РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИБОТЕХНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТЕКЛОНАПОЛНЕННОГО БРОНЗОГРАФИТА
Гунина В.В., Мельников В.Г., Бельцова Е.А.
(ИГХТУ, г. Иваново, РФ)
Elaborated and investigated the antifriction composition material on the basis of copper, including a tin, graphitic and hard inclusions. As of the hard inclusions the material contains molybdenumboronsilikate glass.
Борьба с потерями на трение и изнашивание подвижных сочленений машин и механизмов является одной из серьезных задач современного машиностроения. В связи с этим разработке и совершенствованию материалов, особенно антифрикционных уделяется постоянное и пристальное внимание исследователей и технологов. Такое внимание к антифрикционным материалам не случайно. В нашей стране на ремонт машин и механизмов ежегодно расходуются колоссальные средства, из которых 85 % - на замену подшипниковых узлов.
Развитие порошковой металлургии открывает большие возможности для создания принципиально новых антифрикционных материалов с заданными свойствами, способных удовлетворять возрастающим требованиям, которые предъявляются к деталям машин новой технологии. Особенно возросли потребности в новых антифрикционных материалах.
Разработка новых антифрикционных материалов для различных отраслей машиностроения является важной и актуальной задачей. В последнее время все чаще в качестве антифрикционных применяют порошковые (спеченные, металлокерамические), получаемые методами порошковой металлургии.
Обладая механическими свойствами, сопоставимыми со свойствами литых материалов, спеченные имеют более лучшую прирабатываемость, более низкий коэффициент трения и большую износостойкость. Подшипники из этих материалов, как правило, характеризуются свойствами самосмазывания и саморегулирования подачи смазки в зону трения. Их пористость способствует прирабатываемости контактирующих поверхностей механизмов, а находящееся в их порах масло образует смазочную пленку, что обеспечивает граничное трение, как в пусковой период, так и при других режимах работы узла трения.
Спеченные подшипники в большинстве случаев могут работать в течение длительного времени без дополнительной смазки, а при более тяжелых режимах нагружения – с дополнительной подачей смазки в зону нагружения.
При использовании самосмазывающихся узлов трения отпадает необходимость в системе маслоподачи, что уменьшает металлоемкость оборудования, упрощает его конструкцию, позволяет эксплуатировать новую технику в особо тяжелых условиях, где невозможна дополнительная смазка.
С технологической точки зрения процессы порошковой металлургии, по сравнению с другими отраслями металлургии, не создают высокого уровня шума, вредных выбросов и являются более экономически выгодными.
В последние годы композиты, получаемые методами порошковой металлургии, успешно конкурируют с традиционными триботехническими материалами, особенно в узлах трения, работающих в тяжелых режимах (высокие нагрузки и скорости скольжения, работа без смазки в течение длительного времени).
Актуальной задачей порошковой металлургии на современном этапе является создание композиционных антифрикционных материалов с высокими триботехническими характеристиками. Среди большого количества порошковых материалов выгодно выделяются металлостеклянные.
Задача состояла в разработке порошкового антифрикционного композиционного материала на основе меди, обеспечивающего высокую износостойкость (низкую интенсивность изнашивания) и низкие коэффициенты трения в различных режимах трения.
Поставленная задача достигалась путем создания порошкового антифрикционного композиционного материала на основе меди, содержащего олово, графит и твердые включения, причем в качестве твердых включений он содержит молибденоборосиликатное стекло. Молибденоборосиликатное стекло промышленностью не выпускается и было специально получено как низкотемпературная стеклофаза в качестве твердого включения в порошковый антифрикционный материал.
В зависимости от химического состава полученные стекла являются гомогенными или гетерогенными системами. Гомогенные стекла являются более предпочтительными для создания антифрикционных композиционных материалов на основе меди. Для повышения гомогенности стекол в их состав вводили оксиды некоторых металлов (в количестве до 10 мас.%).
Плотность полученных молибденоборосиликатных стекол лежит в пределах 2460 – 3250 кг/м3, температура начала размягчения – 450 – 520 °С.
Полученное стекло измельчалось в мельнице ударно-отражательного действия и отбиралась фракция 45 – 70 мкм, которая и вводилась в шихту порошкового материала на основе меди в качестве твердого включения.
Это позволило получить достигаемый технический результат, а именно: снизить интенсивность изнашивания в 3,7 – 5,4 раза, уменьшить коэффициенты трения в 1,5 – 1,6 раза.
Порошки графита, олова, молибденоборосиликатного стекла и меди перемешивали в смесителе в течение 1,5 час., из полученной шихты прессовали в стальной пресс-форме под давлением 2,5 т/см2 (250 МПа) образцы и спекали в среде водорода при температуре 760 – 780 °С в течение 1,5 час.
Полученные образцы были испытаны на трение и износ на серийной машине трения 2070 СМТ-1 по схеме «диск-колодка» с коэффициентом взаимного перекрытия 1:12. Диск – контртело диаметром 40 мм был выполнен из стали 45 (HRC 48 - 50), колодкой служили полученные образцы.
Режим трения: скорость скольжения – 1 м/с; давление повышалось ступенчато от 1 МПа до резкого увеличения момента трения; смазка (индустриальное масло И-20) вводилась в зону трения капельным способом (8 – 10 капель/мин.).
Проведенные исследования показали, что на износостойкость композиционных бронз в большей степени влияет содержание твердых включений и давление прессования, значительно меньше влияет температура спекания. Оптимальными параметрами изготовления таких материалов выбраны следующие: температура спекания – 760 ¸ 780 °С, давление прессования – 2 – 2,5 т/см2.
Частицы стекла, равномерно распределенные в порошковом материале, воспринимают основную часть нагрузки, уменьшая износ матрицы. В воде и растворах щелочей стекло, вступая в химическую реакцию, образует на поверхности гель кремниевой кислоты, являющейся дополнительной смазкой. При повышенных температурах частицы стекла могут подплавляться и предотвращать схватывание и заедание.
Технология изготовления композиционного бронзографита со стеклянными частицами не имеет существенных отличий от технологии изготовления серийного бронзографита БГр 4. Распределение частиц наполнителя по объему матрицы равномерное, формуемость изделия хорошая. Оптимальное содержание наполнителя составляет (3 - 7) мас. %.
Введение в состав порошкового бронзографита стеклянного наполнителя позволяет снизить содержание олова до 8 мас.% без снижения антифрикционных свойств.
Триботехнические свойства разработанных бронзографитов при средних нагрузках превосходят свойства серийной порошковой бронзы. Так износостойкость композиционного бронзографита с содержанием олова 8 мас.% в 2,5 раза выше, чем серийного БГр 4, содержащего 10 мас.% олова.
Разработанные материалы обладают хорошей прирабатываемостью, высокой нагрузочной способностью до 1,6 кН и низким коэффициентом трения. Наличие в бронзографитовой матрице стеклосодержащих частиц обуславливает повышенную масловпитываемость и рациональный расход смазки при трении.
К достоинствам предлагаемого порошкового материала на основе меди можно отнести также возможность работы его в аварийных ситуациях – при прекращении подачи смазки, при этом резко повышается температура в зоне трения, стеклофаза в составе материала подплавляется и играет роль смазки. Предлагаемый материал имеет более высокую коррозионную стойкость за счет заполнения пор стеклом при спекании, что также является достоинством этого материала.
Разработанный материал имеет высокую износостойкость и низкие коэффициенты трения и может быть использован для изготовления тяжело- и теплонагруженных подшипников скольжения.