ВЛИЯНИЕ НАПОЛНИТЕЛЕЙ НА ПРОЧНОСТНЫЕ И ТРИБОТЕХНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРОШКОВОГО БРОНЗОГРАФИТА
Гунина В.В., Мельников В.Г.
(ИГХТУ, г. Иваново, РФ)
The results of research of a solid and tribotechnical properties of bronze graphite glasscontaining materials are stated in the given paper.
Одним из путей повышения срока службы и эксплуатационной надежности машин и механизмов является создание новых антифрикционных материалов, обладающих повышенной износостойкостью, низким значением коэффициента трения, способностью работать при высоких скоростях и больших нагрузках, в различных активных средах.
В последние годы наиболее широкое применение получили порошковые материалы на медной основе.
Особое место среди порошковых подшипниковых материалов на основе меди занимают бронзографиты, поскольку здесь в первую очередь представляется возможность получить относительно однородную структуру материала.
К достоинствам подшипников из порошковых бронзографитов следует отнести их высокую долговечность, хорошие физико-механические характеристики, малый расход металла, высокие антифрикционные свойства, простоту изготовления, коррозионную устойчивость, немагнитность.
Хотя подшипниковые материалы на основе меди широко применяются в промышленности, существует необходимость дальнейшего улучшения их свойств, так как один и тот же материал не может одинаково хорошо работать в различных изменяющихся условиях (как в отношении смазки, так и режима нагружения).
Актуальной задачей порошковой металлургии на современном этапе является создание композиционных антифрикционных материалов с высокими триботехническими характеристиками. Среди большого количества порошковых материалов выгодно выделяются металлостеклянные.
В условиях дефицита порошков цветных металлов актуальной является задача создания композиционных бронзографитовых материалов с пониженным содержанием олова. Уменьшение содержания олова перспективно компенсировать введением порошков твердых включений.
Включения стекла играют роль твердых несущих частиц, удерживаемых металлической пластичной матрицей. Положительными свойствами стекла являются низкий коэффициент трения, отсутствие склонности к схватыванию с материалом вала. Создание композиционных материалов из металла с включениями стекла позволяет преодолеть такой недостаток стекла, как высокую хрупкость. Частицы стекла, которые оплавляются и заполняют поры при спекании бронзографитового материала, менее подвержены опасности хрупкого разрушения, чем крупные изделия из него.
Прочность и стойкость против износа материалов на основе меди может быть повышена путем легирования молибденом, совместив это легирование с введением молибденоборосиликатного стекла, которое было специально получено как низкотемпературная стеклофаза в качестве твердого включения в порошковый антифрикционный материал.
Основной задачей данной работы является разработка бронзографитов с улучшенными технологическими и эксплуатационными свойствами за счет введения в шихту твердых включений в виде частиц стекла, содержание которых было в пределах 3 – 10 мас.%.
Наряду с твердыми включениями варьировалось содержание в материалах олова (от 10 мас.%, что характерно для серийных порошковых бронзографитов, до 6 мас.%) и графита от 1 до 4 мас.%.
Была составлена матрица планирования эксперимента. Переменными в матрице планирования являлись содержание стекла, олова, графита в составе материала, функцией отклика был коэффициент трения.
Получено адекватное уравнение: (f) = 0,066–0,0053Х1 (Гр) – 0,0089Х2 (Sn) – 0,0097X3 (Si) – 0,0028X1X2 (ГрSn) + 0,0029X1X3 (ГрSi) + 0,0053X2X3 (SnSi)– 0,0046X1X2X3 (ГрSnSi).
Очевидно, что все заложенные в матрицу планирования компоненты состава материала ведут к снижению коэффициента трения, причем сильнее всего влияет на это снижение - содержание стекла. Однако сочетание олова и стекла, как показывает уравнение, приводит к повышению коэффициента трения, но оно не превышает снижение коэффициента трения от влияния графита.
Полученные образцы были испытаны на трение и износ. Испытания показали, что введение в состав порошкового бронзографита БГр4 (серийный материал) указанных наполнителей улучшает триботехнические характеристики материала и позволяет снизить содержание олова в бронзографите до 8 мас.% без снижения антифрикционных свойств, рис. 1 – 2.
Рисунок 1- Зависимость коэффициента трения
от давления для бронзографита с содержанием стекла 7 мас.%
Рисунок 2- Зависимость интенсивности изнашивания
от давления для бронзографита с содержанием стекла 7 мас.%
Исследования износостойкости разработанного материала в водно-гликолевой жидкости (Тосол - 40) показали, что на поверхности трения бронзографита, наполненного стеклом, образуется тонкая сервовитная пленка, после чего коэффициент трения не превышал 0,001. Пленка на бронзе блестящая, 10 – 11 класса шероховатости, включения стекла были покрыты пленкой графита. На поверхности трения стального контртела наблюдалась зеркальная пленка золотистого цвета. Интенсивность изнашивания после образования сервовитной пленки снижается до 0,081 мкм/км.
Исследовалось влияние стекла на механические свойства бронзографита. Твердость образцов находилась в пределах 35 – 50 НВ и возрастает с повышением давления прессования и с увеличением содержания олова. С увеличением стекла, рис. 3, а также графита - твердость снижается.
Рисунок 3- Влияние на твердость содержания стекла в бронзографитах
Прочность на
сжатие металлостеклянных бронзографитов возрастает с увеличением содержания
олова и удельного давления прессования и составляет более 500 МПа. Повышение
в составе материала стекла и графита, не связанных с матрицей, ведет к снижению
прочности, рис. 4.
Рисунок 4- Зависимость прочности на сжатие для
стеклонаполненных бронзографитов от содержания стекла
Износостойкость образцов повышается с увеличением содержания олова с 6 до 10 мас.%. С ростом содержания графита в материалах с 1 до 4 мас.% износостойкость образцов повышается за счет снижения коэффициента трения. Оптимальными с точки зрения износостойкости в масле являются бронзографиты состава 10 мас.% олова, 4 мас.% графита, 7 мас.% стекла, остальное – медь.
Учитывая, что износостойкость материалов в условиях трения без смазки является одной из основных характеристик, определяющих долговечность в процессе работы узлов трения, можно сделать вывод, что для бронзографитов при работе с удельной нагрузкой 1 – 20 МПа со скоростью скольжения до 1 м/с оптимальным является состав: медь – 79 мас.%, олово – 10 мас.%, графит – 4 мас.%, стекло – 7 мас.%.
Введение в состав порошковых бронзографитов твердых включений положительно влияет на триботехнические характеристики.
Допустимое содержание исследованных твердых включений не должно превышать 7 мас.%. Превышение этого количества приводит к резкому снижению прочностных свойств порошковых бронзографитов.
Разработанные материалы обладают хорошей прирабатываемостью, высокой нагрузочной способностью (до 20 МПа), более высокой коррозионной стойкостью за счет заполнения пор стеклом при спекании, что также является достоинством этого материала.