1.7. Технологія виготовлення порошкових матеріалів конструкційного призначення на основі тугоплавких металів

До традиційних тугоплавким металів, з яких одержують вироби методом порошкової металургії, відносять вольфрам, молібден, тантал і ніобій. Такі порошкові вироби конструкційного призначення застосовуються в електротехніці, високотемпературної, атомної та космічної техніки. Основна перевага тугоплавких металів полягає в їх високих міцнісних характеристики при температурах понад 1200 ° С. Недоліком тугоплавких металів, що обмежує їх застосування, є висока здатність їх до окислення, а для танталу і ніобію також здатність до газонасичених. Тому ці метали в чистому вигляді використовують тільки для виготовлення виробів, що експлуатуються в безкисневих середовищах або у вакуумі. Широко використовуються тугоплавкі метали в космічній і ракетній техніці, літакобудуванні. З них виготовляють сопла камер згоряння, лопаті та інші деталі, що працюють при температурах понад 1300 ° С. Крім того, тантал, що володіє високою стійкістю проти агресивних середовищ, застосовується в хімічній промисловості. Широке застосування знаходять також сплави тугоплавких металів: W-Мо, Та-W-Hf, W-ТhO2, Nb-W-Zr та інші, жароміцних яких перевищує чистих металів.

Для виготовлення порошкових конструкційних деталей з тугоплавких металів в основному застосовують методи порошкової металургії (схема 7). Особливістю формування порошків тугоплавких металів є те, що вони внаслідок їх високої твердості мають низьку формуємість, схильність до розслоювання при пресуванні. Крім того, низька пластичність тугоплавких металів призводить до зменшення діапазону відносної щільності пресовок, тому при холодному пресуванні в сталевих прес-формах необхідно точно витримувати оптимальні тиску для отримання заготовок потрібної міцності без розшарувати. Для цього при пресуванні порошків тугоплавких металів доцільно застосовувати бездеформаційного способи формування, наприклад віброущільнення, шлікерное лиття і т. п., а також гаряче і ізостатичного пресування. Крім властивостей матеріалу на пресованої порошків істотно впливають їх гранулометричний склад, форма часток і насипна щільність. Чим дрібніше порошок, тим менше його насипна щільність і нижче формуємість. Наприклад, насипна щільність монодисперсних порошків вольфраму лінійно зростає із збільшенням середнього розміру частинок (рис. 6). Це пов'язано зі зменшенням сил зчеплення між частинками при збільшенні їх розмірів і, значить, при більш щільною їх упаковці. Поєднання великих і дрібних частинок порошків також призводить до зростання насипної щільності. Тому для поліпшення формуємості порошків тугоплавких металів великі й дрібні частинки порошків змішують.

При ущільненні порошків вольфраму найбільш висока щільність досягається в разі використання суміші 80% порошків з великими частками (> 10 мкм) і 20%-з дрібними (1-2 мкм).

Схема 7. Технологічні схеми отримання конструкційних порошкових деталей з тугоплавких металів

Відносно висока щільність заготовок з порошків тугоплавких металів виходить при пресуванні в гідростатах під тиском ~ 1800 МПа. При цьому відносна щільність, що досягається, дорівнює 90 %. Проте унікальність використовуваного устаткування, неможливість отримувати деталі великих розмірів гальмують промислове застосування цього методу. В цьому відношенні прийнятніший метод пресування на звичайних гідравлічних пресах з використанням товстостінних еластичних оболонок. Міцність отримуваних при цьому пресувань дозволяє піддавати їх механічній обробці до спікання.

Рис. 6. Залежність насипної щільності порошку вольфраму γ_W від середнього розміру його частинок r.

Широке застосування при формуванні заготовок тугоплавких металів знаходить схема незалежного тривісного навантаження (рис. 7), перевагою якої є можливість незалежного варіювання осьового тиску, що створюється рухомими пуансонами, і бічного тиску, що створюється рідиною.

Рис. 7. Схема прес-форми для незалежного тривісного навантаження:

1 — камера; 2 — пуансон; 3 — ущільнюваний матеріал; 4 — еластична оболонка; 5 — рідина; 6 — перфорований стакан.

Перспективним методом формування малопластичних тугоплавких металів є віброімпульсне пресування, здійснюване електророзрядних гідроімпульсним вібраторами. Так, наприклад, при пресуванні вольфраму досягається відносна щільність ~ 85%. У процесі пресування порошок навантажується статичним тиском 40-50 МПа з одночасним додатком до нього імпульсів з частотою 6-10 Гц. Тривалість процесу - 20-40 с. У процесі ущільнення за рахунок високої інтенсивності дії імпульсних навантажень на порошок відбувається сильне викривлення їх кристалічної решітки, що активує процес спікання отримуваних заготовок.

При виборі методу формування поряд з урахуванням властивостей порошків необхідно враховувати і габарити деталі. При виробництві малогабаритних виробів та невеликих штабиків застосовують пресування порошку з губчастою формою часток у сталевих прес-формах на гідравлічних пресах при тиску 150-500 МПа. Отримувана пористість заготовок становить 30-40%. Для поліпшення пресованої до порошку додають змазку і клеючі речовини, наприклад розчин гліцерину в спирті (1,5:1), парафіну в бензині і т. п. При тиску понад 600 МПа в пресуванні можуть з'являтися тріщини.

Для виготовлення штабиків більшого розміру і виробів складної форми масою 100-300 кг і більше пресування проводять у гідростат з використанням еластичних оболонок при тиску від 200 до 700 МПа. Пористість заготовок при цьому становить 30 - 35%.

Оскільки при формуванні не вдається одержати щільні заготовки, то при спіканні значно змінюються лінійні розміри виробу за рахунок усадки, що знижує геометричну точність розмірів деталі. Тому для порошкових тугоплавких металів і сполук особливе значення має розмірна обробка - механічна, електрофізичних або електромеханічна.

Спікання виробів з чистих тугоплавких металів застосовується в основному для одержання заготівок з міцністю, достатньої для подальшої обробки (спікання шляхом прямого пропускання струму, кування, прокатки). Найчастіше для отримання виробів застосовують активований спікання за рахунок додавання невеликих кількостей металів підгрупи заліза. При цьому поряд зі зниженням температури спікання зменшується розмір зерен порошкових матеріалів і, як наслідок, підвищуються їх механічні властивості. Найбільш ефективне активуюча вплив на спікання молібдену і вольфраму надають добавки нікелю і паладію в кількості 0,5%, які знижують температуру спікання вольфраму і молібдену на 800-1000 ° С і сприяють отриманню виробів щільністю понад 90% (рис. 8). Активуюча вплив полягає в тому, що кожна частка тугоплавкого металу виявляється покритою тонким шаром розплаву металу добавки. За рахунок переважної дифузії тугоплавкого металу в розплав на поверхні твердої частинки виникає надмірна кількість вакансій, які, взаємодіючи з дислокаціями, призводять до підвищення плинності матеріалу. Крім того, плівка розплаву має малу в'язкість та сприяє взаємному ковзання часток тугоплавкого металу один відносно одного.

Рис. 8. Залежність щільності порошкового вольфраму γ_w від вмісту нікелю С_Ni (температура спікання 1300 °С).

Вибір середовища спікання порошків тугоплавких матеріалів визначається можливістю активації процесу спікання та рафінування матеріалу. Так, спікання виробів з порошків вольфраму і молібдену в середовищі зволоженого водню активує процес усадки, а в середовищі осушеного водню відбувається рафінування щодо кисню при температурі понад 2000 ° С.

Активація процесу усадки при спіканні в середовищі зволоженого водню обумовлено процесами окислення - відновлення на поверхні частинок, що підсилює поверхневу дифузію атомів. Остання прискорює утворення і зростання контактів, сфероідізацію пор і тим самим збільшує усадку при більш низьких температурах спікання.

При спіканні ніобію і танталу, схильних до сильного газопоглинання, застосовують вакуумні печі. Спікання у вакуумі дозволяє очистити матеріали від газів, що в кінцевому підсумку підвищує пластичність тугоплавких металів.

Для отримання виробів з вольфраму використовують порошки з частками губчастої форми (утворюються при відновленні ангідриду вольфраму воднем) та округлої, близької до сферичної форми (утворюються при відновленні галогенідів вольфраму воднем, карбонільні, плазмовим методом, розпиленням за методом обертового електрода). Для поліпшення пресованої вольфрамових порошків їх піддають грануляції з додаванням пластифікаторів. Заготівлі простої форми (штабики, платівки, втулки і т. п.) формують у сталевих прес-формах при тиску 500 МПа. Пористість отримуваних заготовок становить 35-40%. Великогабаритні заготовки і заготовки складної форми формують способами, що забезпечують всебічний стиснення. Наприклад, великогабаритні заготовки з порошків вольфраму одержують гідростатичним пресуванням при тиску рідини до 250 МПа. Пористість отримуваних заготовок становить 30-35%.

При спіканні заготовок вольфраму пористістю понад 30% необхідний нагрівання до температур близько 3000 ° С, що не завжди можна реалізувати. Крім того, при таких температурах спікання спостерігається інтенсивне зростання зерен вольфраму, що знижує міцнісні властивості виробів. Тому заготовки простої конфігурації, наприклад штабики, спікають у дві стадії. Першу стадію спікання штабики проводять при температурі 1150-1300 ° С в середовищі водню при тривалості ізотермічної витримки 0,5-2 год з метою підвищення міцності і електропровідності штабики, що необхідно для подальшого високотемпературного спікання. Другу стадію спікання проводять при температурі 2900-3000 ° С в середовищі водню. Нагрівання проводиться прямим пропусканням струму через штабики.

Заготівлі вольфраму, отримані спіканням, піддають подальшій обробці - куванні, прокатці і штампування. Зазначені операції виконують при температурах 400-1800 ° С, оскільки при кімнатній температурі вольфрам має високу крихкістю. Вироби круглого перетину, наприклад вольфрамову дріт, отримують куванням на ротаційних-кувальних машинах при 1400-1600 ° С заготовок вольфраму, спечених прямим пропусканням струму. Ротаційній-кувальні машина деформує заготовку зі швидкістю 10 тис. ударів в, хвилину. Ступінь деформації за одну операцію не повинна перевищувати 10%. У процесі деформування заготівля ущільнюється, набуває волокнисту структуру, підвищується її в'язкість, що дозволяє знизити температуру ковки до 600-800 ° С. Після ковки дріт протягують через фільєри при температурі 600 ° С до діаметра 0,3-0,1 мм.

Плоскі заготівлі (листи та смуги) з порошкового вольфраму одержують куванням і прокаткою. На першому етапі проводять високотемпературну ковку при 1600-1800 ° С. При звичайній куванні вольфрам ущільнюється менш інтенсивно, ніж при ротаційній, тому необхідно якомога більше ущільнити його при спіканні. Чим вище вихідна щільність порошкової заготовки, тим менше ймовірність утворення дефектів при куванні. На другому етапі деформування проводять при температурі близько 1100 ° С. Після ковки заготівлю піддають прокатці для вирівнювання поверхні і створення рівномірної товщини по всій площі. Прокатку виробляють у кілька проходів заготовки при температурі 1300 ° С. Обтиснення за один прохід не повинно перевищувати 5%. При зменшенні товщини прокату пластичність вольфраму підвищується і при досягненні товщини 1 мм з'являється можливість проводити холодну прокатку з проміжним відпалом. Температура відпалу не повинна перевищувати температуру початку рекристалізації, при якій різко знижується пластичність. Рекристалізація холоднодеформовані вольфраму починається при температурі 1200 (чистий метал) і 1600 ° С (метал, легований добавками, що гальмують рекристалізації: ТhО₂, У₂О₃ та ін.).

Рис. 9. Залежність температури обробки t вольфрамової заготівки від товщини листа l:

1 — вигинання; 2 — штампування; 3 — кування

Подальшу обробку вольфрамових заготовок для отримання конструкційних виробів проводять нагрітим інструментом при температурі заготовки, що залежить від виду обробки в товщини вихідного листа (рис. 9). Так, наприклад, з вольфрамового листа товщиною 10-12 мм вирубують коло діаметром 500 мм, який ротаційним витискуванням при температурі 600 X перетворюють в сопло ракети. Остаточні геометричні розміри одержують механічною обробкою.

Для виготовлення виробів складної форми з порошків вольфраму з щільністю, близькою до теоретичної, застосовують гаряче ізостатичного пресування при тиску 200-300 МПа і температурі 1400 ° С або активують процес спікання. Для активації процесу спікання вольфраму в шихту вводять присадки, в основному нікель, у кількості 0,1-0,5%. Це дозволяє отримати при температурах спікання 1300-1600 ° С вироби з порошку вольфраму щільністю понад 95%. Структура таких виробів відрізняється дрібним равноосним зерном і пористістю порядку 5%, що забезпечує ізотропності їх властивостей.

Оскільки порошковий вольфрам не піддається деформації при кімнатній температурі і механічна обробка його також ускладнена, то при виготовленні деталей конструкційного призначення в першу чергу враховують фізичні властивості вольфраму, тобто виготовляють деталі, що працюють в умовах, де застосувати інші матеріали неможливо, наприклад порошкові вольфрамові конструкційні деталі вакуумних печей (шайби, фланці, прокладки).

Інше застосування порошкового вольфраму - виготовлення конструкційних деталей з великою щільністю (важких сплавів) - противаг балансирів, маховиків гірокомпас, деталей захисних пристроїв від гамма-випромінювання. При виготовленні зазначених деталей необхідно отримувати 100%-у щільність. Це досягається введенням в вольфрамовий порошок зв'язуючих металів NiСu, Ni-Fе, Ni-Fе-Сu у кількості до 10%.

Таблиця 4. Режими технологічних операцій виготовлення виробів з тугоплавких металів

Гарні результати виходять у тому випадку, коли суміш готується не механічним змішуванням, а хімічним осадженням компонентів. При цьому ангідрид вольфрамової кислоти просочується нітратами або сульфатами міді, нікелю та заліза, потім суміш розкладається на повітрі і відновлюється в середовищі водню при температурі 500 ° С. У результаті виходить тонкодисперсні і рівномірний розподіл компонентів по всьому об'єму заготовки.

Механічні властивості важких сплавів залежать від умов спікання, які повинні забезпечити наявність оптимальної кількості рідкої фази, яка обумовлює отримання безпористої структури за рахунок перекристалізації вольфраму через рідку фазу. Температура спікання становить 1400 ° С. Для важких сплавів важливою характеристикою є рівномірність розподілу вольфраму за всім обсягом заготівлі. Тому при спіканні застосовують тривалі ізотермічні витримки.

Молібденові порошки одержують відновленням оксиду молібдену (VI) воднем. Пресують їх при тиску 200-300 МПа (пористість 40-35%). Попереднє спікання проводять при 1100-1200 ° С в середовищі водню, а остаточне - за 1850 - 2200 ° С. Нагрівають заготовки прямим пропусканням струму через них.

Спікати великогабаритні вироби можна у вакуумній методичної печі з графітовими стрижневими нагрівачами. Температура остаточного спікання 1900-1950 ° С, тривалість витримки - 6-9 год, залишковий тиск - 0,13 Па. Заготівлі масою 100-300 кг спікають в індукційній печі в середовищі водню при температурі 1700-1850 ° С і ізотермічної витримці протягом 3-15 год Подальша обробка спечених молібденових заготовок аналогічна обробці вольфрамових і відрізняється лише більш низькими температурами нагріву (табл. 4) .

Танталові порошки пресують при тиску 300-800 МПа. Величина тиску визначається розміром і формою часток порошку. Так, дрібнозернисті порошки, отримані натрієтермічним відновленням, пресують при тиску 300-500 МПа, а грубозернисті, отримані електролізом - при тиску 700 - 800 МПа. При пресуванні руйнуються відносно тонкі оксидні плівки і встановлюється металевий контакт між частинками, необхідний для забезпечення електропровідності.

Перед пресуванням до порошку танталу додають розчин гліцерину в спирті для зменшення тертя. Попереднє спікання заготовок проводять у вакуумі при температурі 1000-1200 ° С. Через значне газовиділення в процесі спікання необхідний повільний підйом температури, інакше гази залишаться у закритих порах і буде ускладнено їх вільне видалення з заготовки. Тиск в печі при попередньому спіканні не повинно перевищувати 0,6 Па. Спечені заготовки охолоджують в печі. Остаточне спікання заготовок проводять прямим пропусканням струму у вакуумних зварювальних апаратах за наступним режиму: створення в апараті тиску 0,13 Па, повільний підйом температури заготовок до 1000 ° С, витримка при цій температурі для видалення адсорбованих і розчинених газів, подальший підйом температури до 2300 ° С, витримка для випаровування домішок (лужні метали, оксид вуглецю (II), оксид кремнію (II), підвищення температури до 2600-2700 ° С. Загальна тривалість зварювання залежить від кількості домішок у танталі і становить 8-12 годин (натрієтермічний порошок) і 4-6 год (електролітичний порошок).

Після зварювання заготовки мають пористість 10-15%. Для зменшення пористості проводять кування заготовок на холоді з обтисненням 15-20%, відпал, який здійснюють у зварювальних апаратах при температурі 2400 ° С протягом 1 ч. Потім повторюють ковку з обтисненням 25% і відпал у вакуумі. У результаті одержують безпористу заготовку.

Порошковий ніобій отримують за такою ж технологічною схемою. Заготовки пресують при тиску 100-150 (дрібнозернисті порошки) або 700-800 МПа (грубозернисті порошки) і спікають їх у вакуумі. Температура остаточного спікання становить 2300 ° С. Режими технологічних операцій виробництва виробів з порошків тугоплавких металів наведено в табл. 4.

Питання для самоконтролю:

1. За якими ознаками класифікуються конструкційні матеріали?

2. Дайте характеристику загальної технологічної схеми виробництва конструкційних матеріалів.

3. Які ви знаєте методи отримання мало-і средненагруженних конструкційних деталей?

4. Які ви знаєте методи отримання важко навантажених конструкційних деталей?

5. Охарактеризуйте технологію виготовлення конструкційних матеріалів пропиткою пористого залізного каркаса легкоплавкими металами і сплавами.

6. Який вплив чинять легуючі добавки на структуру і властивості конструкційних матеріалів?

7. Розкажіть про особливості технології виготовлення конструкційних матеріалів на основі тугоплавких металів.

8. Розкажіть про закономірності хіміко-термічної обробки конструкційних деталей.

8. Расскажите о закономерностях химико-термической обработки конструкционных деталей.

Розділ 2. АНТИФРИКЦІЙНІ МАТЕРІАЛИ

2.1. ВИМОГИ ДО АНТИФРИКЦІЙНИХ МАТЕРІАЛІВ

До антифрикційні матеріалами зазвичай відносять матеріали, що працюють у вузлах тертя - ковзання. До них, крім низького коефіцієнта тертя, висуваються й інші вимоги, які залежать від умов їх експлуатації. А експлуатуватися вони можуть у легконавантажених вузлах і у вузлах, що несуть великі навантаження, в агресивних середовищах, в умовах підвищених і знижених температур, при високому тиску і в глибокому вакуумі. Крім того, антифрикційні порошкові матеріали можуть працювати в умовах сухого тертя, а також за наявності рідкого змащування, що подається ззовні або за рахунок самозмазування. У свою чергу, умови роботи матеріалів визначаються областями їх застосування. Вони можуть застосовуватися в машинах і механізмах загального призначення, які широко використовуються в народному господарстві і в побуті, а також у спеціальних галузях народного господарства і нової техніки-атомної енергетики, ракетної та космічної техніки, хімічної та металургійної промисловості.

Залежно від галузі застосування та умов роботи до антифрикційні матеріалами пред'являються наступні вимоги: низький коефіцієнт тертя, висока зносостійкість, здатність утворювати шари вторинних структур, запобігати схоплювання, володіти об'ємної та поверхневої міцністю, високу несучу здатність, досить високою теплопровідністю, самозмазуванністю, економічністю технології виготовлення та ін

Коефіцієнт тертя антифрикційних матеріалів для умов сухого тертя повинен дорівнювати 0,12-0,30, а для умов тертя з мастилом - 0,04-0,10. Його величина залежить від складу матеріалу, його структури, пористості та умов роботи. Зменшення коефіцієнта тертя сприяє зниженню тепловиділення, зносу тертьових пар і, тим самим, підвищенню довговічності вузла тертя. У порошкових матеріалах низький коефіцієнт тертя і його стабільність багато в чому забезпечуються за рахунок ефекту самозмазуванністі і введення твердих мастил, таких як графіт, сульфіди металів та ін. Істотно знижується коефіцієнт тертя завдяки окислювальних процесів утворення оксидних плівок на межі розділу робочих поверхонь.

Зносостійкість поряд з іншими властивостями визначає довговічність вузла тертя. На неї впливає міцність матеріалу, його структура, твердість як антифрикційного матеріалу, так і сполученого та ін При цьому зносостійкість визначається, головним чином, властивостями вторинних структур, що утворюються на поверхнях тертя.

Вторинні структури утворюються в початковий період роботи за рахунок диспергування матеріалу поверхонь тертя і його змішування з частками оксидів, графіту та інших речовин, що входять в матеріал у вигляді присадок. При цьому під дією локального виділення теплоти і тиску відбувається спікання утворюється суміші з отриманням на поверхні антифрикційного матеріалу шару речовини зі структурою, характерною для дисперсно-зміцнених матеріалів. Стійкістю таких знову утворених вторинних структур визначається зносостійкість матеріалу і його стійкість у роботі.

Якщо не утворюється досить міцний і зносостійкий шар вторинних структур, що захищає основний матеріал пари тертя від безпосередньої взаємодії, виникає схоплювання, мікрорізання, шаржування, що викликає зниження працездатності вузла тертя в цілому.

Припрацьовуваність матеріалу також відіграє важливу роль у процесі його експлуатації і залежить від здатності генерувати шари вторинних структур в результаті комплексу фізичних, фізико-хімічних і механічних процесів, що протікають при терті. Вона залежить від властивостей матеріалу, його складу та умов роботи. Так, наприклад, наявність пористості й змащення покращує припрацьовуваність матеріалів.

Об'ємна та поверхнева міцність залежить від виду матеріалу основи, легуючих добавок, структури і виду додаткової термічної або хіміко-термічної обробки. Від фізико-механічних властивостей матеріалу, зокрема від міцності, залежить несуча здатність антифрикційного матеріалу, яка характеризується твором питомого навантаження р на швидкість ковзання V в метрах за секунду. Для кожного матеріалу рV має цілком певне значення і визначає умови його роботи. При конструюванні підшипників необхідно враховувати несучу здатність матеріалу і встановлювати для нього значення питомих навантажень і швидкостей тертя в допустимих межах. При високих значеннях питомих навантажень для збереження працездатності матеріалу знижують швидкість тертя, і навпаки. Несуча здатність, крім властивостей самих матеріалів, залежить також від температури навколишнього середовища, характеру мастильних матеріалів і способу їх подачі, стану поверхні тертя та ін.

Важливою умовою стабільної роботи вузла тертя є сталість його температури в межах допустимих значень. Температура вузла тертя багато в чому визначається теплопровідністю антифрикційного матеріалу, яка в основному залежить від природи матеріалу основи і збільшується із зростанням щільності матеріалу і з введенням добавок, що володіють високою теплопровідністю.

Самозмазуваність є одним з головних переваг антифрикційних порошкових матеріалів. Ефект самозмазуваності може бути досягнутий або за рахунок масла, що знаходиться в порах матеріалу підшипника, або за рахунок наявності в складі матеріалу речовин, що виконують роль твердої мастила. До таких речовин відносяться графіт, деякі сульфіди (особливо сульфіди молібдену і вольфраму), нітрид бору, селенідом, теллуріди, деякі оксиди, м'які і легкоплавкі метали, галогеніди, фторопласт, капрон, нейлон та ін. Ці речовини в процесі тертя сприяють утворенню розділових плівок на їх поверхнях.

Ефект самозмазуваності пористих виробів, просочених маслом, полягає в тому, що при нагріванні треться пари обсяг масла в антифрикційне матеріалі збільшується в більшій мірі, ніж обсяг металевого каркаса. У результаті цього масло витікає з пор на труться поверхні і змащує їх. При охолодженні вузла тертя олію під дією капілярних сил вбирається в пори.

Термін служби підшипника подовжується при збільшенні кількості мастила в матеріалі. Остання може бути забезпечено за рахунок потовщення стінок підшипника, збільшення кількості та розмірів пор шляхом застосування порошків з максимально допустимим розміром часток.

Необхідні характеристики антифрикційних матеріалів багато в чому можуть бути забезпечені виготовленням їх методами порошкової металургії. У цьому випадку можна вирішити наступні завдання:

1) створити нові матеріали для забезпечення роботи вузла тертя в режимі самозмазування, тобто в умовах, коли застосування рідких мастил неприпустимо через можливу псування продукції (харчової, текстильної, поліграфічної та ін.) або неефективно, наприклад у вакуумі, інертних середовищах, при підвищених температурах;

2) замінити дефіцитні литі сплави на основі міді (бронзи, латуні), бабіти за рахунок використання більш дешевих матеріалів, наприклад на основі заліза;

3) застосувати більш економічну технологію виготовлення, підвищити надійність вузлів тертя, полегшити та покращити умови їх експлуатації.

2.2. КЛАСИФІКАЦІЯ, ВЛАСТИВОСТІ І ПРИЗНАЧЕННЯ АНТИФРИКЦІЙНИХ МАТЕРІАШЛІВ

Антифрикційні порошкові матеріали, що використовуються для виготовлення деталей вузлів тертя (підшипники ковзання, розпірні втулки, поршневі кільця, торцеві ущільнення, шайби, Підп'ятники, вкладиші тощо), можна класифікувати за складом і за призначенням.

За складом матеріали поділяються на: 1) матеріали на основі міді, заліза, нікелю, кобальту, алюмінію та інших сплавів; 2) матеріали на основі тугоплавких металів і сполук; 3) металографітові матеріали; 4) металеві двошарові матеріали на сталевій підкладці; 5) матеріали на основі пористих металевих каркасів, насичених фторопластом; 6) металоскляні матеріали.

За призначенням антифрикційні порошкові матеріали підрозділяються на матеріали, експлуатовані: 1) при наявності рідкого змащування; 2) в умовах обмеженої змащення; 3) в режимі самозмазування; 4) без мастила в повітряному середовищі; 5) у вакуумі та в середовищі інертних газів; 6 ) при підвищених температурах; 7) при високих швидкостях ковзання; 8) у воді і в корозійних середовищах; 9) в якості торцевих і радіальних ущільнень; 10) у якості ковзних контактів і порошкових кілець.

Матеріали на основі міді. Антифрикційні матеріали на основі міді одержали широке поширення завдяки гарним антифрикційні властивості, корозійної стійкості та високої теплопровідності. Вони застосовуються у вузлах тертя різних машин і механізмів, а також в електротехніці як ковзних контактів. До них відносяться пориста оловяниста бронза, легована пориста бронза (свинцова, фосфориста тощо), бронзографіт, стрічкові безпористі бронзові матеріали на сталевій підкладці з пропиткою пористого шару пластмасою, бабітом, мідь - графіт і ін.

Рис. 10. Залежність механічних властивостей антифрикційного матеріалу на основі заліза від його пористості:

1 - межа міцності на розтяг σв; 2 - межа міцності на стиск σs; 3 - відносне подовження після розриву δ.

Пориста оловяниста бронза звичайно містить 6-12% олова з добавками Рb, Ni, Р, Сr, Ве, Si, Мn, Fе, Со, має пористість 15-25% і призначена для роботи при наявності мастила. Мікроструктура таких бронз характеризується наявністю твердого розчину η-(Сu6Sn5), ε-(Сu3Sn) і δ-фаз (Сі3Sn8), пор. При додаванні свинцю він розташовується у вигляді окремих включень. Мікротвердість включений свинцю складає 0,8, а мідної основи - 5,6 МПа. Зміна пори та складу такого антифрикційного матеріалу дозволяє регулювати його експлуатаційні властивості в широких межах.

Збільшення пористості матеріалу, як правило, пов'язано зі сни ¬ женіем його міцності (рис. 10). Зменшення пористості матеріалу, яке експлуатується в режимі рясної подачі мастила, дозволяє підвищити несучу здатність підшипника і його зносостійкість. У той же час, чим вище пористість, тим біль ¬ ше масла містить підшипник і тим надійніше працює він в режимі ¬ ме рідинного або граничного (режим самозмазування) тертя.

Порівняльні властивості литої і порошкової свинцовистої бронзи наведено в табл. 5.

За антифрикційними властивостями пористі бронзи близькі до литим бронзам подібних складів. Проте вони мають значно

Таблиця 5. Властивості антифрикційних свинцовистих порошкових і литих бронз

вищу зносостійкість і при невеликих швидкостях ковзання витримують великі навантаження, чим литі. В умовах підвищених швидкостей ковзання при збільшенні граничних навантажень для пористого матеріалу потрібна подача додаткової кількості мастила, оскільки з підвищенням швидкості ковзання пори порушують безперервність поверхні і заважають утворенню суцільної масляної плівки. Пористі підшипники мають нижчі, ніж литі, механічну міцність і теплопровідність. Коефіцієнт тертя і тривалість прироблення для литих підшипникових сплавів на основі кольорових металів і порошкових матеріалів практично сопоставимы.

Підвищення міцності підшипникового матеріалу спричиняє за собою погіршення його прирабатываемости. Проте наявність масла в порах і присадок графіту або інших речовин, що володіють ідентичними властивостями, сприяє поліпшенню прирабатываемости. При цьому слід враховувати стан матеріалу зв'язаної пари. Кращі результати при роботі рухомого зчленування забезпечуються у тому випадку, коли зв'язана деталь (вал, вісь, цапфа) виконана із загартованої сталі (Нrс=54...62).

Пориста бронза володіє досить високою корозійною стійкістю і може застосовуватися у вузлах тертя, де разом з певними антифрикційними властивостями потрібна хороша стійкість проти корозії.

З пористої бронзи виготовляють підшипники машин для обробки харчових продуктів, текстильних і побутових машин, невеликих електродвигунів, пускових пристроїв, годинникових механізмів, насосів для холодної води, вентиляторів і ін.

Физико-механические і експлуатаційні властивості пористої бронзи і латуні можуть бути покращувані регулюванням пористості матеріалу, гранулометричного складу початкових порошків, складом і кількістю мастила, що подається, а також складом і структурою антифрикційного матеріалу.

Введення легуючих присадок і речовин, що виконують роль сухого мастила, дозволяє значно змінювати властивості матеріалів. Так, наприклад, введення графіту, дозволяє підвищити експлуатаційні, характеристики: зменшити коефіцієнт тертя і забезпечити вищу працездатність матеріалу в режимах граничного тертя і самосмазывания, підвищити зносостійкість вузлів тертя в 2-5 разів. Слід зазначити, що з підвищенням швидкості ковзання навантаження, що допускається, на бронзографитовый підшипник значно зменшується. Вміст графіту в бронзографитовых матеріалах варіює від. 1 до 25%.

Бронзографітовиє матеріали застосовуються в тих же випадках, що і пориста бронза. Крім того, з них можна виготовляти шестерні, що працюють в парі з контртілом, що має грубу поверхню, а також в середовищі незмащуючих рідин (у циркуляційних насосах гарячої води).

Введення 10—20 % свинцю в пористу бронзу або бронзографіт підвищує прирабатываемость антифрикційного матеріалу.

Сплави, що містять свинець, призначені переважно для роботи в середовищі масел.

Властивості бронзи і бронзографіту можна значно поліпшити легуванням такими елементами, як Ti, Ni, Zn, Co, Fe, а також введенням речовин, які разом з графітом грають роль твердих мастил. Поліпшення властивостей порошкової бронзи можна також забезпечити додаванням присадок, що викликають старіння матеріалу після гарту і відпустки. Так, антифрикційний матеріал на основі олов'янистої бронзи, що містить 2,4 % Ni, 0,8 % Si і 0,3 % Р, після гарту у воді від 850 °С і старіння при 450 °С при пористості 12% має }_B­340 Мпа, подовження близько 1 % і HRB 35-40. Підшипники з цього сплаву можуть працювати при р=15,7 Мпа і =9,4 м/с (р=147 Мпа•м/с)._

Матеріал на основі бронзи, що містить 0,2 % P, 3%Zn b 3%Ni, застосовують за важких умов роботи. Зазвичай для роботи в таких умовах удаються до комплексного легування основи і замінюють традиційні легуючі присадки (олово, свинець, графить) нікелем, залізом, молібденом, ванадієм, хромом або вольфрамом. При введенні хрому до складу матеріалу додають фосфор (0,1—3,0 %), при введенні нікелю — графить. У олов'яну бронзу як легуючі компоненти вводять також срібло, бор, вісмут і ін. Для виготовлення підшипників ковзання, що працюють за наявності мастила, застосовують порошкову латунь, в яку вводять додатково до 1,5% свинцю і 0,25—0,80 % фосфору.

Введення речовин, що грають роль твердого мастила, таких як сульфіди, селениды, борид металів, а також легкоплавких металів дозволяє не тільки поліпшити властивості бронзи і сплавів на основі міді, але і визначити їх функціональне призначення. Так, при введенні до 20 % сульфіду вольфраму в мідь або в сплав міді з 10 % олова, можна отримати матеріал, що самозмазуються, з низьким коефіцієнтом тертя і високою зносостійкістю для роботи як на повітрі, так і у вакуумі при температурах до 400—600°С. В умовах підвищених температур хорошою самозмазуючі здатністю володіє також матеріал на основі міді, що містить 9—18 % залоза і 10—40 % фторидів кальцію, скандію або барії.

Антифрикційні матеріали на основі заліза є найбільш поширеними, різні антифрикційні і зміцнюючі добавки, що особливо містять. На основі заліза виготовляється велика кількість матеріалів — пористе залізо, просочене мастилом; залізографіт; залізо — мідь — графить; залізографітні матеріали, що сульфідуються, містять як тверді мастила фториди кальцію або барії; пористі матеріали, просочені свинцем або легкоплавкими сплавами на основі міді, олова, свинцю; неіржавіючі, що сульфідуються, стали; важколеговані антифрикційні матеріали і ін. За рахунок введення різних присадок на основі заліза створені антифрикційні матеріали, що експлуатуються в умовах підвищених

нагрузок, скоростей скольжения, температур, в среде агрессивных газов и жидкостей, в условиях абразивного износа и др.

Пористе залізо є найбільш простим антифрикційним матеріалом з ферритной структурою. При пористості 15—30,% воно має властивості, приведені в табл. 6.

Тривала працездатність такого матеріалу при стабільній подачі мастила забезпечується при навантаженнях 2,0—12,5 Мпа, швидкості ковзання 1—2 м/с (p—2,5...5,0 Мпа•м/с) і температурі у вузлі ковзання 70—80 °С. Із збільшенням швидкості ковзання в режимі самозмазування допустима величина навантаження різко зменшується і значення p не перевищує 0,7—1,6 Мпа•м/с.

Пористе залізо, просочене машинним маслом для забезпечення самосмазувания, широко застосовується в різних вузлах машин і механізмів.

Найбільш поширеним антифрикційним матеріалом на основі заліза є железографит. При змісті до 1,5 % графіту він може працювати за наявності мастила, що подається ззовні, або в режимі самосмазувания. Проте в останньому випадку зменшуються гранично допустимі навантаження, швидкості ковзання і термін служби.

Збільшення змісту графіту понад 1,5 % приводить до виділення його в структурно-свободном стані, що покращує антифрикційні властивості матеріалу, особливо в умовах додаткової подачі мастила.

Із збільшенням змісту графіту понад 3 % механічні властивості матеріалів значно знижуються, проте одночасно зменшується коефіцієнт тертя матеріалів. Тому для умов роботи підшипників з обмеженою подачею мастила при невеликих навантаженнях (до 5,0—6,0 Мпа) і швидкостях ковзання (до 1—2 м/с) застосовують железографит, що містить 5 і 7 % С.

Властивості железографитовых матеріалів залежно від кількості введеного графіту приведені на мал. 11.

На працездатність пари, що треться, великий вплив робить структура матеріалу підшипника. У матеріалах на основі заліза основним елементом, що впливає на їх структуру, є графіт. Його слід розглядати як легуючу присадку

що взаємодіє із залізом з утворенням у-твердого розчину, що розпадається в процесі охолоджування на евтектоїд перліт,, що складається з а-твердого розчину — фериту і цементита. Тому, змінюючи зміст вуглецю, температуру, тривалість спікання і швидкість охолоджування, а також застосовуючи хіміко-термічну обробку, можна в широких межах змінювати структуру і властивості залізографітних матеріалів.

На практиці при виготовленні железографитовых матеріалів прагнуть отримати перлітову структуру із змістом перліту ~50%.

Типова структура железографитовых матеріалів, що складається з пластинчастого перліту з включеннями фериту, вільного графіту і пір, приведена на мал. 12.

Допустима кількість фериту в структурі визначається режимами роботи підшипника і коливається в межах 10—50 Найбільш зносостійкими є структури, що складаються з мелкодисперсного однорідного перлиту з невеликою кількістю фериту (до 5—10%) (див. мал. 12, а). Зміст фериту до 50 % (див. мал. 12, би) вимагає застосування великої кількості мастила, але при цьому допускається використання м'якшого контртіла. Цементитне включення в структурі железографита у вигляді грубих скупчень (див. мал. 12, в), а також у вигляді цементитной сітки і окремих включень цементита (див. мал. 12, г) значно підвищують його зносостійкість, особливо в умовах граничного тертя за відсутності мастила і підвищених швидкостях ковзання. Проте в цьому випадку збільшується знос контртіла. Тому кількість цементита в структурі обмовляється у кожному конкретному випадку застосування пористих антифрикційних матеріалів.

Графить, що знаходиться у вільному стані, також грає роль противозадирной присадки і дозволяє застосовувати такі матеріали в умовах обмеженої подачі мастила.

Антифрикційні властивості железографитовых матеріалів в значній мірі залежать від умов їх роботи і наявності мастила. Так, при подачі достатньої кількості мастила коефіцієнт їх тертя знаходиться в межах 0,005—0,090, а при обмеженому мастилі — 0,020—0,125. Критерій р для цих матеріалів в умовах самосмазувания складає 1,6 при періодичному і обмеженому мастилі — до 2,5, при стабільному мастилі — до 10 і при мастилі під. тиском • до 40 Мпа-м/с.

Гранична швидкість | ковзання для железографитовых матеріалів допускається до Я 2—3 м/с. Тривалість експлуатації визначається умовами і I зазвичай не перевищує 3—5 тис. ч.

Залізографітні матеріали володіють вищими прочностными і експлуатаційними характеристиками, ніж пористе залізо і матеріали з бронзографіта (табл. 7).

Для регулювання властивостей антифрикційних матеріалів на основі заліза разом з графітом застосовують легування міддю, фосфором,, нікелем, хромом, свинцем, марганцем і ін. Мідь, розчиняючись в залозі, утворює твердий розчин, що володіє вищими прочностными властивостями, ніж залізо. Проте кількість міді, що додається, не повинна перевищувати межу її розчинності в залозі, який при температурі 1094 °С складає 8,5 °/о, оскільки за наявності структурно-свободной міді антифрикційні властивості, матеріалу знижуються.

У железографитовые матеріали зазвичай додають 2—5 % мідь. Такі матеріали володіють вищими механічними властивостями, одноріднішою структурою і стабільними розмірами деталей після спікання.

Позитивний вплив міді на властивості железографита також викликаний її графітизуючою дією, унаслідок чого зменшується зневуглецювання і збільшується кількість перліту в структурі. За наявності міді сповільнюється дифузія вуглецю і виключається утворення структурно-свободного цементита. При легуванні міддю також гальмується розпад аустеніту, що сприяє освіті тонко пластинчастого перлиту. Вплив різних технологічних чинників на структуроутворення в матеріалах на основі заліза, легованого міддю і вуглецем, значно слабкіше, тому їх структура стабільніша, а прочностные характеристики вищі. Це обумовлює широке застосування матеріалів на основі заліза, легованих міддю.

По антифрикційних властивостях матеріали на основі заліза і железографита, леговані міддю, мало відрізняються від властивостей пористого заліза і железографита, але мають вищі физико-механические характеристики. Для виготовлення підшипників використовують переважно матеріали, що містять 5—9 % мідь. Вони здатні витримувати навантаження 285 Мпа. Проте величина р таких матеріалів при обмеженому мастилі не перевищує 2 Мпа•м/с. Залізомідні матеріали, що містять більше 10% міді (до 70 %), володіють підвищеною корозійною стійкістю і по антифрикційних властивостях не поступаються бронзі.

Легування залізоміднографітових матеріалів фосфором дозволяє значно підвищити їх опірність пластичної деформації при терті, що зменшує можливість закупорки порових каналів при збільшенні навантаження. Сірка позитивно впливає на физико-механические властивості, структуру і експлуатаційні характеристики железографита. При роботі в маслі такі матеріали мають коефіцієнт тертя 0,003.

Введення сірі в пористе залізо і залізографітні композиції дозволяє значно розширити їх робочі діапазони швидкостей ковзання і навантажень, а також підвищити термін служби вузлів тертя. Ще значніше підвищуються антифрикційні характеристики при введенні в шихту залізографітних матеріалів сульфідів міді або цинку. Сульфіди міді також утворюються в процесі спікання матеріалу, що містить мідь і сірку. Такі композиційні матеріали системи Fe-Cu-C-S мають високі прочністні і експлуатаційні характеристики і хорошу оброблюваність (див. табл. 7). Наявність сульфідних включень в структурі матеріалів сприяє освіті на поверхні тертя розділових плівок. Це дозволяє підвищити гранично допустимі навантаження на підшипник, виготовлений з матеріалу Жгр3цс4, до 10 Мпа і більш при швидкості ковзання понад 5—6 м/с при p ]50...60 Мпа•м/с або збільшити швидкість ковзання до 100 м/с при навантаженнях р=0,1...0,3 Мпа.

Антифрикційні властивості железографитовых матеріалів, особливо в тяжких умовах роботи, можуть бути значно покращуючи при введенні в їх склад молібдену. Для таких матеріалів характерне зменшення коефіцієнта тертя із збільшенням швидкості ковзання і навантажень. Крім того, міцність залізографітного матеріалу, легованого молібденом в кількості 5— 15 %, залишається стабільною аж до температур 400°С. Для підвищення зносостійкості матеріалу при підвищених температурах до складу сплавів, що містять 5—20 % Мо-пермалой, 5—25 % З, 3—25 % Сr і 0,9—1,5 % З, додатково вводять 1 —15 % Ni.

Матеріали на основі заліза з антифрикційними добавками фториду і хлориду кальцію застосовуються для роботи за відсутності мастила у вакуумі. Вони також можуть застосовуватися для виготовлення підшипників ковзання, що працюють в середовищі пари при температурах 250—350 °С. Щ

Додаткове легування таких матеріалів молібденом (до 15 %) істотно покращує їх властивості при роботі в інтервалі температур 20—650 °С. При цьому твердість їх зростає в 2,5—8,6 разу, межа міцності на вигин — до 785 Мпа, межа міцності на стиснення — до 1080 Мпа.

Як основа антифрикційних матеріалів, що експлуатуються в умовах граничного або сухого тертя, за наявності агресивних газів або рідин і підвищених температурах застосовують високолеговане залізо або його сплави з нікелем і хромом типу неіржавіючих сталей Х23н18, Х18н9т, Х18н5, Х17н2. Для підвищення жаростійкості і корозійної стійкості ці матеріали необхідно піддавати сульфідуванню і борированию.

З метою підвищення міцності і поліпшення антифрикційних властивостей залізо легують свинцем і сплавами на основі кольорових металів. Такі матеріали легко обробляються і можуть працювати при вищих навантаженнях у вузлах тертя.

Для виготовлення підшипників, що працюють при тиску понад 1 Мпа, застосовують матеріал, що складається з 60—90 % заліза і сплаву на основі міді, що містить 5 % свинцю і 5 % цинку. Сплав вводиться в шихту у вигляді порошку лігатури на основі міді.

Для деталей, що працюють при великих навантаженнях, застосовують матеріал, що містить 0,8 % вуглецю, 2,5 кремнію, 3,5 хрому, 6 — 10 молібдену і до 2 % нікелю, який додатково просочують сплавом міді (90 %) і олова (10 %). Можливе також просочення свинцем матеріалів на основі заліза, що містять 0,5—15% З, 2—4 Сu, 1—3 Ni, 0,5—1 Мо-пермалой і 2,5 % Si.

Дія всіх добавок, що легують, виявляється, в основному, в підвищенні механічних характеристик, особливо твердості, унаслідок чого підвищуються зносостійкість і гранично допустимі навантаження при їх роботі. Проте в цьому випадку погіршується прирабатываемость матеріалу і для забезпечення працездатності вузлів тертя, виготовлених з цих матеріалів, обов'язкова наявність мастила. У режимі самосмазування працездатність та-1 ких матеріалів, гранично допустимі навантаження і швидкості ковзання менші, ніж при рясному мастилі.

В цілому, вища зносостійкість і працездатність при підвищених швидкостях ковзання і навантаженнях в умовах сухого тертя і обмеженого мастила (режим самосмазывания) досягаються введенням в матеріали для підшипників речовин, здатних утворювати на поверхнях тертя розділові плівки, — графіту, нітриду бору, сульфідів, селенидов, пластмас, м'яких металів і тому подібне

Матеріали на основі нікелю і кобальту зазвичай використовуються для виготовлення антифрикційних виробів для роботи в особливо важких умовах. Із-за високої пластичності матеріали на основі чистого нікелю і кобальту застосовуються обмежено і лише за наявності рясного мастила і при швидкості ковзання менше 1 м/с. Деталі вузлів тертя виготовляються в основному з багатокомпонентних сплавів. Так, для підвищення корозійної стійкості в лугах, воді, 15 %-м розчині соляної кислоти і розчинах її солей застосовується сплав на основі нікелю з добавкою до 30 % мідь. Для підвищення разом з високою корозійною стійкістю здатності матеріалів, що несе, застосовуються сплави залізонікелів, що містять 50 % нікелю і більш. Як зміцнюючі добавки в матеріали на основі нікелю окрім заліза вводять вуглець, хром і молібден, металлоподобные карбіди і борид, а також SiC і В₄C.

Так, матеріал на основі нікелю, що містить 41 % Fe 15% Мо і 3 % З, може працювати в корозійно-активних середовищах при обмеженому мастилі і в режимі самосмазування при сухому терті, високих швидкостях ковзання і температурах до 400°С. Введення невеликих кількостей карбідів у вигляді дисперсних включень значно підвищує прочностные властивості матеріалів, проте в цьому випадку підвищується коефіцієнт тертя. Для підвищення антифрикційних властивостей матеріалів використовують присадки свинцю, графіту, фторидів кальцію і барії. Так, наприклад, матеріал, що містить 5—30% Fe, 1—30% Ваf2 і 0,1 % У, може працювати без мастила при швидкостях ковзання 5—25 м/с і навантаженню до 1,5 Мпа. Введення разом з Ваf2 до 10 % Мов2 або ZrB2 дозволяє експлуатувати матеріали в умовах сухого тертя при роботі у вакуумі.

Експлуатаційні характеристики матеріалів на основі кобальту також можна підвищити введенням до 7 % Тiс і до 20 % твердих мастил. Основною особливістю матеріалів на основі кобальту за інших рівних умов є зменшення коефіцієнта тертя з підвищенням температури. Так, наприклад, коефіцієнт тертя зменшується з 0,32 до 0,16 при підвищенні температури від 0 до 540 °С. Проте при високих температурах матеріали на основі кобальту можуть працювати тільки в захисних або інертних середовищах.

Нікель і кобальт також застосовуються у складі зносостійких сплавів на основі тугоплавких карбідів, які можуть працювати в агресивних середовищах і при температурах до 540 °С.

Матеріали на основі алюмінію. Антифрикційні матеріали на основі алюмінію представляють великий інтерес у зв'язку з їх малою щільністю, високою корозійною стійкістю і низькою вартістю. Пористий алюміній має високу теплопровідність, тому робоча температура на поверхні тертя за інших рівних умов нижче. Останнє збільшує значення p, що допускаються? і термін служби матеріалу. Зазвичай для роботи за наявності мастила застосовують підшипники з пористістю 10—60 % (для цього їх просочують маслом), а для роботи в умовах сухого тертя застосовують матеріали з пористістю 5 % і нижче.

Знаходять застосування антифрикційні матеріали на основі алюмінію, легованого міддю, магнієм, кремнієм, оловом, хромом, залізом, нікелем і ін. ромі того, вони можуть містити Рbо, Al2O3, Моsi2, пороша жароміцних сплавів типу трибаллой (52% З, 28 % Мо-пермалой, 17 % Сr, 3 % Si).

Сумісне легування алюмінію міддю, магнієм, оловом, свинцем, кремнієм, залізом, нікелем, кобальтом, хромом і іншими елементами дозволяє значно розширити області його застосування і підвищити експлуатаційні характеристики. Так, високими теплопровідністю, жаростійкістю і зносостійкістю володіють матеріали на основі алюмінію, що містять 5—10 % Fe (З, Сr) і 0,5—5,0 % Si. Введення до складу матеріалу оксиду алюмінію також підвищує зносостійкість деталей.

Добавка графіту, сульфідів, оксидів, карбідів дозволяє виготовляти антифрикційні деталі, що працюють за відсутності мастила. Введення Мое2 в пори матеріалу на основі алюмінію дозволяє використовувати його при роботі у вакуумі. Значно покращує властивості матеріалів, що працюють в режимі самосмазывания, графить, який вводиться разом із залізом або міддю в кількості 3—4 %.

У матеріали для підшипників на основі алюмінію і його сплавів, призначені для роботи в умовах підвищених температур, вводять порошу твердих сплавів типу ВК або ТНМ, службовці зміцнюючою фазою. Зміцнюючий ефект досягається також при введенні дисперсних частинок САО і Мgо в кількості 5,0— 7,5 і 10 % відповідно.

Матеріали на основі тугоплавких металів і з'єднань застосовуються як антифрикційні матеріали для роботи в умовах сильного абразивного зносу, дії водних розчинів мінеральних кислот і лугів, високих температур, тиску і швидкостей ковзання.

Широке застосування знаходять матеріали на основі бориду титану, цирконію і гафнію, що містять як мастило тугоплавкі метали цієї ж групи. Основою антифрикційних матеріалів можуть служити також і інші тугоплавкі з'єднання: карбіди бору, титану, вольфраму, ніобію, танталу, кремнію. Для підвищення щільності і міцності пористих порошкових матеріалів на основі карбідів, бориду, карбоборидов їх просочують при 1250 °С феросплавами, що містять бор і кремній, і іншими добавками. Антифрикційні властивості матеріалів на основі тугоплавких металів і їх з'єднань багато в чому залежать від матеріалу зв'язаних з ними поверхонь, які повинні бути достатньо міцними. За оптимальних умов роботи коефіцієнт їх тертя близький до 0,2 і знижується з підвищенням температури. Проте матеріали на основі більшості карбідів, нітриду, бориду володіють низькою жаростійкістю в повітряному середовищі і можуть працювати в цих умовах при температурі не вище 500-540 °С.

Металлографітовиє антифрикційні матеріали на основі Ц заліза, бронзи і інших металів і сплавів містять до 30— 50 % графіту. Такі матеріали забезпечують працездатність підшипників ковзання в інтервалі температур — 200—350°С для матеріалів на основі бронзи і л ату їй і до 600 °С для матеріалів на основі заліза. При сухому терті їх p?=35 Мпа•м/с, а за наявності мастила маслом може досягати ~1000 Мпа•м/с. Введення до складу металлографитовых матеріалів сульфідів також дозволяє застосовувати їх для роботи в середовищі води і пари при температурах до 150—250 °С і навантаженнях понад 18 Мпа при у=1,0...2,5 м/с (див. табл. 7).

Області застосування металлографитовых матеріалів надзвичайно широкі. Високі прочностные і антифрикційні властивості, широкі можливості варіювання складів і структури дозволяють виготовляти з них підшипники, торцеві ущільнення, токосъемники, що застосовуються в машинобудуванні, електротехнічній, текстильній і харчовій промисловості.

Металлофторопластовиє антифрикційні матеріали є порошковим пористим каркасом з сферичних або неосферических частинок порошків олов'янистої бронзи, просочений чистим фторопластом або сумішшю фторопласту з порошею свинцю, графіту або сульфіду молібдену (IV). Антифрикційні властивості таких матеріалів в значній мірі залежать від структури пористого каркаса, властивостей початкових порошків, а також від розміру і форми пір.

Антифрикційні вироби з бронзофторопластового матеріалу можуть застосовуватися у вузлах тертя в парі з незагартованим валом при p?=2,52...7,36 Мпа•м/с і із загартованим валом при p? = 5,04...14,72 Мпа•м/с.

Матеріали наповненого для матриці типу отримують пресуванням і спіканням сумішей порошків або просоченням легкоплавкими металами і сплавами, антифрикційними властивостями, що володіють, пористого каркаса з твердих і зносостійких з'єднань і сплавів. Як тверда фаза застосовується пороша плавлених карбідів (релита), загартованих сталей, наплавлювальних сплавів (стеліту) з несферичними і сферичними частинками розміром 0,65—0,90 мм, а як матриця — сплави на основі срібла і міді або свинцево-олов'янистої бронзи. Антифрикційні матеріали цього класу відносяться до композиційних. Вони мають гетерогенну структуру, що складається з ділянок міцної і зносостійкої фази, що чергуються, з відносно низьким значенням коефіцієнта тертя, і металу або сплаву, здатного міцно утримувати ці тверді, зносостійкі включення і утворювати при терті проміжний, оберігаючий від схоплювання шар, що грає роль твердого мастила.

Антифрикційні матеріали цього класу застосовуються для виготовлення підшипників ковзання, що працюють у вузлах з великими ударними навантаженнями, під впливом абразивних і рідких агресивних середовищ. Так, наприклад, застосування цих матеріалів для виготовлення опорних підшипників ковзання шарошечных бурових доліт замість роликових підшипників дозволяє збільшити довжину проходки в 2—3 рази, підвищити швидкість буріння і стійкість доліт в 1,5 разу.

Двошарові антифрикційні матеріали на сталевій підкладці зазвичай складаються із сталевої стрічки з нанесеним на неї бронзовим пористим шаром, який додатково просочений легкоплавким антифрикційним. сплавом, фторопластом або мастилом. Як легкоплавкий антифрикційний сплав застосовують бабіт на основі свинцю або олова, сплав на основі міді і сплави на основі алюмінію. Вибір того або іншого типу матеріалу визначається умовами його роботи. Бабіт володіє хорошою прирабатываемостью, але невисокою втомною міцністю, тому для виготовлення вкладишів підшипників могутніх двигунів внутрішнього згорання віддають перевагу сплавам на основі міді (Сu — Рb або Сu — Sn) і алюмінію (А1 — Sn), втомна міцність яких в 2—3 рази більша, ніж баббитов.

Антифрикційний матеріал, у якого на сталеву підкладку припечений шар суміші порошків міді (60 %) і нікелю (40%) I просочений бабітом, допускає робоче навантаження до 14 Мпа.

Поверхня двошарових матеріалів на основі свинцевої і олов'янистої бронзи для поліпшення антифрикційних властивостей покривають тонким шаром свинцево-олов'янистого або олов'янистого бабіту. Такі матеріали володіють хорошою прирабатываемостью і, завдяки високому вмісту олова, стійкістю проти корозії, а також запобігають взаємодії свинцю шару мастила, що пролягає нижче. Вкладиші з такого матеріалу в 2—3 рази стійкіше в роботі.

Двошарові матеріали з пористим шаром, просоченим фторопластом, наповненим порошком свинцю або сульфідом молібдену (IV), можуть працювати за відсутності мастила, а у разі просочення ацетилсополимерами — в умовах мінімального мастила.

Двошарові матеріали успішно застосовуються у вузлах тертя, що працюють без мастила в межах температур 200—300 °С у вакуумі, в різних нейтральних і агресивних рідинних і газових середовищах при невеликих швидкостях ковзання і мають коефіцієнт тертя 0,03—0,05.

Металоскляними матеріалами є сплави на основі заліза, в порах яких міститься ситаллизированное стекло, що робить позитивний вплив на антифрикційні властивості матеріалу. Позитивний вплив скла обумовлений низьким коефіцієнтом його тертя, відсутністю схватываемости з матеріалом валу і достатньо високою міцністю. Металоскляні матеріали на основі железографита володіють нижчим коефіцієнтом тертя, менше схильні до зносу, мають більший термін служби, чим такі ж матеріали, що не містять скла.

Властивості железографитостеклянного матеріалу можна поліпшити легуванням 2—4 % молібдену.

До антифрикційних матеріалів цього класу відносяться матеріали на основі пористого скла, що містить 30 % мідь. Просочення їх фторопластом у вакуумі знижує коефіцієнт тертя в 2—2,5 разу і підвищує зносостійкість в 7—13 разів. Введення міді також зменшує знос і коефіцієнт тертя. Коефіцієнт тертя таких матеріалів на повітрі складає 0,25—0,31, у вакууме— 0,20—0,25, вони здатні працювати при швидкостях ковзання 1—30 м/с і навантаженню 0,81 Мпа, в газових і рідких середовищах, а також в умовах сухого тертя, володіють високою корозійною стійкістю.

Матеріали на основі графіту. Одним з таких матеріалів є графитосвинцовый антифрикційний матеріал, що містить 10—20 % свинцю і призначений для виготовлення підшипників ковзання і торцевих ущільнень насосів, що працюють в прісній і морській воді і деяких агресивних середовищах. В порівнянні з графітом він володіє перевагами: не містить пір, не набухає у воді, не змінює розміри і форму, володіє високою стійкістю проти струменевої ерозії, забезпечує тривалу і надійну роботу вузла тертя при мінімальному зносі, дозволяє виготовляти малогабаритні підшипники практично без подальшої механічної обробки. Матеріал має наступні физико-механические і експлуатаційні властивості:

Щільність, г/см3 3,3;

Коефіцієнт тертя у воді по сталі

Зх13 з твердістю НЯС 35—42 0,08—0,10;

Межа міцності на стиснення, Мпа 100—120;

Допустиме навантаження при швидкості

ковзання 1 м/с, Мпа 30;

Допустима робоча температура °С 120.

До цього класу відносяться також углеграфитовые антифрикційні матеріали, що самосмазывающиеся, є пористим каркасом з вуглецевого або графитизированного матеріалу, просочений бабітом Б83, свинцем С05 або бронзою БРС — 30. Вони застосовуються для роботи в інтервалі температур —60... +250°C в умовах, коли неприпустимо забруднення мастилом технологічних продуктів, виробів і апаратури, при необхідності забезпечити безшумну роботу механізмів. Після прироблення матеріали мають коефіцієнт тертя 0,05—0,07, допустиму швидкість ковзання 10 м/с для углеметаллического матеріалу і 20 м/с — для графитометаллического. Виготовлені з цих матеріалів кільця ущільнювачів, сальники компресорів, торцеві ущільнення паливних насосів, підшипники високошвидкісних електрошпінделів, поршневі кільця парових машин і компресорів,, ущільнення насосів, що перекачують воду, дизельне паливо, аміачні розчини, кисень, здатні працювати у воді, рідкому паливі, фреоні, антифризі.