2.4. Технологія виготовлення антифрикційних

АЛАТЕРІАЛОВ НА ПІДКЛАДКАХ

Проблема підвищення довговічності ряду машин і приладів в значній мірі може бути вирішена створенням нових антифрикційних матеріалів, здатних забезпечити надійну роботу вузлів тертя в умовах відсутності мастила або обмеженої її подачі. На практиці широко застосовуються матеріали, у яких відносно тонкий антифрикційний шар укріплений на сталевій підкладці, що несе, у вигляді стрічки. Антифрикційні матеріали такого типу дозволяють підвищити здатність підшипників, що несе, зменшити товщину стінки, а отже, габарити і металоємність підшипників, оскільки в цьому випадку товщина шаруючи підкладки і власне антифрикційного матеріалу може складати долі міліметра. Крім того, економиться дефіцитний матеріал.

Матеріали на сталевих підкладках можуть бути підрозділені на наступні види:

1) матеріали на сталевій підкладці з напресованим безпористим порошковим антифрикційним шаром, призначені для виготовлення підшипників двигунів внутрішнього загорання і свертных вкладишів різного призначення;

2. матеріали на сталевій підкладці з напресованим порошковим шаром на основі пористої бронзи, просоченим мастилом;

3. матеріали на сталевій підкладці з пористим шаром з олов'янистої або нікелевої бронзи, просоченим олов'яним, свинцевим бабітом або іншим легкоплавким антифрикційним сплавом;

4. матеріали на сталевій підкладці з напресованим порошковим шаром на основі пористої бронзи з порошків з сферичними частинками, просоченим фторопластом або фторопластом, наповненим твердим мастилом (графить, сульфід молібдену (IV)).

Антифрикційні матеріали, армовані сталевою підкладкою, в основному виготовляють у вигляді стрічок довільної ДОВЖИНИ і ширини, з яких потім вирізують заготовки і згортають їх у вигляді вкладишів необхідного діаметру. Основні технологічні операції виготовлення антифрикційних матеріалів цього класу із застосуванням свинцевої або олов'яної бронзи описані нижчим.

Використовуваний порошок свинцевої або олов'яної бронзи зазвичай отримують методом розпилювання їх розплавів в середовищі азоту з добавкою водню. Перевагою цього методу є можливість підвищення змісту свинцю до 45 % і його рівномірного розподілу в кожній частинці за рахунок придушення процесів ліквації при швидкому охолоджуванні.

Початковий порошок з розміром частинок до 400 мкм наносять шаром завтовшки 0,4—1,5 мм на сталеву стрічку заздалегідь очищену і піддану мідненню або лудінню. Для рівномірного розподілу і утримування порошку на поверхні стрічки його замішують на пластифікаторі, який вигоряє при подальшому спіканні. Потім проводять попереднє спікання антифрикційного шару, пропускаючи стрічку через пекти з відновним газовим середовищем з суміші азоту і водню або водню і диссоційованого аміаку при температурі 800—850 °С протягом 15—20 мін з подальшим охолоджуванням в тому ж середовищі.

Після попереднього спікання антифрикційного шару, його ущільнюють плющенням із ступенем обтискання, що забезпечує повне ущільнення для отримання безпористих матеріалів або задану пористість матеріалів, що просочуються надалі легкоплавким антифрикційним сплавом. Потім повторне спікання проводять в тих же умовах, отримуючи безпористі матеріали, або просочують пористий (35—49 %) шар свинцевою або олов'яною бронзою (бабітом), пропускаючи стрічку через ванну з розплавом при 385—454 °С. Для інтенсифікації просочення використовують вібрацію з частотою 3000 Гц.

Після цього проводять повторне плющення для додання стрічкам точних розмірів і штампують з них вкладиші з подальшою механічною обробкою.

Для поліпшення прирабатываемости отриманого матеріалу на його робочу поверхню електролізом наносять покриття товщиною 0,05 мм із сплавів свинець — олово, свинець — олово — мідь або свинець — індій.

При виготовленні тришарового антифрикційного матеріалу на основі пористої міднонікелевої бронзи, просоченої після спікання свинцевим бабітом, основними технологічними операціями є: підготовка сталевої стрічки 08КП або 08ПС, що полягає в зачистці круговими сталевими щітками, знежиренні 10 %-м розчином гідроксиду натрію, промивці водою і сушці; засипка порошку (40 % Ni; 60 % Сu) рівномірним шаром завтовшки 0,6—0,7 мм на рухому сталеву стрічку і спікання в середовищі осушеного водню при 1195±5 °С протягом 5—10 мін; просочення пористого шару свинцевим бабітом СОС – 6- 6 з подальшою механічною обробкою його.

Біметалічні вкладиші підшипників ковзання дизелів з просоченням антифрикційного шару маслом виготовляють за наступною технологією.

Заготовки із сталі 20 після очищення покривають з одного боку і по торцях захисним шаром розчину рідкого скла і алебастру. На необроблену поверхню після лудіння заготівки у ванні з розплавленим оловом наносять ретельно приготовану суміш порошків (69,5 % Сu, 29,0 % Рb, 1,0 % Sn, 0,5 % графіту). Перше спікання заготовок проводять в сталевих контейнерах при температурі 700 °С протягом 1,5 ч. Після ущільнення припеченого шару при тиску 150 Мпа спікання повторюють при температурі 850 °С протягом 1,5 ч в печах конвеєрного типу. Вторинне ущільнення проводять при тиску 300 Мпа, після чого із заготовок формують виріб необхідної форми на кривошипних пресах. Формування таким чином деталі просочують суспензією масла з колоїдним графітом. При необхідності виробу піддають остаточній механічній обробці.

Технологія отримання металлопластмассових стрічкових матеріалів, що є сталевою стрічкою з напеченим шаром порошку бронзи з сферичними частинками, просоченого фторопластовою пастою, що містить 25 про.% сульфіду молібдену (IV), включає підготовку мідної сталевої стрічки товщиною 1,5 мм, засипку на неї порошку з сферичною формою частинок олов’яної бронзи (БРО— 10) шаром 0,35—0,40 мм і спікання з одночасним припіканням до підкладки шару порошку пропусканням стрічки через пекти з відновним середовищем при температурі близько 900 °С.

Після калібрування спеченої стрічки і змотування її в рулон проводиться заповнення пір (35 %) фторопластом з наповнювачем з сульфіду молібдену (IV) шляхом укочування (мал. 14). Потім слідують сушка пасти фторопласту при температурі 80—90 °С у спеціальній сушильній печі і спікання в печі при температурі 380—390 °С з одночасним калібруванням нагрітими до цієї температури валяннями.

Таким чином, на робочій поверхні пористої бронзи створюють шар фторопласту з наповнювачем завтовшки 0,015—0,020 мм, який забезпечує хорошу прирабатываемость деталей в початковий період роботи. З отримуваної стрічки виготовляють вкладиші роз'ємних підшипників, шарнірні сферичні підшипники і втулки з внутрішнім робочим шаром.

Володіючи високою стійкістю проти механічного зносу і корозії, металлопластмассовые матеріали на сталевій підкладці знаходять застосування у вузлах тертя машин і апаратів хімічної, текстильної і взуттєвої промисловості, у вузлах тертя систем управління літаків, в автомобілях і інших пристроях, приладах і устаткуванні, що працюють за відсутності мастила. Працюють такі матеріали зазвичай при тиску від 14 до 40 Мпа і швидкості ковзання 2 м/мін.

Нерозрізні металофторопластові підшипники отримують напіканням порошку олов'яної бронзи з сферичною формою частинок (10 % Sn) на внутрішню або зовнішню поверхню втулок з вуглецевих сталей в спеціальному пристосуванні (мал. 15) з подальшим просоченням отриманого пористого бронзового шару пастою фторопласту, що містить сульфід молібдену (IV). Підшипники виготовляють таким чином: корпус підшипника 7 з внутрішньою поверхнею заздалегідь обміднення встановлюють на опорну плиту 10, закріплену на кінці вертикально розташованого валу електродвигуна. Порцію бронзового порошку, що напікається, засипають в проміжки між внутрішньою поверхнею корпусу підшипника і екраном, що обмежує порожнину, 5. Зовні пристрій закривається кожухом, що дозволяє заповнювати простір навколо підшипника воднем. Нагріваючи корпусу і шару бронзового порошку до температури 870— 880 °С здійснюється струмом високої частоти індуктором 9. Вал електродвигуна, що обертається із швидкістю 1000—1500 об/хв, приводить в обертання корпус підшипника з шаром бронзового порошку, який під дією відцентрової сили притискається до внутрішньої поверхні і припікається.

Вибір температури припікання бронзового шару визначається необхідною міцністю припечених частинок до корпусу підшипника при збереженні високої крізної пористості, необхідної для просочення суспензією фторопласту. Нагріваючи до температур вище 870—880 °С різко погіршує заповнення пір пастою фторопласту при подальшому просоченні (мал. 16). Після чотирикратного просочення у вакуумі водною суспензією фторопласту з наповнювачем заготівки піддають проміжній сушці при 90 °С протягом 2 ч і спікання при 370 °С протягом 1 ч.

Технологія виготовлення металоскляних антифрикційних матеріалів. У ряді машин, використовуваних в хімічній, нафтовій, текстильній і інших галузях промисловості, вузли тертя працюють у контакті з агресивними розчинами лугів, кислот, мінеральних солей. Тому деталі вузлів тертя під впливом корозійно-механічних дій швидко зношуються.

У цих умовах експлуатації добре себе зарекомендували металоскляні антифрикційні матеріали, які по своїх експлуатаційних характеристиках в хімічно активних середовищах перевершують деякі марки порошкового железографита. Початковими матеріалами для їх виготовлення є пороша заліза з розміром частинок 50—80 мкм, пороша графіту і пороші скла (віконного або «Пірекс») з розміром частинок 70—80 мкм, що отримуються подрібненням бою в кульових млинах, і пороша нікелю і молібдену, яка вводить в склад як легуючі добавки.

Після змішування компонентів шихту (2—5 % графіту, 2— 4 % молібдену, 5—10 % стекла, 81—91 % залоза) з добавкою 1—1,5 % стеарата цинку пресують при тиску 400—500 Мпа і отримані заготовки спекают в середовищі водню, аргону або азоту при 800—1060 °С протягом 3—4 ч. В процесі спікання частинки скла насищаються іонами металу основи в тим більшому ступеню, чим вище дисперсність його частинок, температура і більше ізотермічна витримка. У міру підвищення температури скляна фаза стає менш в'язкою і проникає в поровые канали металевої основи, чим активує усадку матеріалу в цілому. Шибка сприяє усадці матеріалу більшою мірою, чим стекло «Пірекс», яке і при 1000 °С зберігає в'язкість.

Отриманий таким чином металоскляний железографитовый матеріал в 5-10 разів довговічніше звичайного железографита і має нижчий стабільний коефіцієнт тертя в межах 0,03-0,05.

Матеріали ущільнювачів. Важливою умовою економічної роботи парових і газових турбін, компресорів, насосів є зведення до мінімуму втрат газового і парового потоків через різну нещільність і зазори між рухомими і нерухомими частинами агрегатів. Для цього передбачають радіальні, торцеві і лабіринтові ущільнення валів, що швидко обертаються, і проточної частини парових і газових турбін. За рахунок зменшення зазорів між лопатками, що обертаються, і статором турбін їх ККД вдається підвищити на 0,5—1,5 %.

Торцеві і радіальні матеріали ущільнювачів в різних машинах і механізмах працюють в широкому діапазоні швидкостей тертя (1—450 м/с), навантажень (0,05—0,29 Мпа) і температур (—50...+500°С).

Для виготовлення елементів торцевих і радіальних ущільнень застосовуються композиційні матеріали, склади і властивості яких приведені в табл. 11 і 12. Вони володіють низькими коефіцієнтами тертя, високими зносостійкістю і корозійною тійкістю в робочих середовищах, хорошою прирабатываемостью, малою щільністю, достатньою механічною міцністю, стабільністю структури і хімічного складу, невеликою твердістю, високою термостійкістю, хорошою теплопровідністю, коефіцієнтом теплового розширення близьким до коефіцієнта матеріалу кріпильного кільця

Матеріали ущільнювачів, як правило, складаються з пористого каркаса, що несе, і наповнювача. Каркас, що несе, володіє певним рівнем прочностных властивостей для запобігання руйнуванню матеріалу під дією ударних навантажень, вібрацій і розмиваючої дії газового і парового потоків. 1 тому І він повинен володіти високою жаростійкістю і хорошою теплопровідністю.

Для забезпечення антифрикційних властивостей в каркас, що несе, вводять наповнювача (тверде мастило). Це приводить до розпушування металевого каркаса, полегшує його прироблення і знижує коефіцієнт тертя. У разі контактного тертя наповнювач утворює на контактуючих поверхнях стабільну поверхневу плівку, що запобігає схоплюванню в парі тертя. Тому наповнювач повинен володіти високою жаростійкістю в продуктах згорання різних палив і перегрітій парі високих параметрів, шаруватою структурою, легко розщеплюватися під дією сил тертя, мати низьку твердість для забезпечення легкого урізування лопаток і гребінців лабіринтів.

Залишкова пористість в порошковому матеріалі ущільнювача знижує його прочностные властивості, а також ерозійну стійкість і жаростійкість. Проте за наявності пористості поліпшується прирабатываемость, особливо в перші моменти стикання торців лопаток і гребінців лабіринтів за рахунок пластичного затікання металевої матриці матеріалу ущільнювача в пори.

Як матеріал основи каркаса торцевих і радіальних ущільнень, що несе, застосовують порошу пластичних металів і сплавів: нікелю — ПНЭ і ПНК (ГОСТ 9722—79), мідь — ПМС- В (ГОСТ 4960—75), залоза — ПЖВ 1 (ГОСТ 9849—86), алюминия— АПЖ (ТУ — 48—5—36—78). Як наповнювач (твердого мастила) застосовують графіт мазкі II (ГОСТ 5279—74), нітрид бору, синтетичну калийфторфлогонитовую слюду, фторид кальцію, тальк, фторид барії, деякі оксиди і ін. Для підвищення прочностных властивостей і жаростійкості до складу матеріалів ущільнювачів вводять легуючі елементи: кремній мазкі Кр-0 або Кр-1 (ГОСТ 2169—69), молібден, хром, марганець, магній і ін.

Для приготування матеріалу ущільнювача початкова пороша змішує в кульових млинах або змішувачах із зміщеною віссю протягом 12—20 ч. Для зменшення сегрегації компонентів шихти по щільності в неї додають 1,0—1,5 % гліцерину. У млин або змішувач завантажують також «йоржі» з тонколистового нікелю або неіржавіючої сталі в кількості 30—50 % маси шихти, поліпшуючих якість перемішування.

Пресування деталей (вставок) здійснюють на гідравлічних пресах в сталевих прес-формах при тиску 310—450 Мпа.

Спікання вставок проводять в захисному середовищі водню, диссоційованого аміаку або у вакуумі при температурі 1100— 1150°С протягом 3—5 ч. Разом з цим використовують засипку з безводого оксиду алюмінію. Вставки, що застосовуються для ущільнення надлопаткових зазорів проточної частини турбіни, як правило, піддають повторному пресуванню (калібруванню) і повторному спіканню для підвищення щільності і прочностных властивостей.

Поршневі кільця. Поршневі кільця двигунів внутрішнього згорання, компресорів призначені для забезпечення герметичності камери згорання або стиснення в умовах рухомого контакту з циліндром. Вони працюють під впливом підвищених температур і тиску, в умовах нерівномірного тертя по колу, а також за наявності продуктів коксування мастила, палива, які руйнують поверхню кільця.

Як основа для виготовлення поршневих кілець зазвичай застосовують железографитовый матеріал, що містить 1—3 % графіту. Проте такий склад не забезпечує достатньо високих ізносо- і теплостійкості. Для поліпшення цих характеристик, а також зниження коефіцієнта тертя проводиться легування вказаної основи. Так, для підвищення теплостійкості, в основному, з метою збереження пружних властивостей після тривалих витримок при робочих температурах застосовують матеріали на основі заліза з добавками вуглецю, міді, марганцю, кремнію. Для забезпечення високої зносостійкості необхідно, щоб матеріал містив тверді структурні складові типу карбіду заліза або інших металів, які вводять до складу матеріалу. Зниженню коефіцієнта тертя сприяє введення до складу матеріалу сульфідів свинцю або інших м'яких металів. Склади деяких матеріалів, вживаних в СРСР і за кордоном для виготовлення поршневих кілець, приведені в табл. 13.

Як видно з даних таблиці, всі варіанти складів значно перевищують по прочностным характеристиках литий сірий чавун, вживаний для виготовлення поршневих кілець.

Можливо також легування матеріалів на основі заліза, разом з міддю і графітом, хромом, фосфором і іншими елементами. Коефіцієнти тертя і зносу деяких матеріалів характеризуються залежностями, приведеними на мал. 17.

У разі застосування для виготовлення кілець чистого железографита його високі физико-механические властивості не визначають однозначно зносостійкість матеріалу, а високі антифрикційні властивості обумовлюються наявністю великої кількості структурно-свободного графіту. Введення в матеріал 2 % мідь за інших рівних умов забезпечує збільшення зносостійкості. До такого ж результату приводить легування хромом, проте в цьому випадку збільшується коефіцієнт тертя.

Технология изготовления порошковых поршневых колец преду­сматривает: смешивание порошков исходных компонентов в смеси­телях любой конструкции в течение 6-12 ч; прессование шихты на прессах-автоматах под давлением 700—770 МПа. Полученные заго­товки изделий подвергаются спеканию в проходной электрической печи при 1180°С в течение 2—3 ч в среде водорода, дисоційованого аміаку или конвертированного природного газа. Спеченные заготовки допрессовываются при давлении 1100 МПа до пористости 7—15 %. Для придания кольцам окончательных размеров по диа­метру их подвергают калиброванию.

Після розрізання замків, з метою додання кільцям пружних властивостей, здійснюють їх термофіксацію при температурі 600 °С протягом 1,5 ч на повітрі. Для додання кільцям остаточних розмірів по товщині проводять шліфування торців, а потім паротермическое оксидування при температурі 550°С протягом 30 мін і тиску пари 150—200 Мпа з метою зменшення коефіцієнта тертя і підвищення зносостійкості.

Поршневі кільця, отримані методом порошкової металургії, мають кращі механічні властивості. Наявність пористості 7—15 % забезпечує хорошу прирабатываемость пари, що треться, особливо в поршневих машинах, наприклад в компресорах.

Змінюючи склад і структуру матеріалу, величину і розподіл пір за об'ємом заготовки, можна виготовляти поршневі кільця для різних умов експлуатації. Рівномірна структура матеріалу, висока міцність і здатність порошкових кілець витримувати великі зусилля стиснення дозволяють збільшити потужність двигунів і на 4—5 % скоротити витрату палива.

Прокладки ущільнювачів. Для ущільнення різних з'єднань, фланців і труб в аппарато- і машинобудуванні використовуються м'які металеві прокладки, що зазвичай виготовляються зі свинцю або міді. Останнє пов'язане з витратою кольорових металів. Крім того, прокладки зі свинцю не можуть бути використані в умовах високих температур (наприклад, фланцеві ущільнення реакторів, що працюють при високих температурах). Прийнятніші в цьому відношенні пористі ущільнення на основі порошку заліза, що володіють підвищеною пластичністю і що використовуються в прокладках ущільнювачів, що служать для герметизації стиків труб, муфт і фланців. Такий матеріал ущільнювача отримують з порошку заліза з розміром частинок 160—200 мкм спіканням його при 1200—1350 °С без попереднього пресування з подальшим просоченням бітумом для підвищення корозійної стійкості. Прокладки ущільнювачів з цього матеріалу виготовляють у вигляді шматочків, що скріпляють залізним дротом або паперовими смугами в стрічку, яку зручно використовувати при зачеканке труб, муфт і фланців.

Углеграфитовые материалы. В случае, когда недопустимо за­грязнение смазкой технологических продуктов, изделий и аппара­туры, при необходимости обеспечения бесшумной работы механиз­мов применяются углеграфитовые антифрикционные самосмазыва­ющиеся материалы (схема 9). Из них изготовляют подшипники високошвидкісних електрошпінделів, поршневі кільця паровыхмашин і компресорів, торцеві ущільнення водяних і топливо- підкачуючих насосів, які можуть працювати у воді, рідкому паливі, фреоні, антифризі, аміачних розчинах, кисні при низьких (—60 °С) і підвищених (+250 °С) температурах.

Основними складовими углеграфитовых антифрикційних матеріалів є: природний графіт, нафтовий кокс, кам'яновугільний пек і легкоплавкі антифрикційні металеві компоненти (бабіт Б83, свинець С05, свинцева бронза БРС —30).

Після попередньої підготовки вуглецьвмісних компонентів їх змішують в шнековому змішувачі при температурі, вище за температуру плавлення кам'яновугільного пека. Підігріту суміш обробляють на спеціальних вальцях для ущільнення і більш рівномірного розподілу компонентів суміші. Охолоджену суміш протирають через сито з сіткою № 05 на протиральному верстаті. З гранульованої таким чином суміші пресують заготовки, які обпалюють при високій температурі в захисному середовищі для видалення летючих речовин, графітизації нафтового коксу і твердого компоненту кам'яновугільного пека. При кінцевій температурі обробки 1200—1300 °С отримують вуглецевий матеріал марок АТ — 1500, АТ — 600, при температурі 2300-2500 °С — графитизированный матеріал мазкий АГ — 1500, АГ — 600 з пористістю 25-30 %.

Отримані заготовки додатково просочують бабітом Б83, свинцем С05 або бронзою БРС — 30, для чого заздалегідь нагріті заготовки занурюють в судину із сплавом при температурі 450—1050 °С. Потім судину герметизують і вакуумують. Після вакуумування судину наповнюють інертним газом під тиском, величина якого залежить від розміру заготовок, що просочуються, і коливається в межах 2,5—2,7 Мпа. Тривалість витримки під тиском складає 1—5 мин.

Деякі властивості углеграфитометаллических матеріалів приведені в табл. 14.

Углеграфітометаллічеськие антифрикційні матеріали мають коефіцієнт тертя після прироблення 0,05—0,07. Допустима робоча швидкість для углеметаллических матеріалів — 10, для графитометаллических — 20 м/с.

Питання для самоконтролю

1. По яких ознаках класифікуються антифрикційні матеріали?

2. Які ви знаєте антифрикційні матеріали на основі заліза?

3. Якими основними властивостями повинні володіти антифрикційні матеріали?

4. У чому полягає принцип самосмазывания в підшипниках ковзання?

5. Якими технологічними прийомами можна регулювати структуру і властивості антифрикційних матеріалів?

6. Які компоненти застосовуються для виготовлення антифрикційних матеріалів?

7. Які ви знаєте методи отримання антифрикційних матеріалів?

8. Опишіть властивості і технологію виготовлення радіальних і торцевих

9. ущільнень на основі металів, сплавів і тугоплавких з'єднань.

РОЗДІЛ 3. ПРОНИКНІ МАТЕРІАЛИ