2.3. Технологія виготовлення порошкових антифрикційних матеріалів

Застосування методу порошкової металургії для виготовлення антифрикційних матеріалів обумовлене можливістю отримання їх із заданим комплексом властивостей і структурою, регульованих в широких межах, а також зниження металоємності і підвищення економічної ефективності. Вживана при цьому технологія відрізняється гнучкістю і різноманітністю варіантів.

Технологія виготовлення більшості порошкових антифрикційних виробів включає наступні основні операції: приготування шихти, пресування, спікання, іноді просочення машинним маслом і калібрування. У ряді випадків вироби піддають додатковій обробці — термічною, хіміко-термічною і механічною. Декілька відрізняється від стандартної технології виготовлення пористих, підшипників технологія виготовлення антифрикційних матеріалів на підкладках (схема 8).

Основна технологічна схема виготовлення найбільш масових підшипників з пористих матеріалів на основі міді і заліза включає операції підготовки початкових компонентів і суміші порошків, пресування, спікання, просочення виробів маслом, калібрування, повторного просочення маслом і у ряді випадків зняття зовнішніх і внутрішньою фасок. По цій схемі виготовляють антифрикційні матеріали з пористістю 15—35 %. Для отримання щільніших антифрикційних матеріалів для підшипників скольжениям/торцевых і радіальних ущільнень і інших виробів з пористістю 10—15 % і що особливо містять речовини, що грають роль твердого мастила, застосовують двократне пресування і спікання або об'ємне обтискання порошкового брикета. При виготовленні антифрикційних матеріалів з пористістю менше 10 % звичайне е спікання замінюють спіканням під тиском, гарячим пресуванням, екструзією або іншими операціями. Вони використовуються при виготовленні невеликих серіїв виробів, проте є перспективними процесами, оскільки дозволяють отримувати матеріали з вищими физико-механическими і експлуатаційними властивостями і розширювати склади матеріалів і типоразмеры виробів.

При виготовленні матеріалів, що самосмазывающихся, містять в порах тверде мастило або легкоплавкий метал, що виконує роль мастила, операцію просочення маслом замінюють операцією просочення суспензією твердого мастила, металевим розплавом сіркою, фторопластом або іншим полімером. Отримання антифрикційних матеріалів на основі порошків неіржавіючий стали, що містять сірку і призначених для роботи в агресивних середовищах, передбачає пресування з порошків пористого брикета, просочення його сіркою з подальшим сульфідуючим спіканням.

В цілому технологічна схема процесу вибирається залежно від типу і призначення виробу і матеріалу, вживаного для його виготовлення.

Розглянемо основні операції виготовлення антифрикційних матеріалів на основі міді і заліза.

Підготовка початкової сировини. Початковою сировиною для виготовлення виробів з композиційних антифрикційних матеріалів служить пороша металів і неметалів, властивості яких вказані в стандартах або технічних умовах.

Характеристика порошків, найбільш часто вживаних для виготовлення антифрикційних матеріалів, приведена в табл. 8.

З метою додання початковим матеріалам характеристик, що забезпечують необхідні властивості виробів, що виготовляються, їх можна піддавати підготовчим операціям: відновному відпалу, помелу, розсіванню на фракції, просіву з метою видалення домішок і грудок, сушці або прожаренню. Основні види і режими найбільш характерних операцій приведені в табл. 9.

Пороша неметалів (графить, сіра, сульфіди металів) піддає сушці або прожаренню і просеву. Сірку сушать на повітрі при температурі не вище 60—65 °С, сульфіди металів прожарюють на повітрі при 90—100 °С, графіт прожарюють при 1000—1100 °С у середовищі водню або іншого захисного газу протягом 1,5—2 ч.

Компоненти шихти дозують по масі або об'єму, завантажують в робочий простір змішувача і перемішують протягом 2—4 ч.

Для запобігання ліквації графіту або інших компонентів суміші, що відрізняються по щільності від основного металу, шихту зволожують бензином (до 1,5 %) або маслом (до 0,5 %). Тіла, що мелють, в цьому випадку не застосовують, оскільки вони сприяють обволіканню частинок металу плівкою графіту або іншої змащуючої речовини, що перешкоджає утворенню металевих контактів.

В деяких випадках при виготовленні матеріалів складних складів легуючі елементи вводять у вигляді лігатури. Лігатуру готують заздалегідь методом сумісного відновлення оксидів, сумісного хімічного осадження, помелу литого сплаву, проведенням попереднього дифузійного відпалу компонентів, що вводяться, і тому подібне У вигляді лігатури в суміш також можна вводити добавки, вживані для полегшення її пресування (стеарати). Таку лігатуру готують заздалегідь, змішуючи металевий порошок і мастило, кількість якого значно перевищує необхідне для введення в суміш. Наприклад, порошок заліза змішують з 4—6 % стеарата цинку і отриману суміш згодом вводять в шихту з таким розрахунком, щоб вміст стеарата цинку в ній складав 0,5—1,0 %.

Пресування. Из всех известных методов прессования при изго­товлении порошковых антифрикционных изделий чаще всего ис­пользуется метод холодного прессования в закрытых пресс-формах при давлении от 300 до 800 МПа. Этот метод является наиболее простым и высокопроизводительным. Прессование изделий произ­водят с учетом заданной пористости и последующих измене

ний, возникающих в материале после прессования (упру­гое последействие) и спе­кания (усадка).

Величина тиску пресування залежить від складу суміші і визначається пресування основного компоненту. При цьому антифрикційні присадки, що вводяться, можуть істотно впливати на зміну тиску пресування (мал. 13). Наприклад, графить і сульфід молібдену (IV) значно знижують тиск пресування і при певному змісті підвищують щільність пресованих виробів. Значно знижується тиск пресування при мастилі прес-форм рідким маслом (масляною емульсією, жирними кислотами типу стеариновою або олеїновою) і введенні до складу суміші стеаратів цинку, кальцію, алюмінію, магнію, свинцю, літію. Введення цих мастил до складу шихти в кількості до 0,5—2 % також запобігає схоплюванню пресованого порошку із стінками прес-форми.

Оптимальні режими пресування різних матеріалів приведені в табл.10.

При виготовленні втулок, кілець, підп'ятників і виробів інших конфігурацій використовують методи прямого пресування в прессформах з одностороннім або двостороннім додатком тиску залежно від відношення висоти виробу Н до його діаметру d. Так, при відношенні застосовують одностороннє пресування, а при — двостороннє, з метою отримання рівномірної пористості за всім обсягом виробу. Вироби із заданою і рівномірно розподіленою пористістю (зазвичай 15—20 %) отримують або пресуванням із заданим тиском, або із застосуванням обмежувача висоти, тобто пресуванням до упору.

Спікання. Спікання антифрикційних матеріалів на основі міді і заліза проводять в захисному середовищі в муфельних печах. Оптимальні режими спікання приведені в табл. 10.

Основною особливістю спікання антифрикційних пористих матеріалів є необхідність обліку поведінки антифрикційних компонентів, що вводяться, яка виявляється у взаємодії їх з основою матеріалу, легуючими присадками, середовищем спікання і визначає властивості і структуру спекаемого матеріалу. Наприклад, для запобігання зневуглецюванню железографитовых виробів передбачають осушення водню до точки роси—60 °С і застосування захисних засипок або захисних газів, що містять вуглець.

Спікання антифрикційних матеріалів з чистих порошків заліза або железографита протікає в твердій фазі. Спікання складніших систем, таких як свинцева і олов'яниста бронза, бронзографит, залізо — мідь — графить, залізо — графить — сіра і т. п., характеризується наявністю при спіканні рідкої фази, зникаючої у міру утворення сплаву унаслідок протікання дифузійних процесів або що зберігається протягом всього процесу.

Зникнення або збереження рідкої фази залежить від концентрації введених елементів і меж їх розчинності в основному матеріалі. Металлографітовиє матеріали з високим вмістом графіту з метою досягнення вищої механічної міцності піддають спіканню за наявності рідкої фази, що утворюється при плавленні металевого компоненту. При цьому забезпечують змочування частинок графіту металевою фазою. У разі недостатньої змочуваності з метою запобігання випотіванню рідкої фази при спіканні до складу матеріалу вводять спеціальні поверхнево-активні добавки, роль яких зводиться до зменшення поверхневої енергії на межі розділу тверда фаза — рідина, що виявляється в зменшенні краєвого кута змочування.

Додаткова обробка порошкових антифрикційних матеріалів. При необхідності порошкові антифрикційні вироби піддаються додатковій обробці: термічною, хіміко-термічною, просоченню мастилами, калібруванню, обробці різанням.

Термічній обробці, як правило, піддаються вироби з . порошкових антифрикційних матеріалів на основі заліза. Зі всіх видів термічної обробки пористих антифрикційних виробів найбільше значення має гарт, якому в цьому випадку властиві специфічні особливості, обумовлені перш за все наявністю пір в матеріалі. Пористість порошкових антифрикційних матеріалів робить їх чутливими до окислення при нагріванні на повітрі. Тому операцію гарту слід здійснювати обов'язково в захисному середовищі. Як остання можна використовувати гази, вживані при спіканні: водень, дисоційований аміак, конвертований природний газ і ін. Недоліком цих середовищ є те, що вони обумовлюють деяке зневуглецювання деталей і, будучи вибухонебезпечними, вимагають обережності в обігу.

Як середовища, що охолоджують, при гарті пористих антифрикційних виробів на основі заліза використовують воду і мінеральні масла.

Із-за наявності пір, заповнених газом, знижується теплопровідність і тим самим погіршується загартованість і різко зменшується товщина загартованого шару пористого матеріалу в порівнянні з компактним матеріалом. Тому для гарту пористих деталей застосовують гарт з інтенсивним охолоджуванням в струмені води або з енергійним переміщенням деталей для якнайшвидшого зриву парової сорочки, що утрудняє охолоджування. Після гарту у воді пористі деталі піддають обов'язковій сушці для швидкого і повного видалення вологи з пір.

Високо пір справжні деталі складної форми чутливі до термічної напруги, тому їх гарт необхідно проводити в маслі.

Оптимальними температурами гарту, що забезпечують отримання максимальної міцності і твердості виробів, є: для железографитовых матеріалів 820—860 °С (з охолоджуванням у воді або маслі), для залізо — графить — мідних — 980—1020 °С (з охолоджуванням у воді).

Для зняття внутрішньої напруги, гомогенізації структури механічних властивостей спечені і загартовані антифрикційні деталі піддають відпустці при температурі 180— 300 °С протягом 1,5—2,0 ч.

Для підвищення зносостійкості і корозійної стійкості порошкових антифрикційних деталей на основі заліза їх піддають оксидуванню, що полягає в "тому, що порошкові деталі поміщають в робочий простір печі і обробляють водяною парою при температурі від 380 до 630 °С. Найчастіше використовують обробку парою при 550 °С протягом 1 ч з подальшим охолоджуванням в маслі. При взаємодії водяної пари із залізом як на поверхні деталей, так і на поверхні відкритих пір утворюється щільна антикорозійна плівка Fe3O4, яка міцно утримується на поверхні оксидованих деталей і не руйнується в процесі їх експлуатації.

При виготовленні підшипників ковзання на основі порошку заліза проводиться додаткове насичення поверхні вуглецем (цементація) з метою отримання в поверхневому шарі перлитної структури, більшою зносостійкістю, що володіє, чим феритна або феритоперлітна. Цементацію здійснюють в твердому карбюризаторі або у вуглецевовмісних газах. У першому випадку вироби завантажують пошарово в контейнери, заповнені карбюризатором — сумішшю деревного вугілля з різними активуючими добавками.

При нагріві до температури 900—950 °С вуглець карбюризатора взаємодіє із залишками повітря в контейнері і з оксидами цементованих деталей з утворенням оксиду вуглецю (II). Останній в умовах нагріву при контакті з поверхнею заліза розкладається на оксид вуглецю (IV) і атомарний вуглець:

2 CO > CO2 + C

який і дифундує в метал. Додавання в суміш до 10— 20 % карбонатів (Васo3, Na2CO3, Н2сo3) активує процес в результаті виділення при їх розкладанні великої кількості CO2 і утворення З при взаємодії оксиду вуглецю (IV) і вугілля засипки. Оптимальний режим цементації з твердого карбюризатора—температура 900—940 °С і витримка 1—3 ч.

При цементації із застосуванням газових карбюризаторів (газова цементація) деталі нагрівають у вуглецевовмісному газовому середовищі в герметично закритому просторі печі, контейнері і тому подібне Як карбюризатор використовують природний, світильний, конвертований, эндо- і экзогази.

Оптимальна температура цементації для пористих порошкових виробів на основі заліза складає 860—940 °С, витримка — протягом 1—2 ч.

Додаткове вуглецювання поверхні антифрикційних виробів на основі железографита легко досягається підтримкою в газовому захисному середовищі достатньо високого вуглецевого потенціалу шляхом введення в конвертований природний газ або эндогаз строго регульованої кількості природного газу з високим вмістом метану.

З метою зменшення коефіцієнта тертя, підвищення опірності антифрикційних" матеріалів на основі заліза до схоплювання, підвищення їх зносостійкості і твердості проводять сульфідування. Цей процес стосовно пористих матеріалів на основі заліза, неіржавіючих сталей або железографита достатньо простий. Для цього сірку вводять у вигляді порошку в початкову шихту перед пресуванням або нею просочують пористий спресований каркас протягом 45 мін при температурі 130— 140°С. Потім деталі нагрівають в захисному газовому середовищі до температури 400—450 °С протягом 60 мін, внаслідок чого утворюються сульфіди заліза.

Наявність сірі в антифрикційних матеріалах на основі заліза також сприяє активуванню процесу спікання, що обумовлене реакційним характером спікання за наявності рідкої фази складних сульфідів при температурі 700—1200 °С. У. час спікання між сульфідами, що утворилися на активних центрах поверхні, і оксидами протікають реакції:

сприяючі звільненню поверхні частинок металу від оксидів і появі рухомих атомів металу, які і активують процес спікання. Крім того, рідка фаза, що утворюється при спіканні, за рахунок плавлення сульфідів або оксисульфидов металів полегшує переміщення частинок щодо один одного при їх ущільненні. Так, наприклад, сульфід нікелю має температуру плавлення 787 °С, евтектика сульфіду заліза із залізом — 970— 988 °С, оксисульфіди металів плавляться при температурі 900 °С. Процес сульфідування порошкових неіржавіючих сталей також може здійснюватися введенням до складу початкового матеріалу порошків сірковмісних з'єднань металів, наприклад сульфіду молібдену (IV). При спіканні сульфід молібдену (IV) активно взаємодіє з елементами стали з утворенням гетерогенної структури, що складається з аустеніту, легованого молібденом, сульфідів заліза, нікелю і хрому, а також молібденсодержащих интерметалідів і карбідів.

Для підвищення поверхневої твердості антифрикційних деталей на основі порошків неіржавіючих сталей (Х17н2, Х23н18, Х18н15 і Х30) їх піддають борування. Найбільш простим і зручним способом борування деталей антифрикційного призначення є дифузійне борування в порошкоподібних сумішах.

Як борсодержащих реагенти застосовують порошу бору, феробору або ферроборала і суміш карбідів бору з бурою. Краще всього застосовувати засипки, що містять 84 % карбіду бору і 16 % бура. Перед введенням в суміш буру заздалегідь прожарюють і просівають через сито з розміром осередків 40—50 мкм. Змішування компонентів засипки здійснюється в змішувачах з тілами, що мелють, протягом 4 ч.

Деталі завантажують в заздалегідь борированные контейнери з неіржавіючої сталі пошарово, засипають їх борирующей засипкою, нагрівають в захисному середовищі до температури 950 °С і витримують протягом 2—8 ч. Швидкість насичення поверхні бором залежить від складу борируемого матеріалу, температури, тривалості процесу і інших чинників. Швидкість борирования пористих матеріалів збільшується в результаті протікання реакції як на зовнішній поверхні виробу, так і усередині пір. В результаті борування утворюється боридный шар достатньої глибини, добре зчеплений з основою. Поверхня деталі набуває високої мікротвердості.

Для досягнення вищих фізико-механічних і антифрикційних властивостей матеріалів на основі порошків неіржавіючих сталей проводять сумісне насичення їх сіркою і бором. З цією метою пористий каркас після пресування просочують розплавом сірі при температурі 120—130 °С протягом 45 мін і спекают в середовищі водню в борсодержащей засипці (16 % бура, 84 % карбіду бору) по режиму: завантаження контейнера з деталями і засипкою в пекти, розігріту до 300 °С, витримка при цій температурі 30 мін, підвищення температури до 600 °С, витримка 60 хв. На цьому етапі утворюються сульфіди металів. Потім температуру підвищують до 950 °С і спекают деталі протягом 2-6 ч.

При поєднанні двох процесів компоненти сплаву взаємодіють з сіркою і бором з освітою на поверхні деталей суцільного білого дифузійного шару і розрізнених включень сульфідів, бориду в його глибинних шарах. При спіканні в борирующей засипці, що містить карбід бору, в результаті утворення оксиду вуглецю (II) окрім борування відбувається також насичення матеріалу вуглецем, що приводить до виділення в білому дифузійному шарі борокарбідів у вигляді суцільного шару або окремих включень.

Після боросульфидирования антифрикційні матеріали на основі неіржавіючої сталі з пористістю 18—25 % мають межу міцності на зріз близько 300 Мпа, твердість — до 1300 Мпа, ударну в'язкість — до 1,7 Дж/см2. При цьому об'єм виробу збільшується на 4 %.

При поєднанні процесів сульфідування і борування зміст сірі в матеріалі в порівнянні з сульфідуючим спіканням без засипки на порядок вище, що обумовлене екрануючим впливом засипки, що перешкоджає швидкому випаровуванню і віднесенню сірі струмом водню.

Просочення пористих виробів. Просочення проводять у ваннах з електропідігрівом на повітрі. Для цього деталі, поміщені в перфоровані контейнери, занурюють в масло, розігріте до 100—120 °С, і витримують протягом 1,5—2 ч. Ступінь заповнення пір при цьому повинен складати 80—90 %. Для повнішого заповнення об'єму пір мастилом застосовують просочення виробів під тиском у вакуумі або із застосуванням ультразвуку. У цих випадках значно зростає ефективність просочення і скорочується її тривалість (до 10—15 мін).

Масловпитиємість виробів визначають по формулі

де P1, P2—массы деталі відповідно до і після просочення, р.

Для просочення використовують мінеральні масла по ГОСТ 20799—75: індустріальне І — 12А, І — 20А, І — 30А, І — 40А. Як присадки, поліпшуючі змащуючі властивості масел, застосовують хлорований парафін, олеїнову або стеаринову кислоти в кількості 1—3 %.

Просочення пористих каркасів на основі міді і заліза фторопластом здійснюється у вакуумі шляхом багатократного занурення виробів (з проміжною сушкою) в суспензію фторопласту. Фторопластову пасту можна також упресовувати в пористий шар. Після введення фторопласту в пористий каркас деталі піддають нагріву до 330—380 °С з витримкою при цій температурі протягом 1—2 ч в струмі аргону для полімеризації фторопласту.

Після просочення деталі поступають на калібрування з метою досягнення необхідних чистота поверхні і точності розмірів. Підшипники, що працюють в режимі змащучування, після калібрування обов'язково повинні бути піддані повторному просоченню маслом.