Спеченные порошковые материалы

Спеченные антифрикционные материалы применяются при изготовлении подшипников скольжения, работающих в условиях трения. Работоспособность таких подшипников находится в прямой зависимости от скорости скольжения, нагрузки и режимов эксплуатации. Они должны обладать высокими антифрикционными свойствами, характеризующимися самосмазываемостью, хорошей прирабатываемостью, износостойкостью и прочностью. Долгое время материалами подшипников скольжения являлись литые материалы на основе меди (например, оловянистые бронзы). Однако они дороги и не всегда соответствуют эксплуатационным характеристикам современных машин и механизмов.

В настоящее время существует большое количество спеченных антифрикционных материалов, которые нашли широкое применение в изделиях общего машиностроения, работающих в обычных условиях, и в изделиях специального назначения, эксплуатируемых в сложных условиях. Большое распространение получили подшипники скольжения на основе железа и меди, изготавливаемые по традиционной технологии и на стандартном оборудовании процессов порошковой металлургии. Довольно широко применяются также антифрикционные материалы на основе углерода.

Антифрикционными спеченными материалами на основе железа

Наиболее распространенными антифрикционными спеченными материалами на основе железа являются:

• пористое железо;
• железографитовые материалы.

Пористое железо

Пористое железо является самым простым типом антифрикционного материала, свойства которого приведены в таблице 1. Технология получения пористого железа состоит в прессовании порошкового железа, спекании, пропитки маслом и калибровании.

Таблица 1 – Свойства пористого железа

Пропитка машинным маслом изделий является важным технологическим процессом, повышающим триботехнические свойства пористых антифрикционных материалов. Пропитку проводят погружением и некоторой выдержкой пористого изделия в нагретую до 80 – 120 °С масляную ванну с последующим охлаждением в холодном масле. Хорошие результаты дает пропитка в вакууме, при которой происходит наиболее полное заполнение пор маслом. При пропитке в вакууме содержание масла в изделиях увеличивается по сравнению с обычной пропиткой на 25 – 27%, а продолжительность операции сокращается в 8 – 10 раз. Улучшение пропитки маслом даёт применение ультразвуковой обработки, которая обеспечивает скорость пропитки в несколько раз большую, чем во всех применяемых в настоящее время способах.

Качество пропитки оценивают по массовой и объёмной масловпитывамостью и коэффициентом заполнения пор маслом, которые определяются по формулам:

M_мас. = (m₂ - m₁)⁄m₁·100%;

M_об. = М_мас.⁄a_м;

К_об. = m_м·10⁴⁄(a_м·V·П), где

• M_мас. – массовая масловпитываемость;
• M_об. – объёмная масловпитываемость;
• К – коэффициент заполнения пор маслом;
• m₁ и m₂ – масса изделия до и после пропитки маслом; 2m
• a_м – плотность масла;
• m_м – масса масла в изделии;
• V – объём изделия;
• П – пористость изделия (обычно 10 – 30%).

Наличие пор создаёт постоянный резервуар масла, которое обеспечивает низкий коэффициент трения. Способность пористых подшипников самосмазываться позволяет в ряде случаев отказаться от подвода масла извне, что очень важно для труднодоступных узлов машин, а также в тех случаях, когда попадание смазки от масленок и трубопроводов на продукцию производства недопустимо (пищевая, фармацевтическая продукция).

Железографитовые материалы

Железографитовые материалы нашли широкое применение в машиностроительной и металлургической промышленности, электрической и сельскохозяйственной отраслях для изготовления деталей, работающих в узлах трения.

Основными компонентами железографитовых материалов являются железный порошок, графит и в небольших количествах медь, сера и фосфор. В железографитовых материалах находится от 1 до 4% графита. Графит в этих материалах выполняет двойную роль. Растворившийся в процессе получения деталей графит увеличивает прочность металлической основы, а нерастворившейся – играет роль твердой смазки.

Технология изготовления железографитовых материалов включает традиционные для порошковой металлургии операции. Это приготовление шихты механическим смешиванием исходных компонентов, прессование, спекание и дополнительная обработка (пропитка маслом, калибрование и др.). Давление прессования выбирается в зависимости от заданной остаточной пористости, качества порошка, величины навески. Спекание изделий проводится в защитной атмосфере или в вакууме в интервале температур 1000 – 1150 °С. В качестве защитной атмосферы применяют водород, диссоциированный аммиак, конвертированный природный газ.

Железографитовые материалы имеют перлитно-ферритную структуру. Соотношение структурных составляющих (феррита и перлита) влияет на эксплуатационные свойства железографитовых материалов. Количество ферритной составляющей зависит от исходного содержания графита, условий спекания и не должно превышать 50%. Наибольшей износостойкостью обладает перлитная структура.

В таблице 2 приведены некоторые свойства спеченных железографитовых материалов.

Таблица 2 – Свойства антифрикционных спеченных железографитовых материалов

В антифрикционных материалах самосмазываемость происходит за счет масла, выступающего в процессе трения из поровых каналов. Появление масла на поверхность трения объясняется различным объёмным тепловым расширением масла и металлической основы материала. Эффект самосмазывания обуславливает образование на поверхности трения граничных слоёв масла, сплошность которых зависит от температуры процесса. Повышение температуры поверхности трения подшипников, пропитанных маслом до 60 – 70 °С, приводит к неустойчивому режиму трения, к разрыву масляных граничных слоёв и интенсивному износу.

Для железографитовых подшипников существуют максимально допустимые нагрузки, при превышении которых они теряют работоспособность. Стабильными свойствами обладает материал, содержащий 0,8 – 1,0% графита. Предельная скорость скольжения для железографитовых материалов составляет 2 – 3 м/с. При превышении этой скорости коэффициент трения становится нестабильным, и железографитовые материалы теряют работоспособность.

Спеченные железографитовые материалы по триботехническим свойствам приближаются к серым чугунам, а по износостойкости и прочности превосходят бронзы.

Сравнительные свойства антифрикционных материалов приведены в таблице 3.

Таблица 3 – Механические и эксплутационные свойства антифрикционных материалов

Длительность работы подшипников из железографитовых материалов обычно составляет 3 – 5 тысяч часов и зависит от условий их работы. Они применяются в узлах трения сельскохозяйственных машин, для изготовления втулок транспортеров, киноаппаратов, деталей автомобилей, металлорежущих станков и других целей.

Повышение свойств железографитового материала достигается легированием и введением различных добавок. Для улучшения тех или иных свойств вводится медь, фосфор, цинк, олово, молибден, свинец. Свойства легированного железографита приведены в таблице 4.

Введение меди в железографитовые материалы улучшает свойства за счет получения более однородной структуры, увеличения твердости, уменьшения усадки.

Легирование цинком, фосфором обеспечивает хорошую спекаемость, мелкодисперсность перлита, более высокую износостойкость.

Добавка молибдена увеличивает вязкость и усталостную прочность, понижает износ и коэффициент трения. Так, материал, содержащий 3% графита и 15% молибдена работоспособен в пределах нагрузок от 0,1 до 20,0 МПа при скорости скольжения 0,1 – 95 м/с в условиях трения в режиме самосмазывания, при ограниченной смазке и без смазки.

Введение свинца или сплавов на основе цветных металлов даёт повышение прочностных и антифрикционных свойств. Введение осуществляют присадками указанных добавок в исходную шихту или пропиткой пористого каркаса расплавленным металлом. Так, материал, состоящий из 60 – 90% железа и сплава, содержащего 85% меди, 5% олова, 5% свинца и 5% цинка, используется для подшипников, работающих при давлениях более 1,0 МПа.

Таблица 4 – Свойства легированного железографита

Железомедные материалы, содержащие свинец, имеют повышенную пластичность, поэтому их применяют при ударных нагрузках.

В настоящее время все большее применение находят материалы с твердыми смазками, работающие в узлах трения с высокими скоростями скольжения, когда даже при небольших нагрузках могут развиваться значительные температуры, которые способствуют удалению смазки из области трения.

Для обеспечения хорошей работоспособности узлов трения в этих случаях создаётся на их поверхности защитная разделительная пленка, исключающая контакт металлических поверхностей и последующее схватывание. Защитные слои на поверхности металла могут создаваться путём соответствующей обработки при изготовлении деталей.
Для улучшения триботехнических свойств таких материалов используют различные вещества, которые наносят на трущиеся поверхности в качестве твердой смазки методом натирания или распыления из суспензий с летучими растворителями. Веществами, наносимыми на трущиеся поверхности могут быть сульфиды, селениды, хлориды, фториды, йодиды, нитриды и оксиды металлов. Такие слои твердых смазок удерживаются на поверхности силами адгезии частиц твердой смазки с металлами. Долговечность таких пленок невелика. Более высокую прочность и большее сцепление с поверхностью металла имеют пленки твердых смазок со связующими. В качестве связующих используются фенольные и эпоксидные смолы, фторопласт и другие материалы.

Эффективным методом образования стабильной разделительной пленки на трущихся поверхностях является введение твердой смазки непосредственно в материал. Этот метод более технологичен, исключает дополнительные операции по пропитке или натиранию материала твердой смазкой.

Например, материалы, полученные смешиванием железного порошка, легированного хромом, и дисульфида молибдена (Mo₂S), имеют свойства:

• твердость HV – 600 – 1000 МПа;
• временное сопротивление при сжатии – 1200 МПа;
• временное сопротивление при растяжении – 170 МПа;
• ударная вязкость – 70 кДж/м²;
• износ – 0,005 мкм/км;
• предельное давление до схватывания – 12 – 15 МПа.

При выборе твердой смазки необходимо учитывать её термостабильность, которая влияет на химическую активность твердых смазок, так как под действием высокой температуры и окружающей среды смазки могут разлагаться, образуя твердые и газообразные продукты. Эти продукты могут вступать в химическую
реакцию с металлической поверхностью тел трения и образовывать соединения, обладающие коррозионной агрессивностью или абразивным действием.

На практике в качестве твердых смазок наиболее широкое применение получили сернистые соединения молибдена, цинка, фторид кальция.

Антифрикционными спеченными материалами на основе меди

Наиболее распространенными антифрикционными спеченными материалами на основе меди являются:

• оловянистые бронзы;
• бронзографиты.

Спеченные оловянистые бронзы

Спеченные оловянистые бронзы являются первыми порошковыми антифрикционными материалами на основе меди, которые начали применяться в производстве. Они используются для изготовления подшипников, работающих в легких условиях, характеризующихся малыми скоростями скольжения (менее 1,5 м/с) и большими нагрузками (0,5–1,0 МПа). Оптимальными антифрикционными и механическими свойствами, обеспечивающимися при содержании 9 –10% олова, являются:

• пористость – 15 – 35%;
• временное сопротивление на разрыв – 76 – 140 МПа;
• относительное удлинение – 5%;
• показатель V·P– 1,5 – 2,5 МПа⋅м/с.

Для работы в условиях повышенных давлений и высоких скоростей скольжения используют спеченные высокопористые бронзы, пропитанные фторопластом. А для повышения несущей способности и снижения скорости изнашивания применяют подшипники пропитанные фторопластом с наполнителем – свинцом. Так, подшипники, изготовленные из стальной ленты, на которую нанесен слой пористой бронзы, пропитанной смесью фторопласта и свинца, имеют основные характеристики:

• предел прочности – 310 МПа;
• коэффициент трения при скоростях 0,2 м/с – 0,05 – 0,1;
• коэффициент трения при скоростях 0,2 – 5 м/с – 0,1 – 0,16;
• предельная нагрузка – 30 МПа.

В качестве легирующих добавок спеченных бронз применяют титан, никель, железо и другие элементы. Для работы при повышенных температурах используют легированный композиционный материал, содержащий дисульфид молибдена. Основные свойства материалов с различным содержанием дисульфида молибдена приведены в таблице 5.

Таблица 5 – Свойства спеченных бронз с различным содержанием дисульфида молибдена.

Спеченные материалы содержащие дисульфид молибдена (MoS₂), отличаются большой износостойкостью и высокими триботехническими свойствами в широком диапазоне температур (от 40 до 200 °С).

Бронзографиты

Бронзографиты получили широкое распространение в качестве самосмазывающихся подшипников скольжения из композиций бронза-графит, в которых содержание графита обычно составляет 2 – 4%. Бронзографиты используются для изготовления деталей электродвигателей, швейных и стиральных машин, а также в автотракторном электрооборудовании. Основные механические и триботехнические свойства спеченных оловянистых бронз и бронзографитов приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Механические и триботехнические свойства спеченных оловянистых бронз и бронзографитов

Из-за низкой пластичности и недостаточно высоких триботехнических характеристик бронзографиты мало применяют в узлах трения, работающих при ударных нагрузках и при отсутствии жидкостных смазок.
Перспективными триботехничкскими материалами для подшипников скольжения являются износостойкие спеченные хромооловянистые и хромоникелевооловянистые бронзы с твердыми смазками.

Основные механические и триботехнические свойства хромооловянистых бронз приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Механические и триботехнические свойства спеченных хромооловянистых бронз.

Коэффициент трения

Эти подшипники могут работать в узлах трения при повышенных температурах. (~100 °С) и значительных скоростях скольжения (до 30 м/с) в условиях агрессивных сред и высоких давлений. Хромооловянистые и хромоникелеоловянистые бронзы целесообразно применять для изготовления деталей, работающих в узлах трения без жидкостной смазки при средних и тяжелых условиях эксплуатации, а также в изделиях общего машиностроения, работающих в обычных условиях, с целью повышения их ресурса работы.

Антифрикционные материалы на основе углерода

Антифрикционные материалы на основе углерода подразделяют:

• углеродные,
• углеродные на эпоксиднокремнийорганическом связующем,
• графитофторопластовые и силицированные графиты.

Углеродные

Углеродные антифрикционные материалы могут быть обожженные и графитизированные. Основным исходным сырьём для их производства являются нефтяной кокс и каменноугольный пек. Технология заключается в связывании отдельных частиц кокса пеком в монолитное твердое тело, для чего порошки кокса смешивают с пеком и прессуют. Спрессованные заготовки подвергают обжигу в газовых печах при температуре до 1100 °С в засыпке из углеродистых материалов. В зависимости от габаритов и качества деталей продолжительность обжига может составлять от нескольких суток до нескольких десятков суток. В процессе обжига происходит карбонизация пека, в результате чего образующийся углерод откладывается на контактных участках, связывая частицы пека.

Последующий нагрев обожженных заготовок путем пропускания электрического тока через заготовки до температуры 3000 °С в течение сотен часов приводит к превращению углерода в графит или процессу графитизации.

Обожженные антифрикционные материалы не подвергают графитизации.

Для уменьшения пористости и улучшения некоторых свойств в технологический процесс вводят операцию пропитки смолой, пеком или металлами.

При работе в одинаковых условиях различные обожженные материалы показывают различные результаты. Так, обожженные материалы (марка АО-1500 и АО-600) в режиме сухого трения по стали со скоростью скольжения 0,24 м/с и нагрузке 0,5 – 1,5 МПа за 100 ч. работы имеют величину износа 10 – 100 мкм, а обожженные материалы с металлической пропиткой (марка АО-1500-СО5) в этих же условиях имеют износ равный 10 – 30 мкм.

Графитизированные антифрикционные материалы имеют маркировку АГ-1500, АГ-1500-3, АГ-600 и АПГ. Эти материалы также пропитывают металлами и сплавами, что повышает их прочность и теплопроводность.
При аналогичных условиях работы, указанных для обожженных материалов, износ графитизированных материалов (марка АГ-1500 и АГ-600) составляет 10 – 50 мкм, а пропитанных металлами (марка АГ-1500-СО5 и АГ-600-СО5) – 10 – 40 мкм.

Изделия из обожженных и графитизированных материалов могут работать в различных средах (окислительных, восстановительных, нейтральных). Область применения обожженных материалов ограниченна из-за пониженной
теплопроводности, более низких предельных значений температур при работе в окислительных средах и повышенной хрупкости.

В последнее время разработаны антифрикционные материалы, сочетающие в себе свойства обожженных и графитизированных материалов. После дополнительной пропитки специальным спиртом или соединениями фосфора они могут работать в окислительной атмосфере до 600 °С.

Углеродные материалы на эпоксиднокремнийорганическом

Углеродные материалы на эпоксиднокремнийорганическом связующим представляют собой пластмассовые композиции на основе порошковых углеродных наполнителей и сухих смазок, связанных кремнийорганическими смолами повышенной теплостойкости. Характерными представителями материалов этого класса является АМС-1 (обожженный) и АМС-3 (графитизированный), некоторые свойства которых представлены в таблице 8.

Таблица 8 – Свойства материалов АМС-1 и АМС-3

Материал АМС-1 применяют для уплотнений в узлах сухого трения при нормальной влажности газовой среды и в узлах жидкостного трения в сжиженных газах. Материал АМС-3 применяют для уплотнений при работе в воде.

Графитофторопластовые материалы

Графитофторопластовые материалы представляют собой композиции, получаемые на основе политетрафторэтилена (фторопласта-4), углеродных наполнителей и слоистых добавок, состоящих из естественного графита, нитрида бора и других. Наиболее распространенными материалами этого класса являются МВ-2А, АФГМ, АФГ-80ВС, некоторые свойства которых приведены в таблице 9.

Таблица 9 – Свойства графитофторопластовых материалов

Материал МВ-2А применяют для вкладышей радиальных и упорных подшипников скольжения, работающих в жидкостях.

Материал АФГМ и АФГ-80ВС применяют для колец компрессоров, сжимающих воздух, кислород, азот и углекислый газ. Материал АФГМ предназначен для сжатия сухих газов, а АФГ-80ВС – для сжатия влажных газов.

Силицированный графит

Силицированный графит, используемый в качестве антифрикционного материала, состоит из карбида кремния, графита, оксида кремния и свободного кремния. Известны две марки силицированного графита (СГ-Т и СГ-П), химический состав которых приведён в таблице 14, а основные характеристики – в таблице 10.

Таблица 10 – Химический состав силицированных графитов

Эти материалы обладают высокой износостойкостью при работе в агрессивных средах. Они могут работать в соляной, серной, азотной и других кислотах, а также в других агрессивных жидкостях.

Силицированный графит может применяться только в паре трения с силицированным графитом или с графитами высокой прочности и твердости. Такие пары обеспечивают хорошую работоспособность уплотнения при давлении среды до 5 МПа, нагрузке до 2,5 МПа, скорости скольжения до 25 м/с и температуре до 250 °С.

Таблица 15 – Основные характеристики силицированных графитов

Свойства

При работе в особых условиях (абразивный износ, агрессивная среда, значительная температура) для узлов трения применяют тугоплавкие металлы и соединения. Так материал на основе карбида вольфрама обладает свойствами:

• твердость, HV – 9,5 – 18 ГПа;
• плотность – 11,5 – 15 г/см³;
• предел прочности на изгиб – 120 – 280 МПа.

Высокой твердостью, прочностью, устойчивостью к абразивному износу, термической стабильностью и инертностью к агрессивным средам обладают материалы на основе боридов титана, циркония, гафния, в которых содержится 70 – 88% боридов и 12 – 30% порошка этих металлов.