Материалы этой группы применяются для изготовления изделий, используемых
в качестве силовых и несущих элементов в различных областях
машиностроения, приборостроения, бытовой техники и новых областей
техники (атомной, ракетной, вычислительной и др.). Это весьма обширная
группа материалов, в которую входят материалы для общего машиностроения,
жаропрочные, коррозионностойкие и некоторые другие. Общим требованием, к
конструкционным материалам является высокая прочность. В зависимости от
условий работы это
требование может распространяться на широкий температурный интервал, а
также на эксплуатацию в условиях агрессивных сред, радиационных полей и
т.д. Как уже отмечалось ранее, определенные требования по прочности
предъявляют практически ко всем материалам, однако для конструкционных
это требование является превалирующим. Далее рассмотрены лишь материалы
для общего машиностроения и жаропрочные.
Материалы для общего машиностроения. Детали общемашиностроительного
назначения занимают преобладающее место в порошковой металлургии. По
данным [193], потребность в этой группе материалов превышает 60 % всей
потребности в порошковых материалах. Технология изготовления, свойства и
области применения их изложены в ряде работ [9, 32, 193 - 195, 238 -
241]. Основные стимулы использования методов порошковой металлургии для
изготовления конструкционных деталей - сокращение расхода металла,
снижение энергопотребления и трудозатрат. Как правило, конструкционные
материалы изготовляют на основе железа, но в последнее время интенсивно
развивается производство этих материалов на основе порошков титана,
алюминия и их сплавов.
На основе данных [193, 239] детали общемашиностроительного назначения
можно подразделить на четыре группы: малонагруженные,
умереннонагруженные, средненагруженные и тяжелонагруженные (табл. 40).
Эта классификация носит, конечно, условный характер (не следует,
например, абсолютизировать данные о показателях относительных свойств).
Однако в инженерной практике она имеет большое значение. Так, изделия
первой группы являются малоответственными, их не рассчитывают на
прочность, а размеры выбирают исходя из конструкционных и
технологических соображений. Такие изделия изготовляют из стандартных
порошков среднего качества, обычно прибегая к традиционной технологии
порошковой металлургии - прессованию и спеканию; термическую обработку
используют редко. При изготовлении деталей второй группы прибегают к
операциям допрессовки и повторного спекания, после которого в
большинстве случаев следует термическая обработка. Детали третьей и
особенно четвертой группы являются особоответственными, для их получения
применяют методы активированного спекания, пропитки, жидкофазного
спекания, горячего прессования, холодной и горячей ковки (штамповки) с
последующей термической и термомеханической обработкой. Эти детали
работают не только при статических, но и при динамических нагрузках,
поэтому требования к остаточной пористости, химическому составу, наличию
включений в структуре (прежде всего тяжело-нагруженных деталей)
тщательно регламентируют.
Следует отметить важность особенностей конструирования изделий из
порошковых материалов практически любого назначения [1, 193 -195, 238,
239]; учет специфики методов ПМ позволяет реализовать характеристики
типа приведенных в табл. 41 в полной мере.
Наиболее распространенные легирующие элементы в порошковых сталях -
медь, никель, молибден, углерод, хром. Большинство этих материалов
изготовляют из смеси исходных компонентов, хотя все
ТРИБОТЕХНИЧБСКЛБ МАТЕРИАЛЫ
Эффективность работы многих объектов транспорта, машиностроения,
энергетики, бытовой и военной техники определяется узлами трения -
подшипниками, тормозами, передаточными устройствами, уплотнениями и т.п.
С увеличением скоростей и нагрузок повышаются требования и к материалам
этих узлов - антифрикционным и фрикционным. Если первые должны
характеризоваться прежде всего низким коэффициентом трения и
минимальными потерями на трение, то для вторых, наоборот, коэффициент
трения должен быть значительным и обеспечивать высокую энергоемкость.
Общими требованиями к
этим материалам являются высокая износостойкость и хорошая
прирабатываемость. В триботехнических материалах (их часто называют
также материалами для узлов трения) должны сочетаться характеристики,
зачастую весьма противоречивые, поэтому эти материалы в большинстве
случаев являются многофазными. Порошковые антифрикционные материалы на
основе железа в ряде случаев успешно конкурируют с такими традиционными
и дефицитными материалами, как бронзы и баббиты.
Антифрикционные материалы. Подробная информация об этих материалах
приведена в работах [193 - 195, 265]. Основные узлы трекия, где
используют антифрикционные материалы, - это подшипники, подпятники,
вкладыши, уплотнения, шарнирные устройства, скользящие токосъемники и
др. Условия работы этих узлов разнообразны - трение со смазкой, без
смазки, в вакууме, в широком I диапазоне температур, в жидких и
газообразных средах, включая агрессивные. Скорости скольжения могут
составлять от нескольких миллиметров до сотен метров в секунду и более,
нагрузки - до десятков мегапаскалей, в том числе и динамические; износ
может быть обусловлен не только чисто механическими и коррозионными
причинами, но и электроэрозией. В основном антифрикционные материалы
изготовляют на основе железа, меди и их сплавов. В стадии разработки и
промышленного опробования находятся материалы на основе титана, алюминия
и тугоплавких соединений. В табл. 47 представлены свойства некоторых
антифрикционных материалов на основе железа согласно ГОСТ 26802- 86.
В качестве оценки несущей способности антифрикционных материалов часто
используют произведение нагрузки на скорость Рг, хотя такая оценка не
учитывает в полной мере условий смазки, температуры и др. Приведенные в
табл. 47 сведения относятся к скоростям до 2 - 3 м/с. Технология
изготовления антифрикционных материалов на основе железа градационна -
смешивают компоненты, прессуют при 300 - 700 МПа, спекают при 1100 -
1150С в защитной среде или в контейнерах с засыпкой, пропитывают
смазками, калибру: ют. Сера, которая присутствует в антифрикционных
материалах в виде сульфидов и способствует повышению эксплуатационных
свойств, вводится в шихту либо в элементарном виде, либо путем пропитки
спеченных изделий расплавленной серой с последующим отжигом.
Присутствие графита в антифрикционных материалах необходимо, с одной
стороны, как смазывающего компонента, а с другой стороны, как
повышающего прочность и износостойкость вследствие образова-. ния
перлита. Включения цементита также способствуют повышению
износостойкости, однако при этом может повышаться и износ вала. Добавки
меди способствуют упрочнению, предотвращают излишнее
науглероживание; с помощью добавок меди в производстве антифрикционных и
конструкционных материалов регулируют объемные изменения при спекании -
процессы гетеродиффузии в системе Fe -Си способствуют росту образцов,
компенсируя усадку. Объемные изменения при спекании композиций типа Fe -
С - Си - Me, реализация различных структурных состояний в них зависят от
многих факторов - дисперсности исходных порошков, степени их
окисленнос-ти, пористости образцов и изделий, наличия влаги в окружающей
среде, качества графита, наличия других легирующих элементов,
температуры и длительности спекания, условий охлаждения. Все это
сказывается на уровне диффузионного взаимодействия в системе железо -
углерод и получение заданных структур при изготовлении железографитовых
материалов требует регламентации режимов спекания и характеристик
исходных компонентов. Изучение особенностей взаимодействия углерода с
железом при спекании железографитовых смесей в разных средах показало,
что водород положительно сказывается на скорости насыщения железа
углеродом, причем обязательным условием взаимодействия является
десорбция газов с поверхности частиц графита и восстановление оксидных
пленок на частицах железа [266]. Сравнение различных методов контроля
качества спеченных железографитовых материалов (определения прочности
при изгибе, растяжении, радиальном сжатии, твердости, ударной вязкости,
скорости распространения ультразвуковых колебаний) показало, что
ультразвуковой метод и определение прочности при радиальном сжатии
являются наиболее точными [267]. Важным моментом в производстве
железографитовых материалов антифрикционного и конструкционного
назначения является точность
соблюдения размеров. Детальное исследование влияния различных факторов
на точность размеров спеченных материалов на основе железных распыленных
и восстановленных порошков и их смесей с графитом, никелем и медью было
проведено в работе [268]. Изучали, в частности, влияние таких факторов,
как упругое последействие,износ матрицы, постоянство давления
прессования и соблюдение условий спекания, размеры изготовляемых
деталей, колебания в содержании легирующих элементов и др. Отмечено, что
снижение точности тем ощутимее, чем выше содержание легирующих
элементов. На шведской фирме "Hoganas” разработаны специальные клеющие
добавки, которые как бы закрепляют графитовые частички на железных,
уменьшая тем самым сегрегацию и существенно снижая разброс размеров для
спеченных железографитовых материалов [269].
В условиях трения с обильной подачей смазки спеченные материалы не
обладают значительными преимуществами перед литыми, однако ,при
ограниченной подаче смазки наличие графита и пор, заполненных маслом,
способствует повышению ресурса работы, снижает износ. Для работы при
высоких температурах и значительных нагрузках в агрессивных средах
разработаны некоторые новые типы антифрикционных материалов: 1)
железофторидные композиции (Fe + + CaF2) для температур ~ 350 °С; 2)
халькогенидные композиции на основе сульфидов, селенидов, теллуридов для
работы в условиях низких температур и вакуума; 3) металлостеклянные и
металлополимерные материалы с высокими антифрикционными и
антикоррозионными свойствами; 4) нержавеющие сульфидированные и
борированные стали для различных агрессивных сред; 5) металлографитовые
композиции с высоким содержанием графита (до 30 - 50 об. %) для работы в
парах воды при повышенных температурах [265]. Согласно И.М.Федорченко
[270], для придания высоких характеристик антифрикционному материалу
следует стремиться к созданию композиционного сочетания фаз. Одна из фаз
должна быть твердой и износостойкой с низким коэффициентом трения, ее
включения должны располагаться в пластичной матрице, воспринимать и
перераспределять нагрузку, другая фаза - относительно мягкой, пластичной
и образовывать матрицу для твердых включений. Эти принципы были заложены
при создании опорных подшипников скольжения щарошечных бурильных долот
вместо роликовых подшипников, что повысило проходку и скорость бурения.
Подшипники были сделаны из материалов матрично-наполненного типа на
основе пластичной матрицы (сплав серебро - медь или свинцово-оловянистая
бронза) и сферических частиц реллита (стеллита).
Антифрикционные материалы на основе меди и ее сплавов используют в
соответствии с требованиями к показателям электропроводное
ти и коррозионной стойкости - меднографитовые щетки
давно применяют в электротехнике, а бронзографитовые подшипники - в
условиях повышенной влажности (в водяных насосах и т.д.).
Антифрикционный слой может быть закреплен на несущей подложке, например
на стальной ленте. В таких двухслойных материалах в качестве
антифрикционного слоя чаще всего применяют оловянистую или свинцовистую
бронзу, которую в виде порошка напекают на предварительно луженую
стальную ленту. Затем следует доуплотне-ние пористого слоя прокаткой или
обжатием и введение в поры фторопласта.
Нитриды бора и кремния - тугоплавкие соединения, которые можно
использовать в качестве основы антифрикционных материалов.
Графитоподобная модификация нитрида бора обладает хорошими смазочными-
свойствами, введение ее в состав подшипниковых композиций способствует
повышению рабочей температуры и сопротивлению износу. Горячепрессованные
изделия из нитрида кремния используют для изготовления шариков, роликов
и обойм подшипников качения [6]. Благодаря высокой твердости и
износостойкости, низкому коэффициенту трения применение
нитридокремниевых материалов в узлах трения будет расширяться.
К антифрикционным материалам примыкают так называемые уплотнительные
материалы, используемые для устранения зазоров и предотвращения утечки
пара, жидкости, газа в турбинах, насосах, компрессорах и т.д. (для
торцевых и радиальных уплотнений, поршневых колец и др.)Г. Для
турбостроительных приложений эти материалы изготовляют на основе никеля
с добавками меди, графита, алюминия, нитрида бора, фторидов. С одной
стороны, это обеспечивает наличие прочной и обладающей достаточной
пластичностью матрицы. С другой стороны, включения графита и нитрида
бора (графитоподобной модификации) создают благоприятные условия для
трения. Путем легирования матрицы можно существенно повысить
жаростойкость материала и расширить температурный интервал его
применения.
Работоспособность двигателей внутреннего сгорания во многом определяется
качеством поршневых колец, эксплуатируемых при температурах до 300 - 400
°С и высоких нагрузках в условиях граничного трения. К настоящему
времени разработан ряд составов на основе железа с добавками меди,
углерода, хрома, никеля, молибдена, сульфидов. Изготовленные методом
порошковой металлургии поршневые кольца обладают в 2 - 2,5 раза более
высокой износостойкостью по сравнению с кольцами из серого чугуна, но
уступают несколько хромированным кольцам [193, 195].
Использование многих спеченных антифрикционных материалов, как и
общемашиностроительных конструкционных, определяется
преимущественно экономическими соображениями, т.е. зависит прежде всего
от объема производства и повышения ресурса работы. Прогресс в области
машиностроения и смежных областях создает особенно напряженные условия
для работы узлов трения и методы порошковой металлургии в изготовлении
антифрикционных материалов становятся незаменимыми.
Фрикционные материалы. Эти материалы используют в различных тормозных
транспортных устройствах авиации, автомобилей, тракторов, танков, а
также в муфтах сцепления станков, прессов и т.п. Эти материалы работают
в трущихся парах и предназначены либо гасить (тормозить) движение,
превращая кинетическую энергию в тепловую, либо передавать движение за
счет трения. И в том и в другом случае одно из главных требований,
предъявляемых к таким материалам, -высокий коэффициент трения, величина
которого в случае сухого трения должна составлять около 0,4, а в случае
трения в масле - около 0,2. Износостойкость и стабильность работы - тоже
важные показатели фрикционных материалов, эксплуатация которых протекает
в весьма жестких условиях: температура на рабочих поверхностях может
достигать до 1200 - 1300 "С, скорости торможения составляют десятки и
сотни метров в секунду, а давления - до 7 МПа. Длительность единичного
цикла работы современных тормозных устройств -до 30 с, а муфт сцепления
- около 1 с [193,271].
Фрикционные i материалы изготовляют в виде дисков, секторных накладок и
колодок разной формы, которые закрепляются на несущем стальном каркасе.
Различают два основных типа фрикционных материалов - на медной основе и
на железной основе. Первые пригодны для эксплуатации как в условиях
сухого трения, так и трения в смазке; вторые используют при работе без
смазки. В табл. 48 приведены составы некоторых фрикционных материалов,
выпускаемых в СССР. Компоненты фрикционных материалов должны
обеспечивать достаточно прочную, износостойкую и теплопроводную основу,
а также определенные фрикционные свойства, которые придаются за счет
оксидов, карбидов, интерметаллидов, асбеста. Добавки графита и нитрида
бора способствуют предохранению от износа; они как твердые смазки
повышают антизадирные свойства.
Многокомпонентный характер шихты фрикционных материалов предъявляет
особые требования к операциям технологического цикла. Необходимо
тщательное смешивание, продолжительность которого может доходить до
суток и более. При этом используют конусные, шнековые и другие
смесители, а также шаровые мельницы. Для предупреждения расслоения и
улучшения прессуемости в шихту вводят минеральное масло, раствор каучука
в бензине. Медные материалы прессуют при давлении до 300 МПа, железные -
до 600 МПа.
Во многих случаях прессование совмещают с
напрессовкой фрикционного слоя на несущий стальной каркас, который
предварительйо подвергают меднению гальваническим методом. Спекание
фрикционных материалов обычно проводят под давлением с тем, чтобы
обеспечить достаточное уплотнение (относительная плотность, как правило,
должна быть более 0,85 - 0,9) и прочное соединение фрикционного слоя с
несущим каркасом. Температура спекания в зависимости от состава для
материалов на медной основе составляет 650 -950 °С, на железной основе -
1050 - 1150 *С; давление для первых -0,5 - 1 МПа, для вторых - 1 - 1,5
МПа. После спекания под давлением изделия подвергают дополнительной
механической обработке -нарезанию пазов, канавок, шлифовкеи др.
Твердость НВ материалов на железной основе составляет 600 -1000 МПа,
прочность на растяжение и сжатие - соответственно 30 - 100 и 150 - 500
МПа. Те же характеристики для материалов на медной основе составляют 250
- 500, 24 - 52 и 250 - 280 МПа.
Материаловедческие проблемы, связанные с выбором оптимальных составов
триботехнических материалов вообще и фрикционных, в частности, - одни из
наиболее трудных в порошковой металлургии. Многие вопросы решаются пока
только на эмпирическом уровне и теоретическому прогнозированию поддаются
слабо. Поиски новых фрикционных материалов связаны с необходимостью
проведения большого объема стендовых и натурных испытаний. Коэффициент
трения и степень износа зависят не только от состава и режимов
изготовления, но и в значительной степени от параметров работы -удельной
нагрузки, скорости, температуры, газовой среды и др. На рис. 83 показано
влияние состава и скорости на трибологические
характеристики железографитового материала [195].
По этим данным, оптимальное содержание графита составляет около 20 %.
Важным моментом в работе фрикционных узлов является подбор контртела,
которое может быть выполнено из легированных сталей и чугунов и из
спеченного материала.