4.4. Технологія виготовлення фрикційних

МАТЕРІАЛІВ

Технологія виготовлення фрикційних матеріалів багато в чому характерна для виробництва інших виробів методами порошкової металургії, хоча і має ряд специфічних особливостей. Основними технологічними операціями є: підготовка початкових порошків, приготування шихти для пресування, формування, спікання, механічна обробка. У кожної з перерахованих операцій можуть бути супутні або вони можуть виконуватися по різних варіантах залежно від виду матеріалу, що виготовляється, і його складу (схема 11).

Відповідно до приведеної схеми при підготовці початкових порошків часто передбачається їх сушка, відпал, розсівання або приготування напівфабрикату, що включає операції змішування частини компонентів, їх формування, спікання і дроблення спека з метою використання в подальших операціях.

До підготовчих операцій також слід віднести приготування металевого каркаса, що несе, який, як було відмічено вищим, служить для зміцнення виробу в цілому.

Схема 11. Узагальнена технологічна схема виробництва фрикційних матеріалів

Передбачаються також різні методи формування. Вибір того або іншого методу обумовлений видом виробу, що виготовляється, вимогами, що пред'являються, економічністю методу. Цими ж міркуваннями обумовлено існування різних варіантів спікання.

До механічної обробки слід віднести рихтування, зачистку, шліфування, нарізку або штампування канавок для мастила і ін.

Технологія виготовлення також передбачає післяопераційний контроль складу матеріалу, технологічних режимів і властивостей готової продукції.

Підготовка порошків. Підготовчі операції призначені для додання початковим матеріалам властивостей, визначуваних стандартами.

Початкова пороша сушить з метою видалення з них адсорбованої вологи, яка, як відомо, знижує їх текучість. Сушці при необхідності піддають в основному графить, барит, неметалічні фрикційні добавки і іноді дисперсна пороша олова і свинцю. Процес, як правило, проводиться в сушильних шафах при температурі 120—180 °С протягом 2—3 ч при товщині шару порошку на піддонах e50 мм. Для повнішого видалення вологи і прискорення процесу сушки порошок доцільно перемішувати.

Прожаренню піддають початкову порошу, що містить межкристаллитную або внутрішньокристалітну вологу. Це перш за все оксиди кремнію і алюмінію, азбест і рідше барит. Прожарення можна проводити в печах будь-якої конструкції на повітрі протягом 1—3 ч. При цьому температура прожарення оксидів складає 1200—1300, азбесту — 950—1100, бариту — 700 °С.

Відновний відпал проводять в тих випадках, коли початкову порошу містять домішки кисню в кількостях, вище оптимального. Перш за все це відноситься до пороші міді і заліза. Їх піддають відпалу тоді, коли зміст кисню перевищує 1 % У залізних порошків і 0,2 % у мідних і нікелевих.

Для відновного відпалу найдоцільніше використовувати муфельні печі безперервної дії з електричним обігрівом, хоча не виключено використання печей іншого типу. Відпал проводять в середовищі відновних газів (водень, конвертований газ і ін.). Порошок насипають на піддони шаром завтовшки 40—50 мм і завантажують в пекти, де він відновлюється при температурі 600—700 °С (нікелева і залізна пороша) або при температурі 400—450 °С (мідна пороша). Тривалість витримки при температурі відпалу залежить від вмісту кисню в початковому порошку, товщину шаруючи засипки і зазвичай складає 0,5—3,0 ч.

Мал. 23. Вплив ступеня окислення залізного порошку на знос i (1), твердість HRB (2), усадку (3) і щільність (4) фрикційних матепріалів на основі заліза

Високий вміст кисню і велика товщина шару вимагають значних витримок. Особливу увагу слід звертати на товщину шару порошку на піддоні. Перевищення її оптимальних значень приводить до неповного відновлення порошку у зв'язку з утрудненням доставки відновного газу через шар шихти до нижніх шарів і видалення у зворотному напрямі газоподібних продуктів відновлення.

Операцію відновного відпалу можна виключити, забезпечивши видалення надмірної кількості кисню в процесі спікання. При цьому, хоча щільність пресувань і зменшується за рахунок погіршення прессуемости, але зрештою в процесі спікання досягається вища щільність виробів. В цьому випадку щільність із збільшенням змісту кисню в початковому порошку підвищується (мал. 23), і при високому вмісті кисню вона перевищує значення для виробів, отриманих з використанням початкового порошку заліза, що містить менше 1 % кисню. Останнє обумовлене активуючою дією процесу відновлення оксидів на поверхні частинок металу на процес усадки. Отримані таким чином матеріали володіють підвищеною твердістю і зносостійкістю (див. мал. 33), мають вищий коефіцієнт тертя при роботі фрикційної пари в інтервалі т.емператур 400—900 °С.

Одним з шляхів скорочення кількості підготовчих операцій є забезпечення умов зберігання, що перешкоджають окисленню порошків і зміні їх технологічних властивостей. Для цього початкова пороша міді піддається обробці спеціальними гидрофобизирующими речовинами, що перешкоджають адсорбції вологи на поверхні частинок порошків і їх окисленню. Можливо також зберігання порошків, змішаних з мастилом.

Помел початкових матеріалів проводять в тих випадках, коли матеріали, що поставляються, не відповідають вимогам по гранулометричному складу, а також після операцій прожарення і відновного відпалу для руйнування конгломератів і спе-ков, що часто утворюються при цьому. Зазвичай помелу піддають карбіди, азбест, барит після прожарення, лігатуру після сумісного спікання декількох порошків, залізо після відновного відпалу. Для помелу, особливо тонкого, застосовуються млини з тілами, що мелють, наприклад кульові млини, які найбільш прості по конструкції і мають достатню продуктивність. При використанні кульових млинів на процес подрібнення впливають швидкість обертання барабана, величина завантаження куль і матеріалу, тривалість подрібнення. Швидкість обертання барабана слід вибирати так, щоб забезпечити що дробить (для крихких, твердих матеріалів), дробить і зв'язки із занением доставки відновного газу через шар шихти до нижніх шарів і видалення у зворотному напрямі газоподібних продуктів восстановления.истирающее (для пластичних матеріалів) дія тіл, що мелють, на матеріал, що розмелюється.

Величина завантаження (матеріал, що розмелюється, і тіла, що мелють) не повинні перевищувати 0,40—0,45 об'єму млина. При цьому об'єм матеріалу, що розмелюється, складає 20—30 % об'єму барабана млина. Тривалість подрібнення залежить від стану початкового матеріалу (моноліт, губка, конгломерат), необхідному ступеню подрібнення і лежить в межах 1—5 ч.

Просев порошків здійснюється з метою виділення необхідній фракції з матеріалів, що поставляються, або після їх помелу. Матеріали з розміром частинок більше 50 мкм просівають на вібраційних ситах. При цьому процес ведуть на одно- або двухдечных ситах. У першому випадку просев здійснюють з метою відділення від початкового порошку крупної або дрібної фракції. Просівши на двухдечных ситах проводять при необхідності виділити необхідну фракцію порошку. Використовують порошок, що пройшов через сито першої обичайки і затримався на другому. Зазвичай такому просеву піддаються графіт і фрикційні добавки з метою запобігання попаданню в шихту дуже дрібних фракцій. Якщо необхідно відокремити або виділити частинки з розміром менше 30 мкм, застосовують методи седиментації і повітряної сепарації.

Дозування шихти і змішування компонентів. Дозування шихти має важливе значення з погляду забезпечення заданого складу фрикційного матеріалу, оскільки останній робить істотний вплив на його кінцеві властивості. При дозуванні окремих компонентів і шихти в цілому необхідно враховувати технологічні втрати. При цьому кількість речовини, що дозується, визначається як сума мінімального його вмісту в шихті і максимально можливих втрат.

Втрати матеріалів можуть бути обумовлені як умовами технологічного процесу, так і суб'єктивними причинами. У останньому випадку втрати обумовлені тим, що в початкових матеріалах можуть міститися домішки, які в процесі виготовлення виробу сублімуються, вигоряють або входять в кінцевий склад як інертна домішка. Це перш за все відноситься до графіту і сульфату барії. Так, при введенні графіту слід враховувати, що зольність його складає близько 18 % і 9—10 % його вигоряє. Барит, службовець джерелом сульфату барії, містить всього 80 % основної речовини. Крім того, необхідно враховувати, що при виробництві фрикційних матеріалів на основі міді разом з втратами графіту (5—10 %) мають місце втрати свинцю (20—25 %). Як приклад приведемо розрахунок шихти матеріалу на основі заліза ФМК—11. Відповідно до ТУ, хімічний склад матеріалу наступний % : мідь 14—36, вуглець — 6,5—8,0, сульфат барія 4— 6, оксид кремнію 2,0—3,5, азбест 2,0—3,5, залізо — основа. В процесі виготовлення максимальні втрати сульфату барії складають 20 % (обумовлений вміст його в бариті), графіту 28 % (18 % зольність і 10 % чад). Втрати решти компонентів лежать в межах допустимих їх значень в кінцевому матеріалі.

Так, наприклад, втрати міді — менше 1 %, оксиду кремнію — менше 0,5 % і так далі Виходячи з максимально можливих втрат, визначимо, що вони для сульфату барії можуть скласти ~1,2 %, а для графіту — ~2,2 %. Таким чином, з урахуванням можливих втрат дозується шихта наступного складу: мідь—15%, оксид кремнію — 3 %, азбест — 3 %, графить — 9 %, сульфат барії (барит) —6 %.Из приведеного складу шихти видно, що з обліком втрат графіту необхідно вводити більше максимально допустимого його значення в кінцевому матеріалі, а сульфату барії досить ввести максимальну його кількість, що забезпечить їх оптимальний вміст в кінцевому матеріалі. Після визначення кількісного складу початкової шихти у відсотках визначають її масовий склад. Зважені тим або іншим способом компоненти піддають змішуванню. Для змішування можуть бути використані конусні, шнекові, відцентрові змішувачі і кульові млини. Найчастіше в практиці виробництва фрикційних матеріалів застосовуються конусні і шнекові змішувачі, причому конусні змішувачі доцільно використовувати для змішування шихт, що складаються з компонентів, що трохи відрізняються один від одного по насипній щільності. У разі застосування таких змішувачів для змішування компонентів з насипною щільністю, що різко відрізняється , значно збільшується тривалість і не завжди досягається необхідна якість шихти по контрольованих параметрах. Ці недоліки в деякій мірі усуваються при використанні конусних змішувачів У-образних або подвійних. Застосування цих змішувачів дозволяє зменшити тривалість змішування приблизно на порядок.

Зручніші в експлуатації шнекові змішувачі, в яких відбувається примусове змішування за рахунок тих, що обертаються з однаковою швидкістю назустріч один одному барабана і розташованого по центру барабана шнека. Примусове змішування дозволяє в цьому випадку зняти обмеження по відмінностях в насипній щільності компонентів шихти і значно збільшити продуктивність.

Підвищенню продуктивності може сприяти також застосування лопатевих і барабанних змішувачів, в яких також має місце примусове змішування матеріалів.

При використанні змішувачів з примусовим змішуванням, особливо шнекових, необхідно враховувати взаємодію змішуваних матеріалів з шнеком і лопатями, що в деяких випадках може привести до небажаного подрібнення матеріалів, особливо при тривалості змішування понад 4 ч. Явище подрібнення матеріалів також спостерігається при використанні для змішування кульових млинів. Наявність в цих млинах тіл (куль), що мелють, разом з інтенсифікацією процесу змішування погіршує прессуемость шихти за рахунок наклепання частинок і згладжування їх поверхні.

Оптимальним об'ємним завантаженням змішувача є 0,3—0,4 його об'єму. При більшому завантаженні за інших рівних умов збільшується тривалість змішування до отримання однорідної шихти, а при меншій — снижается продуктивність агрегату. Останнє обумовлене тим, що зменшення завантаження на тривалість змішування практично не впливає.

Оптимальне число оборотів барабана і шнеків, тривалість змішування для кожного конкретного випадку підбирається досвідченим шляхом. Для змішування багатьох матеріалів робочим числом оборотів барабана конусних змішувачів є 20—40, а шнекових — 20—25 об/мин як для барабана, так і для шнека. При цьому тривалість змішування складає відповідно 24—48 і 5—7 ч. Тривалість змішування слід збільшувати із збільшенням кількості компонентів в шихті і відмінності в їх щільності.

Оптимальні режими і якість змішування можна встановити, провівши контроль шихти, який здійснюють аналізом проб, узятих як мінімум з трьох різних місць об'єму шихти. Застосовують наступні види контролю:

1. визначення складу хімічним або спектральним аналізом; вміст компонентів в шихті повинен знаходитися в межах ±1 % оптимального; якщо відмінності в змісті більше — проводять повторне змішування, якщо ж воно не приводить до позитивних результатів -осуществляют подшихтовку;

2. визначення насипної щільності; насипна щільність є найбільш якісним показником гомогенності шихти. Із збільшенням гомогенності шихти насипна щільність підвищується і залишається для даного складу шихти постійною досягши оптимального ступеня змішування. Так, наприклад, для шихти фрикційного матеріалу МК — 5 насипна щільність збільшується з 1,40 до 1,53 г/см3 із збільшенням тривалості змішування в циліндровому барабані (мал. 24);

3. металографічний аналіз зразків, виготовлених з проб, спресованих і спечених при режимах, прийнятих при виготовленні даного виробу; в цьому випадку контролюється кількість структурних складових і рівномірність їх розподілу вполе зору шліфа;

Мал. 24. Залежність насипної щільності шихти МК-5 від часу змішування

4) контроль висоти пресувань, виготовлених з проб; закінчення змішування визначається по стабільності висоти пресування; для кожного матеріалу будують діаграми висоти пресування — тривалість змішування.

Можливі також і інші методи контролю, характерні для того або іншого виду змішуваних матеріалів.

Приготована шихта повинна зберігатися в щільно закритій тарі. Терміни зберігання без істотної зміни властивостей складають для матеріалів на основі міді не більше 10 сут, на основі заліза — 20—30 сут. Іноді для запобігання сегрегації шихти при її зберіганні і транспортуванні, а також для зниження пылеобразования і поліпшення текучості і прессуемости при змішуванні в шихту вводять мастила, які виступають також в ролі того, що пов'язує. Найчастіше використовують мінеральне масло в кількостях 0,05—2,0 %.

При тривалому зберіганні шихти також можливе окислення металу основи — мідь або залоза. При використанні такої шихти для виготовлення виробів необхідно при спіканні забезпечити умови повного відновлення окисленого металу, що, як наголошувалося вище, може навіть привести до поліпшення фрикційних властивостей готового виробу. Для забезпечення умов повного відновлення при спіканні необхідно застосовувати малі швидкості нагріву або при температурах почала відновлення відповідних оксидів робити ізотермічні витримки. Так, наприклад, для матеріалів на основі міді тривалість нагріву до температури спікання в цьому випадку повинна скласти 3—5 ч або необхідна ізотермічна витримка при 400—500 °С.

Приготована таким чином шихта поступає на формування.

Формування. Формування є одній з основних операцій при виготовленні фрикційних виробів. Під час формування виробу додаються основні розміри, забезпечується механічна міцність, достатня для подальшої його обробки.

Для пресування використовують два види шихти: шихта безпосередньо після змішування або гранульована. Гранулювання шихти проводять в тих випадках, коли необхідно забезпечити підвищену текучість і декілька понизити насипну щільність. Останнє слід проводити при напрессовке фрикційних накладок на сталевий диск, що несе, з одночасним формуванням змащувальних канавок. Для гранулювання шихти в її склад вводять те, що пов'язує, як яке можна використовувати 10 %-й розчин поливинилового спирту у воді. Застосування розчину поливинилового спирту забезпечує хороші технологічні властивості, не впливає на склад і властивості готового виробу. Після введення в шихту що пов'язує проводять заміс і гранулювання на конусних грануляторах або на протиральних ситах.

Після відповідної підготовки шихта поступає на дозування, яке здійснюється зважуванням або об'ємним методом. Перед дозуванням проводять розрахунок навішування порошку для виготовлення необхідного виробу по формулі

G =Vy_cvθ,

де V — об'єм порошкової деталі, м3; ycv — середня щільність шихти, визначувана по формулі аддитивності; кг/м3; θ — відносна щільність спеченого виробу % .

Дозування зважуванням здійснюється уручну або за допомогою автоматичних вагових дозаторів. При хорошій текучості шихти перспективніше дозування.

Застосування обьемных дозаторів дозволяє підготувати 500—600 навішувань в годину з межами дозування 10—200 г і точністю ±1,5 %. Часто процес об'ємного дозування суміщають з процесом засипки порошку в матрицю. При цьому мірним об'ємом є сама порожнина матриці, в яку шихту засипають живильником (дозатором). При пресуванні на спеціалізованих пресах в автоматичних прес-формах рух живильника блокується з рухом пуансонів або здійснюється спеціальним приводом. При не автоматичному пресуванні живильник пересувають уручну. Пресування може здійснюватися як на механічних, так і на гідравлічних пресах. Механічні преси-автомати застосовуються тільки для пресування дрібних деталей з матеріалів на основі міді. Унаслідок малої висоти деталей процес пресування здійснюється, як правило, по схемі одностороннього пресування.

Мал. 25. Вид канавок на фрикційних дисках, що забезпечують передачу середніх (1, 2), високих (3, 4) і низьких крутящих моментів М_кр

Для пресування виробів використовують прес-форми, конструкція яких визначається формою виробу і прийнятою схемою формування. Зазвичай фрикційним матеріалам надають форму сегменту, пластини, кільця або круга. Існує декілька схем пресування. Найчастіше застосовують наступні:

1. пресування кільцевих або сегментних плоских накладок, які надалі збираються із сталевим каркасом, що несе, і спекаются;

2. пресування кільцевих або сегментних накладок з одночасним формуванням з одного боку канавок для мастила (мал. 25);

3. напрессовка гладкого фрикційного шару з однією або з двох сторін на сталевий каркас, що несе;

4. напрессовка фрикційного шару з однією або з двох сторін з одночасним формуванням на нім канавок для мастила.

Тому для пресування виробів простій форми типу сегментів, пластин, кілець завтовшки до 6 мм застосовують прес-форми з одностороннім пресуванням. Для пресування фрикційних накладок великої товщини і складної форми застосовують прес-форми з двостороннім пресуванням з незалежним тиском на верхній і нижній пуансони. При пресуванні накладок з канавками робоча поверхня верхнього пуансона має профіль, що є дзеркальним зображенням профілю, який необхідне сформовать на накладці.

При пресуванні фрикційного шару з одночасною його напрессовкой на сталевий каркас з однією або з двох сторін застосовуються спеціальні прес-форми. У разі напрессовки шаруючи з одного боку процес ведуть таким чином. У порожнину матриці поміщають сталеву підкладку, а потім засипають шихту або тонкий шар порошку підшару і шихту. Пресування здійснюють за допомогою верхнього пуансона при витримці при максимальному тиску протягом 5—20 с. Після цього пресування виштовхується з прес-форми за допомогою нижнього плунжера і стрижнів.

Робота прес-форми для виготовлення кільцевих деталей з шарами з двох сторін полягає в наступному. На початку за допомогою нижнього пуансона виставляють висоту засипки шихти, відповідну товщині одного фрикційного шару. Потім опускають нижній пуансон і глибина камери засипки в матриці збільшується на товщину сталевого каркаса і висоту засипки, необхідної для формування другого фрикційного шару. Після цього укладають сталевий каркас, поверх якого засипають шихту. Після додатку навантаження і здійснення процесу пресування ходом нижнього пуансона вгору виріб выпрессовывается з прес-форми.

В цьому випадку важливою є відповідність об'єму порожнини матриці, обмеженого нижнім пуансоном і зрізом верхнього краю матриці, об'єму шихти, необхідної для формування фрикційного шару заданої товщини. Тому необхідно знати відношення висоти засипки шихти Н до товщини пресування h, яке називається коефіцієнтом висоти засипки K. = H/h. Тоді висота засипки H=Kh, а, у свою чергу, K=y_п/y_нас (Yнac — насипная щільність шихти, г/см³; у_п — щільність пресовки, г/см³, що визначається по формулі у_п=у_к (1—%)',ук — середня щільність компактної шихти, що визначається по формулі аддитивности, г/см³; х — пористість пресовки, долі одиниці). Зазвичай коефіцієнт висоти засипки лежить в межах 3—5.

Важливимі в практиці пресування є визначення оптимального тиску пресування, яке забезпечує задану щільність пресувань. Зазвичай щільність пресувань підвищується із збільшенням тиску пресування з одночасним зменшенням пористості. Проте інтенсивність зміни щільності і пористості при пресуванні різних матеріалів різна. Це обумовлено закономірностями ущільнення порошкової фрикційної шихти, які підкоряються загальним закономірностям ущільнення порошкових матеріалів, викладеними вище.

Стосовно пресування фрикційних деталей з матеріалів на основі заліза і міді потрібні різні зусилля пресування. Порошок міді пластичніший, ніж залоза, тому для тисне неметалічні компоненти (оксиди, карбіди), які, як наголошувалося вище, із-за твердості важко піддаються ущільненню, тим самим погіршуючи прессуемость матеріалів в цілому. Негативний вплив фрикційних добавок якоюсь мірою нейтралізується при введенні в шихту графіту. Графить при пресуванні виступає в ролі мастила, сприяючи ущільненню шихти в об'ємі пресування і зменшуючи втрати тиску на тертя ущільнюваного матеріалу об стінки прес-форми.

Оптимальний тиск пресування вибирають, виходячи з властивостей пресувань, перш за все їх щільності і міцності. Щільність за інших рівних умов залежить в основному від тиску пресування. Вона тим вище, чим більше тиск пресування. Щільність же надає безпосередній вплив на прочностные властивості пресувань.

Разом з впливом на процес ущільнення розглянутих вище чинників слід враховувати вплив на величину щільності геометричної конфігурації і розмірів пресованих виробів. Їх вплив обумовлений в основному різними втратами тиску на тертя об стінки прес-форми. За інших рівних умов втрати на тертя тим менше і, отже, щільність, що досягається, тим вище, чим більше відношення площі пресування до висоти деталі. Зазвичай для тонких кільцевих накладок це відношення значно більше, чим для призматичних або сегментних і, отже, частка зусилля, що витрачається на власне ущільнення шихти, вище.

Враховуючи різноманіття чинників, що впливають на процес пресування фрикційних матеріалів, важко запропонувати яку-небудь універсальну аналітичну залежність, що зв'язує тиск і щільність пресування, використовуючи яку, можна було б визначити оптимальне зусилля пресування у кожному конкретному випадку. Тому величина оптимального тиску пресування, як правило, визначається емпірично шляхом проведення досвідченої серії пресування і побудови діаграми пресування для даної шихти. Пресування доцільніше проводити в малогабаритній прес-формі, що зменшує витрату матеріалів і витрати часу.

По зусиллю пресування в малогабаритній прес-формі можна розрахувати зусилля пресування в реальних умовах для одного і того ж матеріалу при однаковій щільності пресування. Зусилля пресування в реальних умовах N можна визначити по формулі

де No — зусилля пресування в малогабаритній прес-формі;S°_пр S°тр — відповідно площа пресування і поверхня тертя в малогабаритній прес-формі; Sпp, _Sтp — відповідно площа пресування і поверхня тертя в реальних умовах; До — коефіцієнт, що враховує втрати на тертя, постійний для даної шихти (коефіцієнт До зазвичай приймають рівним 0,0815—0,0850 або обчислюють за формулою K=fе, де е — коефіцієнт бічного тиску, виходячи з даних по прессуемости порошку в різних прес-формах).

Як наголошувалося вище, однією з важливих властивостей фрикційних пресувань є їх достатня міцність, необхідна для подальшої технологічної обробки і забезпечення необхідних експлуатаційних характеристик. Зазвичай достатньою механічною міцністю володіють пресування з пористістю в межах 20— 30 %. У свою чергу, на міцність впливають склад фрикційного матеріалу, форма частинок порошків, їх розмір і стан поверхні. У загальному випадку міцність пресувань підвищується з посиленням впливу чинників, сприяючих поліпшенню формованості, тобто із збільшенням питомої поверхні, обумовленою формою частинок, зменшенням розміру частинок компонентів шихти і ступеня окисленности. Міцність пресувань зменшується також за наявності мастил в шихті. Таким чином, міцність фрикційних накладок на основі заліза, що містять неметалічні тверді добавки, що важко-деформуються, з частинками щодо правильної форми і графить, значно нижче, ніж накладок з матеріалів на основі міді. Для підвищення міцності пресувань бажане зменшення кількості мастил, застосування порошків з розвиненою поверхнею, збільшення відносного змісту пластичних порошків і порошків підвищеної міцності. Можливо також введення що пов'язує, як яке може бути використаний водний розчин поливинилового спирту або яке-небудь інша речовина, що віддаляється в процесі спікання.

При пресуванні фрикційних дисків великих діаметрів, особливий більше 200 мм, необхідно враховувати деформації під дією пружних сил після зняття навантаження і випресовки вироби, які викликають збільшення його об'єму. Це явище носить назва пружної післядії. Величина пружної післядії може досягати 4—5 % і підвищуватися із збільшенням твердості частинок і ослабленням дії чинників, сприяючих збільшенню міцності пресувань.

Пружна післядія приводить до того, що після зняття навантаження спресований диск прагне розширитися в основному в радіальному напрямі. За відсутності обмежень розширення в радіальному напрямі при діаметрі диска 200 мм може досягти 2 мм. У випадку, якщо такому розширенню перешкоджають стінки матриці, то деформація йде у вертикальному напрямі, що приводить до появи у виробі тріщин, а іноді і до його руйнування. Для запобігання цьому явищу необхідно удаватися до спеціальних прийомів пресування. Зокрема, можна проводити випресовку виробу без зняття навантаження верхнього пуансона в межах, що запобігають деформації виробу у вертикальному напрямі. Розглянуте явище найбільш характерний для дисків великих діаметрів, що виготовляються з матеріалів на основі заліза з великою кількістю неметалічних добавок. Воно є одній з причин, що утрудняють виготовлення накладок великого діаметру і напрессовку їх на сталеву основу.

Спікання. Спікання є основною операцією, що визначає формування остаточних прочностных і фрикційних властивостей виробів, а також їх структуру і геометричні розміри. Процес спікання здійснюється в спеціальних печах, конструкції яких декілька відрізняються від конструкцій печей, вживаних для спікання широкого класу порошкових матеріалів. Ця відмінність полягає в наявності вузла, що забезпечує додаток тиску до спекаемым виробів, роль якого буде розглянута нижче. Такі печі повинні відповідати наступним вимогам: мати пристрій, що забезпечує тиск на спекаемое виріб; забезпечувати мінімальний перепад температур за об'ємом спекаемого виробу (контейнера); мати достатню герметичність, що дозволяє застосовувати захисні газові середовища; повинні бути безпечними для обслуговування і мати високу продуктивність. Зазвичай у вітчизняній практиці застосовують шахтні або дзвонові і вертикальні прохідні печі.

При спіканні в шахтних печах виробу поміщають в спеціальний контейнер, чому передує збірка пакетів із спресованих фрикційних шарів, заздалегідь сполучених із сталевими каркасами або напресованих на них. Тиск на спекаемые вироби передається через спеціальні технологічні диски із сталі Х23н13. При збірці пакетів на диск прокладки поміщають лист щільного паперу з нанесеним на неї шаром графіту, оксиду алюмінію або вогнетривкої фарби, який перешкоджає зварюванню диска із спекаемыми виробами. На диск із запобіжним шаром укладають деталі, на які знову наносять шар запобіжних матеріалів і поміщають наступний диск. Такі цикли укладання повторюють до отримання необхідної висоти пакету, визначуваної габаритами контейнера і ходом навантажуючого гидроплунжера.

Зібрані пакети поміщають в контейнер, а потім в робочий простір печі. Після нагріву і ізотермічної витримки при температурі спікання контейнер разом з виробами поміщають в холодильник, де вони остигають під тиском до температури 200—250 °С (матеріали на основі заліза) і до 100—150 °С (матеріали на основі міді) протягом 6—12 ч.

Для спікання фрикційних дисків діаметром до 250 мм можна застосовувати вертикальні муфельні прохідні печі конструкції Броварського заводу порошкової металургії. Пекти дозволяє в безперервному циклі спекать і охолоджувати вироби під тиском. Для спікання в цій печі також проводиться збірка пакетів із спекаемых виробів, розділених між собою шаром азбестового паперу. Зібрані пакети за допомогою спеціальної завантажувальної камери періодично завантажуються в муфель печі. Нагрів виробів, їх спікання і охолоджування відбуваються у міру переміщення пакетів усередині муфеля печі по температурних зонах зверху вниз.

На процес спікання і формування физико-механических властивостей фрикційних матеріалів впливають температура, тиск и1 тривалість ізотермічної витримки. Певний вплив також роблять склад матеріалу і швидкість нагріву до температури спікання. Процес спікання фрикційних матеріалів підкоряється закономірностям спікання багатокомпонентних систем. При цьому реалізуються три схеми: спікання компонентів з необмеженою розчинністю, обмежено розчинних і не розчинних один в одному. Тому при спіканні слід чекати прояву ефектів Френкеля I і II роду, тиску кристалізації і інших процесів, що супроводжуються збільшенням об'єму виробів, появою дифузійної пористості і ін. Крім того, можлива взаємодія хімічних елементів і з'єднань, що входять до складу матеріалу, між собою і з навколишнім середовищем з утворенням нових з'єднань і зміною складу матеріалу.

Спікання матеріалів на основі заліза. Вплив технологічних чинників на процес спікання слід пов'язувати з впливом їх на структуру і щільність матеріалу. Спікання матеріалів н& основі заліза в загальному випадку підкоряється закономірностям спікання порошкових виробів. Проте многокомпонентность матеріалу, характер взаємодії компонентів між собою може привести до того, що при виборі технологічних режимів іноді доводиться відхилятися від загальноприйнятих закономірностей. Спікання матеріалів на основі заліза зазвичай проводять при 1040—1070 °С.

При виборі оптимальних режимів необхідно враховувати характер взаємодії компонентів при спіканні. Наявність міді у складі матеріалів на основі заліза сприяє інтенсифікації процесів спікання. Процес супроводжується розчиненням міді в залозі. При цьому максимальна розчинність складає 7—8 %. За наявності міді із збільшенням її змісту зростає кількість фериту і зменшується кількість структурно зв'язаного вуглецю за рахунок розпаду перлиту. Зменшення кількості перлиту і збільшення кількості фериту приводить до погіршення механічних властивостей, хоча мікротвердість вказаних фаз підвищується на 10—30 %.

Слід враховувати, що при спіканні зміст графіту зменшується. Це обумовлено його вигоранням в процесі спікання за рахунок взаємодії з оксидами металу основи і навколишнім середовищем. Частина графіту розчиняється в залозі з утворенням перлиту або включень цементита і частково залишається у вигляді включень структурно-свободного графіту. Кількість вигорілого графіту залежить від кількості і складу оксидів в матеріалі, температури і тривалості спікання, середовища, в якому воно проводиться. Підвищення температури, тривалість спікання і змісту оксидів обумовлює збільшення кількості вигорілого графіту. Так, наприклад, при збільшенні змісту кисню в шихті з 0,7 до 1,5 % втрати графіту зростають удвічі і досягають ~ 1,3 %. Спікання при температурі 1100 °С протягом 1 ч приводить до вигорання вуглецю в кількості до 2 %. Оксид кремнію при спіканні під каталітичною дією заліза відновлюється вуглецем по наступній схемі. Со2, що утворюється в результаті вигорання вуглецю, регенерує З по реакції

СО₂ + С = 2СО

і далі

SiO₂ + 2СО = Si + 2СО₂.

Кремній, що утворюється, розчиняється в залозі, тим самим зменшуючи вміст цементита в структурі. Останнє погіршує фрикційні властивості порошкового матеріалу, особливо при високих температурах.

На відміну від оксиду кремнію оксид алюмінію не взаємодіє із залізом і іншими компонентами шихти, тому не впливає на структуру сплавів на основі заліза. В процесі спікання поліпшуються контакти між частинками заліза і оксиду алюмінію за рахунок утворення поверхонь розділу з меншою поверхневою енергією.

Сульфат барія, що вводиться до складу фрикційного матеріалу, при спіканні відновлюється вуглецем по реакції

BaSO₄ + 4С = BаS + 4CO.

Введення сульфату барія сприяє поліпшенню фрикційних властивостей матеріалу з одночасним погіршенням його механічних властивостей. За певних умов на межі розділу сульфат барія — оксид алюмінію можливе утворення з'єднань ВаО×Аl₂O₃ типу шпінелей.

За наявності у складі фрикційних матеріалів карбідів в процесі спікання відбувається їх розчинення в залозі. Кількість розчиненого карбіду і характер взаємодії між компонентами можна з'ясувати з розрізів Fe—МеС потрійних діаграм стану системи залізо — вуглець — метал. Зазвичай розчинність карбідів в залозі при температурі спікання складає менше 1—2 %, що приводить до посилення зв'язку між ними.

Сукупність процесів, що протікають при спіканні, приводить до формування кінцевих властивостей матеріалів. При цьому із збільшенням температури спікання зростає щільність, що супроводжується підвищенням прочностных характеристик і твердості матеріалу (мал. 26). Останнє обумовлене інтенсифікацією механізмів спікання, що викликають зростання міжчасткових контактів, зменшення пористості, а також повнотою проходження дифузійних процесів, що приводять до утворення сплавів.

Характер залежностей, представлених на мал. 26, залишається таким же і для інших матеріалів на основі заліза. Не дивлячись на те що щільність і механічні характеристики зростають з підвищенням температури спікання, її для матеріалів на основі заліза і що містять мідь обмежують значеннями 1050—1070 °С. Вищі значення температури викликають плавлення міді і в умовах спікання під тиском витискування її по всьому контуру спекаемого виробу. Застосування вищих температур спікання аж до 1150 °С можливо тільки при малому змісті міді, сумірному з межею розчинності її в залозі, а за об'ємом — з об'ємом пор у порошковому виробі.

Рис. 26 Залежність щільності і механічних характеристик матеріалу на основі заліза МКВ—90А від температури спікання / — межа міцності на вигин, 2 — твердість, 3 — щільність, 4 — межа міцності на стиснення

Важливе значення має тривалість витримки при температурі спікання, яка разом з іншими технологічними чинниками істотно впливає на повноту протікання процесів спікання і утворення сплавів, що приводять до утворення міцного металевого каркаса і формування необхідної структури. Крім того, тривалість витримки при спіканні впливає на повноту протікання дифузійних процесів при взаємодії фрикційного шару з матеріалом сталевого каркаса, тим самим визначаючи міцність їх зчеплення. Зазвичай тривалість витримки залежить від початкового складу шихти, температури спікання, тиску, що прикладається, потрібних структури і властивостей отримуваного матеріалу. Як правило, із збільшенням тривалості витримки при температурі спікання підвищуються щільність, міцність і зносостійкість до якогось максимуму з подальшою стабілізацією цих значень або їх зменшенням. Оптимальними значеннями ізотермічної витримки при спіканні матеріалів на основі заліза є витримки протягом 2,5—3,5 ч.

Наявність у складі фрикційних матеріалів великої кількості неметалічних компонентів (графить, оксиди, карбіди, азбест), зміст яких може досягати 30—50 про. %, значно погіршує їх прессуемость і спікливість. В результаті цього в більшості випадків важко отримати вироби з пористістю менше 15—20 %. Тому для інтенсифікації процесу ущільнення і отримання виробів із заданою щільністю спікання фрикційних матеріалів найчастіше ведуть під тиском, прикладеним ззовні. Необхідність додатку тиску ззовні викликана також необхідністю запобігання збільшенню об'єму виробів, обумовленого проявом ефекту Френкеля I роду при дифузійній взаємодії заліза з вуглецем і іншими компонентами. Зовнішні зусилля при цьому повинні перевищувати зусилля, що виникають при збільшенні розмірів виробів. За інших рівних умов з підвищенням тиску при спіканні до 2,5—3,0 Мпа зростають щільність, твердість, зносостійкість і коефіцієнт тертя (мал. 27). Подальше підвищення тиску може привести до збільшення зносу і зменшення коефіцієнта тертя

Таблиця 21. Експлуатаційні властивості матеріалів на основі міді, спечених за різних умов

Останнє обумовлене значною деформацією матеріалів, появою тріщин. Найбільш сприятливе поєднання механічних властивостей і абразивних характеристик виробів спостерігається при спіканні під тиском 2,0—-2,5 Мпа.

Спікання матеріалів на основі міді. Як видно з даних табл. 20, основними компонентами, що входять до складу фрикційних матеріалів на основі міді, є мідь, олово, залізо, свинець, графить, іноді оксиди кремнію і алюмінію, азбест і ін. Тому структуроутворення при спіканні цих матеріалів визначатиметься взаємодією і поведінкою цих компонентів. Основним процесом, що визначає кінетику спікання в цьому випадку, є взаємодія в системі мідь — олово і подальше спікання продуктів взаємодії, що утворилися. Взаємодія починається вже в процесі нагріву матеріалу при температурі 200 °С і надалі проходить відповідно до діаграми стану Sn — Сі через стадії утворення інтерметалевих з'єднань і твердих розчинів в послідовності фаза→ε-фаза→α_тв.р. Таким чином, при спіканні при температурі 800°С практично повністю утворюється а-твердый розчин. Процес утворення сплавів супроводжується взаємною дифузією компонентів. При цьому, у зв'язку з нерівністю парціальних коефіцієнтів гетеродифузії DSn-Cu>>DCu-Sn, можливе збільшення об'єму виробу і виникнення дифузійної пористості. Виникнення пористості приводить до погіршення механічних властивостей, зниження теплопровідності і зносостійкості.

Наявність свинцю у складі матеріалу не викликає утворення нових структурних складових, оскільки максимальна розчинність його в міді не перевищує 0,3 %. В процесі спікання свинець розплавляється і в структуру кінцевого продукту входить у вигляді включень округлої форми, що сформувалися з розплаву під дією сил поверхневого натягнення. Розподіл свинцю за об'ємом вироби залежить від розподілу пористості в нім, оскільки свинець, розплавляючись, заповнює об'єм пір. Тому спостерігається нерівномірність розподілу свинцю в шарувато-профільних виробах з сформованими в процесі пресування канавками, нерівномірність розподілу пористості в яких складає 7,6—17 %.

Залізо, що входить до складу фрикційних матеріалів, при температурах спікання розчиняється в міді в кількостях, що не перевищують 0,4—0,5 %, тому в структуру матеріалу, як правило, входить у вигляді включень, що не розчинилися, міцно пов'язаних з основою.

Якщо частинки порошку заліза окислені, то в процесі спікання відбувається їх відновлення, що супроводжується активуванням процесу спікання. З іншого боку, відновлення оксидів заліза і особливо мідь з утворенням газоподібних продуктів в процесі спікання може привести до зростання об'єму виробів і їх розтріскування. Останнє обумовлене тим, що за рахунок пластичності міді і наявності в шихті олова в пресуваннях після прессова-

ния і в початковий період спікання утворюється велика кількість закритих пір. Це утрудняє вихід газів з них при подальшому нагріві виробу. Гази, що розширюються при нагріві, створюють тиск в закритих порах, який може перевищити тиск лаплас-совских сил, що викликають скорочення об'єму пір. В результаті цього можливе збільшення об'єму виробу або його розтріскування за рахунок руйнування матеріалу під дією тиску газу в закритих порах.

Оксид кремнію, графіт і азбест з міддю практично не взаємодіють, і сила зв'язку між ними виникає, як і у разі матеріалів на основі заліза, за рахунок утворення нових поверхонь розділу з нижчою вільною поверхневою енергією.

Кінетика процесів спікання, фрикційних матеріалів, що відбуваються при спіканні, на основі міді, визначається температурою спікання. Проте унаслідок причин, вказаних вище, для запобігання збільшенню об'єму виробів і зменшення їх пористості спікання, як правило, проводять під тиском, яке, як і температура, впливає на формування кінцевих властивостей виробу. Як видно з мал. 27, усадка при спіканні, щільність і механічні характеристики зростають з підвищенням температури і тиску. При цьому темп зростання усадки за інших рівних умов більше при збільшенні тиску, що прикладається, чим при підвищенні температури.

Таблица 21. Эксплуатационные свой­ства материалов на основе меди, спечен­ных при различных условиях

Таблица 21. Эксплуатационные свой­ства материалов на основе меди, спечен­ных при различных условиях

Рис. 27. Залежність усадки AV/V, пористості П, твердості НВ, межі міцності на вигин о"п фрикційного матеріалу на мідній основі від температури спікання tc і прикладеного тиску Р: 1 — 0,5; 5—1,0; 3 — 2,0; 4 — 3,0 Мпа.

Таблиця 21. Експлуатаційні властивості матеріалів на основі міді, спечених при різних умовах

Температура спікання ,◦С	Час витримки, год	Тиск, МПа	Середній кофіцієнт тертя	Середнє зношення після1000 гальмувань, мм
560	8	7,45	0,061	0,102
580	4	7,45	0,076	0,095
580	6	7,45	0,076	0,095
580	8	7,45	0,072	0,090
600	4	7,45	0,064	0,120
600	6	7,45	0,082	0,090
760	4	2,50	0,067-0,082	0,100-0,190

З підвищенням температури при постійному тиску механічні характеристики виробів поліпшуються, що обумовлене повнотою проходження

утворення сплавів і утворення б-твердого розчину. Слід зазначити, що

при спіканні при температурі, нижче 700 °С, структура основи матеріалу завжди характеризується його концентраційною неоднорідністю, а при температурах вище 700 °С, завжди утворюється однорідний б-твердый розчин. Проте, не дивлячись на різний характер розподілу б-твердого розчину залежно від температури спікання, збільшуючи тиск, що прикладається при спіканні, можна отримати вироби з такою ж щільністю і механічними властивостями при температурі 600 °С, як і при температурі 750 °С, після меншого тиску.

Таблиця 22. Експлуатаційні характеристики фрикційних матеріалів на основі міді (МК—5), спечених при температурі 750° З і тиску 2,5 Мпа

Час витримки при спікані,год	Зношення за 400 гальмувань, мкм	Коефіцієнт тертя
		fср	fmax
1	475	0,063	0,148
2	520	0,058	0,148
3	530	0,063	0,140
4	464	0,060	0,150

Структурна неоднорідність матеріалу основи також не робить істотного впливу на фрикційні характеристики і зносостійкість. Матеріали, спечені при різних температурах, але що мають однакову щільність, характеризуються однаковими експлуатаційними властивостями (табл. 21).

Тривалість витримки при температурі спікання визначає ступінь гомогенності сплавів, що утворюються. Не дивлячись на те що утворення а-твердого розчину при температурі 750°С закінчується протягом 15 мін, повна гомогенізація сплаву наступає після ізотермічної витримки протягом 1—2 ч. Тиск, що прикладається при цьому, прискорює ці процеси. Подальше збільшення тривалості витримки при спіканні не приводить до зміни властивостей виробів і їх експлуатаційних характеристик (табл. 22).

На підставі вищевикладеного при спіканні матеріалів на основі міді рекомендується підтримувати температуру в межах 650—900 °С при тиску 0,5—2,5 Мпа і тривалість ізотермічної витримки менше 1 ч.

Певне значення при спіканні фрикційних матеріалів на основі як залоза, так і мідь має швидкість нагріву до температури спікання. Висока швидкість нагріву недопустима в тих випадках, коли вона є причиною виникнення до моменту початку ізотермічної витримки градієнта температур за об'ємом спекаемого пакету. В цьому випадку зменшується тривалість витримки при спіканні в зонах із зниженою температурою. Наслідком цього є неоднорідність властивостей отримуваних виробів. Для запобігання виникненню такого градієнта температур швидкість нагріву, особливо для великих пакетів, слід обмежувати 100—150 град/ч.

Іншою причиною обмеження швидкості нагріву або необхідності ізотермічних витримок при температурі, нижче за температуру спікання, є газовиділення при проходженні процесів відновлення і вигорання що пов'язує або смаз ки. Так, наприклад при спіканні матеріалів на основі міді рекомендується уповільнювати швидкість нагріву або робити ізотермічну витримку при температурі 350—400 °С для забезпечення поступового видалення газоподібних продуктів. Інакше можливе розтріскування виробів або збільшення їх об'єму.

Істотний вплив на структуру і властивості матеріалів на основі заліза, що містять графить, надає швидкість охолоджування після спікання. При швидкостях охолоджування до 4,1 град/мин утворюється структура тонкопластинчатого перлиту, при збільшенні швидкості до 40 град/мин утворюється сорбитообразный перлит, а при 500 град/мин в структурі з'являється мартенсіт. Відповідно до цього прочностные характеристики матеріалів із збільшенням швидкості охолоджування підвищуються.

Механічна обробка. Після здійснення процесів спікання і охолоджування до температури, нижче 100 °С, пакети поступають на ручне або механізоване розбирання на спеціальній установці герметичного типу. Останнє обумовлене рясним пы-левыделением у зв'язку з наявністю великої кількості золи від паперу прокладки і графіту. Вироби після розбирання пакетів поступають на зачистку, яку здійснюють сталевими щітками уручну або на спеціальній зачистной машині. Проводять зачистку від залишків паперу, графіту, напливів металу (міді, свинцю олова), які можуть в процесі спікання знаходитися в рідкому стані і за певних умов видавлюватися з матеріалу під дією тиску. Такій же обробці піддають сталеві диски прокладок, які після зачистки поступають в початок процесу.

Після зачистки деталі піддають контролю і при необхідності направляють на додаткову механічну обробку. Найбільш поширеними операціями механічної обробки є допресування, чеканка канавок, нарізування змащувальних канавок, токарна обробка, свердлення отворів для кріплення, шліфування і ін.

Допресування проводиться в основному для тих деталей, які спекались без тиску з метою отримання заданої щільності. Можливе допресування і для деталей, спечених під тиском. В цьому випадку ця операція допоміжна і призначена, як правило для усунення викривлення деталей. Залежно від мети допресування вона може проводитися в прес-формах або без них вищі характеристики матеріалів виходять в тих випадках коли допресування ведеться при температурі порядка 300 °С Допресування можна суміщати з чеканкою канавок для мастила за допомогою профілюючого пуансона. Канавки також можна нарізувати фрезеруванням. У випадку, якщо в порощКовых дисках відсутні кріпильні отвори, їх свердлять в готових деталях. Завершальною операцією механічної обробки є шліфування поверхні з метою додання їй паралельності. При виборі режимів шліфування необхідно враховувати погану тепло неметалічних добавок. В результаті може виникати локальний перегрів в зоні шліфування, що приводить до утворення прижогов і погіршенню якості поверхні фрикційного матеріалу.

При необхідності отримання фрикційного шару з певним радіусом кривизни його після нарізування канавок згинають.

Контроль якості готових виробів. Готові вироби контролюють на вигляд, геометричним розмірам, хімічному складу, твердості, мікроструктурі, фрикційним властивостям і якості з'єднання фрикційного шару з підкладкою. Властивості деяких найбільш широко вживаних у вітчизняній практиці фрикційних матеріалів повинні відповідати властивостям, приведеним в табл.18.

За допомогою візуального огляду виявляються зовнішні дефекти: оплавлення, сколы, тріщини, розшаруй, вм'ятини, окислення, зсув фрикційного шару щодо сталевого каркаса. У кожному конкретному випадку вирішується питання про можливість використання виробу і виправлення браку.

Геометричні розміри виробів контролюють, вимірюючи їх штангенциркулем і мікрометром з точністю до 0,01—0,10 мм. Відхилення розмірів від заданих не повинне перевищувати 0,3— 0,7 мм. При викривленні деталей проводять їх рихтування допрессов-кой, чеканкою або яким-небудь іншим способом.

Хімічний склад, твердість, структуру контролюють по загальноприйнятих методиках.

Фрикційні характеристики можна контролювати методами визначення фрикційної теплостійкості і теплового удару. Під фрикційною теплостійкістю зазвичай розуміють здатність матеріалів фрикційної пари зберігати незмінними значення коефіцієнтів тертя в широкому діапазоні температур. Визначають фрикційну теплостійкість на машинах тертя І-47 і НИМ-58.

При контролі фрикційних характеристик методом теплового удару використовують тільки машину НИМ-58. Перевагою методики визначення характеристик на цій машині є те, що досліджувані матеріали знаходяться в умовах, найповніше відповідних реальним у вузлах тертя.

Якість з'єднання фрикційного шару із сталевим каркасом контролюють шляхом вигину через валик, діаметр якого залежить від розміру деталі. По характеру зламу судять про якість зчеплення. Якщо фрикційний шар в зламі не відокремився від каркаса або розшарування пройшло по шару, то якість вважається нормальною, якщо ж фрикційний шар відокремився від каркаса, то міцність зчеплення вважається недостатньою. Всі деталі партії бракуються.

Питання для самоконтролю

1. Дайте класифікацію фрикційних матеріалів і назвіть області їх застосування.

2. Які компоненти застосовуються для виготовлення фрикційних матеріалів? Охарактеризуйте їх властивості і призначення.

3. Дайте характеристику загальної технологічної схеми виробництва фрикційних матеріалів.

4. Як виготовляють фрикційні матеріали на основі міді?

5. Дайте характеристику складів і технології виготовлення фрикційних матеріалів на основі заліза.

6. Як впливає конструкція фрикційних матеріалів на їх експлуатаційні характеристики?

7. Перерахуєте особливості спікання фрикційних матеріалів на основі заліза і міді.