реже железо и

их сплавы.

Современные твердые сплавы получают только лишь методами

порошковой металлургии, в основном прессованием и спеканием

жидкой фазе. После спекания структура твердых сплавов состоит из

частиц твердых фаз, скрепленных связующей их пластичной

металлической фазой малой толщины (~1 нм). По последним

воззрениям структура сплавов представляет собой как бы два

вставленных один в другой и тонко переплетенных каркаса -

карбидный и металлический. Отсюда высокие прочность, твердость и

красностойкость, что

и определило применение твердых сплавов в

основном для обработки резанием.

Для повышения механических свойств твердых сплавов в ряде

случаев используют другие технологические варианты получения

сплавов, сводящиеся к объединению прессования и спекания в

процессе горячего спекания, либо к горячему прессованию

предварительно спрессованных, а иногда и спеченных заготовок.

Краткая характеристика основных технологических

процессов и

технологических операций получения твердых сплавов приведена в

табл. 26.

В машиностроении применяются в основном

карбидовольфрамовые (WC-Co), титановольфрамовые ( WC-TiC-Co),

титанотанталовольфрамовые (WC-TiC-TaC-Co) и безвольфрамовые

твердые сплавы. Вольфрамовые обозначаются буквами ВК с

прибавлением цифры, обозначающей содержание кобальта в

процентах, например ВК6. Титановольфрамовые твердые сплавы

обозначаются буквами ТК, цифры после букв обозначают содержание

соответственно TiC и Со в процентах. Так марка Т15К6 обозначает

сплав типа WC-TiC-Co, содержащий 15% TiC, 6% Со, остальное WC.

В обозначение титанотанталовольфрамовых сплавов входят три буквы

- ТТК; например ТТ4К10 - где 4% TiC, 1% ТаС, 10% Со и остальное

WC.

Таблица 26

Основные технологические процессы и операции получения

иделий из твердых сплавов [4]

Технологические

процессы

Технологические операции

Подготовка

исходных

материалов

Смешивание

Формование и

последующее

Спекание

Горячее

прессование

Горячее

изостатическое

прессование

1. Получение карбидов:

а) вольфрама – синтезом из смеси вольфрама

и сажи;

б) титана – восстановлением диоксида титана

сажей;

в) получение твердых растворов карбидов

2. Размол карбидов и рассев порошков

3. Получение порошков металлов

4. Протирка порошков металлов

5. Приготовление смесей порошков карбидов и

металлов

6. Сушка смесей

7. Смешивание с пластификатором

8. Сушка и грануляция

9. Формование

10. Предварительное спекание

11. Механическая обработка

12. Окончательное спекание

13. Механическая обработка

14. Нанесение износостойких покрытий

9, 12. Горячее прессование в графитовых

пресс-формах

13. Механическая обработка

9. Гидростатическое прессование

10. Предварительное спекание

12. Горячее прессование в газостате

13. Механическая обработка