Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Беспористые КМ железо-медь-графит-свинец-стекло

Данный метод был специально разработан нами для получения многокомпонентных беспористых сплавов НК, содержащих неметаллические элементы а также различного рода армирующие включения. В этом варианте метода контактного легирования неметаллические включения (напр, графит, сера, дисульфид молибдена, окись кремния и др.) либо армирующие элементы (металлические или углеродные волокна, сетку или пространственный каркас) равномерно распределяют в порошке, прессуют и отжигают для упрочнения. Далее полученный пористый полуфабрикат подвергают контактному легированию из расплавов легкоплавких компонентов, вступающих с одной из фаз спеченного полуфабриката в монотектическую реакцию, либо KЛ из двухкомпонентного расплава в режиме опережающего локального оплавления.

Особенность процессов KЛ, связанная с локальным оплавлением твердого реагента в зоне ТЖВ отличает данный процесс от традиционной пропитки пористых спеченных полуфабрикатов; благодаря этой особенности все закрытые поры полуфабриката залечиваются и получается беспористый многокомпонентный сплав, в котором в металлической сложнолегированной матрице сохранено равномерное распределение неметаллических включений или армирующих элементов.

Проиллюстрируем реализацию этого способа на примере систем железо-медь-стекло-свинец, железо-медь-графит-свинец, железо-медь-графит- олово-свинец и медь-свинец-углеродное волокно. Из предыдущего описания следует, что даже по отдельности углерод и свинец исключают возможность получения сплавов на основе системы железо-медь методами сплавления и кристаллизации.

Интенсификация производственных процессов влечет за собой ужесточение условий работы машин и механизмов. В связи с этим актуальным является задача создания материалов для тяжелонагруженных узлов трения скольжения, сочетающих высокую контактную прочность, теплопроводность, износостойкость и низкий коэффициент трения, в том числе в условиях абразивного воздействия.

Наиболее перспективными материалами для этих целей являются материалы типа металл - неметалл. Анализ известных технологий получения подобных материалов и их эксплуатационных свойств позволяет сделать следующие выводы:

Композиционные антифрикционные износостойкие материалы типа металл - неметалл заметно превосходят по свойствам металлические материалы аналогичного назначения; среди них особую роль играют металло-стеклянные композиции.

Все металлокерамические материалы отличаются общим недостатком, заключающимся в пониженной прочности материалов, обусловленной спецификой технологического процесса. Этот недостаток особенно заметен в материалах, содержащих наряду с тугоплавкой основой добавки тяжелого легкоплавкого элемента.

Металло-стеклянные антифрикционные материалы, полученные по традиционной технологии, обладая повышенной износостойкостью вызывают усиленный износ контртела, связанный с раскрашиванием стеклянных включений и их переносом в виде абразива в зону трения.

Метод контактного легирования, основанный на монотектическом взаимодействии компонентов, может быть с успехом использован для создания металло-стеклянных композиций повышенной прочности, однако его применение требует знания закономерностей протекания монотектической реакции в присутствии дисперсных частиц стекла и взаимодействии стекла с продуктами реакции. Наиболее перспективной металлической основой для создания улучшенного металло-стеклянного композита является хорошо изученная система Fe - Cu - Pb.

Совместное использование порошковой технологии и метода контактного легирования обусловило возможность разделения процессов спекания тугоплавкого каркаса и введение легкоплавких составляющих. Это позволяет значительно повысить температуры спекания композиций, а, следовательно, и прочность полуфабриката.

Основной задачей является разработка технологии беспористых композиционных материалов типа железо-медь-графит-стекло-свинец с хорошими противоизносными свойствами и благоприятной формой частиц твердой фазы, способствующей снижению износа контртела.

Для достижения указанной цели в сплав помимо железа, графита и стекла вводится дополнительно медь (на стадии приготовления смеси) и свинец (с помощью метода контактного легирования). Наличие меди в сплаве позволяет осуществлять контактное легирование свинцом, а также повышает его теплопроводность, играющую важную роль при трении. Нижний предел по содержанию меди обусловлен требованиями технологии контактного легирования, касающимися сплошности медной фазы в сплаве - 30%, а верхний определяется обеспечением сплошности и прочности железного каркаса с учетом неметаллических компонентов.

Свинец в сплаве играет роль твердой смазки и воздействует в ходе контактного легирования на форму стеклянных частиц, что способствует снижению износа контртела, о чем будет сказано несколько ниже.

Введение углерода в сплав определяется двумя требованиями:

1. Возможностью упрочнять железный каркас за счет растворения частиц углерода в железе и последующей термической обработки; 2. Сохранения некоторой части углерода в виде свободной составляющей - графита. При содержании графита менее 1 вес. % не выполняется второе условие. Увеличение содержания графита более 3 вес. % приводит к значительному снижению механических свойств сплава.

Совместное функционирование меди, свинца и стекла в сплаве с прочным железным каркасом позволяет повысить антифрикционные и противоизносные свойства, а также допустимые удельные нагрузки при трении.

Первым технологическим этапом является получение железо-мед-графит стеклянной смеси. Представление о распределении частиц смеси дает гистограмма рис. 1. Продолжительность перемешивания составляет 90 минут, после чего увеличение времени не приводит к заметному улучшению однородности смеси.

Влияние давления прессования на прессуемость порошковых смесей оценивалось по изменению фактической плотности образцов по сравнению с расчетной и по их пористости. Отрицательного влияния стекла на прессуемость композиции при давлениях прессования до 500 МПа не отмечалось.

Оптимальное давление прессования рассматриваемой композиции составляет 450-500 МПа. Спекание спрессованных порошковых композиций, является следующей технологической операцией, которая в значительной мере определяет свойства порошкового сплава на заключительном этапе.

Восстановительная атмосфера, состоящая из диссоцированного аммиака или водорода, позволила создать благоприятные условия для формирования прочного железного каркаса. Железные зерна в ходе спекания несколько увеличиваются в размере, что свидетельствует о благоприятных условиях спекания тугоплавкого каркаса.

Отсутствие сколько-нибудь значительного увеличения размеров частиц стеклянной фазы можно оценивать как позитивный результат качественного перемешивания мелких стеклянных включений и отсутствие их коагуляции. Содержание стекла оказывает существенное влияние на спекаемость композиций. Хорошую спекаемость предложенной металло-стеклянной композиции при указанных температурах, несколько превышающих температуры размягчения стекла, можно объяснить существенным снижением вязкости стекла. Сплавы с большими содержаниями стекла после спекания в течение одинакового времени характеризуются меньшей пористостью, чем с малыми его содержаниями.

Повышение жидкотекучести стеклянной составляющей даже в условиях твердофазного спекания оказывает влияние на изменение формы частиц, которые меняют исходную остроугольную форму на более сглаженную.

Оптимальным режимом прессования и спекания является: Р = 450-500 МПа, T = 1100°С.

Спеченные порошковые полуфабрикаты, полученные с помощью выбранных оптимальных режимов прессования и спекания, обладают однородной структурой и высокой прочностью (рис. 2).

Следует отметить, что в значительных пределах по содержанию стекла - до 16 об.% такие характеристики, как предел прочности на сжатие и предел текучести остаются неизменными. Отметим также, что при превышении этого содержания прочность сплава несколько падает, а предел текучести возрастает, что можно объяснить охрупчиванием сплава, с одной стороны, и возрастанием препятствий для перемещения дислокаций при деформировании образца, с другой.

Отсутствие свинца в исходной шихте позволило значительно повысить температуру спекания и тем самым существенно увеличить прочностные свойства спеченных полуфабрикатов. Свинец же вводился в уже спеченный полуфабрикат методом контактного легирования.

Режим процесса контактного легирования представлен на рис. 3. Температура процесса превышала температуру монотектического превращения в системе медь - свинец.

Анализ микроструктуры фронта проникновения свинца в сплав показывает, что свинец проникает в порошковый железо-медь-графит-стеклянный спеченный полуфабрикат по границам медных, медно-стеклянных или железо - медных зерен, т.е. везде, где имеется медь и условие для ее локального оплавления.

Структура сплава Fe - Cu - Гр - Ст - Pb, содержащего менее 16 об.% стекла. Анализ структуры позволяет судить о равномерном распределении стеклянных частиц в объеме прочного связного матричного каркаса. Наличие равномерно распределенных твердых включений стекла (Hm, = 5-7 ГПа) создает хорошую опорную поверхность с минимальной вероятностью схватывания при трении. Прочный же упругий железный каркас воспринимает и релаксирует напряжения, возникающие в процессе работы подшипников.

Основная особенность нового материала состоит в том, что свинец в композиции обволакивает со всех сторон стеклянные включения, создавая защитные свинцовые оболочки, хорошо связанные с металлической основой материала. Кроме того, процесс контактного легирования сопровождается сфероидизацией стеклянных включений. Такая локализация частиц стекла в оболочки из мягкого пластического материала предотвращает выкрашивание стекла в зону трения, устраняя фактор абразивного воздействия стекла на контртело. Кроме того, равномерно распределяясь в легированном слое, свинец служит твердой смазкой, снижая коэффициент трения сплава. Присутствующий в сплаве графит в свободном виде, также улучшающий антифрикционные свойства, располагается в свинцовой фазе.

Локализация стеклянных частиц в свинцовых оболочках, обладающих высокой демпфирующей способностью, должна обеспечить гашение вибраций, возникающих при трении и предохранить хрупкие частицы стекла от разрушения.

Сочетание в сплаве с хорошо разветвленным прочным каркасом твердых стеклянных сфероидов и мягкого свинца в виде оболочек (разница микротвердостей стекла и свинца достигает 4-6 ГПа) в сплаве в полной мере удовлетворяет требованиями, предъявляемым к антифрикционным сплавам.

Метод контактного легирования позволяет вводить свинец в сплав на заданную глубину с относительно большими скоростями, что позволяет формировать структуру с менее твердым поверхностным слоем, чем ниже лежащие слои, что находится в соответствии с известным условием положительного градиента, улучшающего антифрикционные свойства подшипников скольжения, в том числе при работе без смазки.

Медная составляющая структуры сплава позволяет также ужесточить условия работы сплава при трении за счет улучшения теплоотвода от рабочей зоны, что особенно важно при трении в вакууме или бескислородной атмосфере, где металлостеклянные сплавы хорошо себя зарекомендовали. Это позволяет предположить также возможность некоторого улучшения антифрикционных свойств предлагаемого сплава, имеющем дополнительное количество твердой смазки в виде свинца при применении в бескислородной атмосфере.

Материалы, полученные по разработанным технологиям показали сравнительно высокий уровень прочностных свойств по отношению к базовому Fe - Гр - Ст6, что можно объяснить отсутствием открытой и закрытой пористости, высокой степенью гетерогенности структуры, большой протяженности межзеренных границ, препятствующих перемещению дислокаций и повышающих предел текучести сплава, а также наличием свинцовых оболочек вокруг стеклянных включений, которые позволяют уменьшить остаточные напряжения, возникающие при охлаждении у границ со стеклом, и сохранить его монолитность.

Благодаря наличию углерода сплав поддается термообработке, что видно по увеличению его изгибной прочности и твердости после закалки в воду, по сравнению с нормализованным сплавом почти в 2 раза.

Сплав оптимального состава позволяет снизить более чем в 2 раза износ контртела из ШХ-15 при трении без смазки в сравнении с железо - графит - стеклянным сплавом. Тем самым снимаются ограничения на применение этих высокоизносостойких металло-стеклянных сшивов при сухом трении.

Весьма существенным также является то, что дисперсионное упрочнение свинцовых оболочек стеклом не сказалось отрицательно на смазывающей способности свинца, поскольку коэффициент трения сплава улучшился по сравнению со сплавом Fe - Гр - Ст при трении всухую в 1,5 раза.

Наличие меди в сплаве благодаря хорошему теплоотводу позволило уменьшить температуру в зоне трения в одинаковых условиях эксперимента - с 450 до 250°С по сравнению с Fe - Гр - Ст - сплавом. Схематическое изображение микроструктуры нового материала.

Таким образом, как видно из приведенных выше результатов, метод контактного легирования позволил разрешить явно противоречивую задачу одновременного повышения прочности материала и существенного повышения содержания в нем свинца и стекла. Благодаря этому получен новый КМ, производство которого ранее было невозможно.

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика