книги из ГПНТБ / Мизери, А. А. Эксплуатация текстильного оборудования с деталями из пористых спеченных материалов

материала. В ряде случаев подготовка шихты к прессованию пре­ дусматривает разделение исходных порошков, состоящих из ча­ стиц различной величины, на фракции определенной крупности. Для получения шихты требуемого состава и физико-механических свойств смешивают два или несколько порошков с различными химическими составами.

Обычно при изготовлении пористых железографитовых под­ шипников методом порошковой металлургии в шихту перед сме­ шиванием вводят углерод в виде графита в количестве до 3%.

Одной из основных операций технологического процесса изго­ товления деталей является прессование.

Цель прессования — получение полуфабриката определенной формы и размеров, соответствующих форме и размерам прессформы. При прессовании увеличивается контакт между частицами порошка, повышается прочность и уменьшается пористость порош­ ковых тел.

Однако прессованием все же не удается достичь значительной прочности изделий главным образом из-за наличия окисных пле­ нок, покрывающих поверхность металлических частиц и препят­ ствующих возникновению контакта.

Удельное давление прессования зависит от прессуемого ма­ териала, физико-механических свойств детали, чистоты поверх­ ности и смазки пресс-формы. Обычно удельное давление состав­ ляет от 1 до 8 т/см2 и более.

В табл. 4 приведены режимы прессования и спекания, приме­ няемые при изготовлении спеченных изделий.

При повышении удельного давления прессования увеличива­ ется плотность материала, возрастает прочность, и пористые ма­ териалы по своим свойствам приближаются к компактным мате­ риалам.

Спеченные изделия, например подшипниковые втулки, прес­ суют различными методами в зависимости от соотношения высоты детали I к ее диаметру d.

Одностороннее прессование допускают при соотношении — не d

более 1—2 с отношением к толщине стенки не более 3.

Если соотношение — /> 2, необходимо применить двусторон- d

нее прессование. Необходимость применения двустороннего прес­ сования вызвана тем, что длинные и малого диаметра детали при одностороннем прессовании приобретают неравномерную пори­ стость по длине: большую плотность на торце детали и меньшую в средней части. При неравномерной пористости железографито­ вых подшипниковых втулок вдоль оси вала создаются неодинако­ вые условия масловыделения и не обеспечивается стабильность образования масляной пленки на трущихся поверхностях.

М. Ю. Балыиин [2] различает при прессовании четыре после-

'довательные стадии, протекающие при различном давлении прес­ сования и частично перекрывающие друг друга. Однако не обя-

10

Т а б л и ц а 4

зательно, чтобы во всех случаях прессование протекало по четы­ рем стадиям.

На первой стадии преодолеваются силы отталкивания между частицами, причем работа прессования в основном расходуется на преодоление трения между частицами.

Вторая стадия характеризуется разрушением мостиков и де­ формацией частиц. При этом большая часть работы прессования расходуется на преодоление трения частиц о стенки пресс-формы.

На третьей стадии образуются «агрегаты» частиц. При этом их поверхности сглаживаются и механически сближаются, что позволяет проявиться силам притяжения. На этой стадии работа прессования накапливается в виде остаточных напряжений.

При дальнейшем повышении давления прессования (на четвер­ той стадии процесса) происходят пластическая деформация и раз­ рушение чабтиі{ порошка. Для улучшения прессуемости к порош­ кам прибавляют смазывающие вещества.

В. И. Лихтман [3] считает, что вводимые в шихту смазки не только снижают трение порошка о стенки пресс-формы, но и ак­ тивно влияют на процесс деформации, значительно облегчая его.

В качестве активных смазок В. И. Лихтман [4] использовал олеи­ новую кислоту в вазелиновом масле или бензоле. В результате

11

снижалось давление прессования, необходимое для достижения заданной пористости.

Исследование влияния активных смазок на величину упругого расширения прессовок после извлечения их из матриц (упругое последствие) показало, что в этом случае активная смазка играет положительную роль, сильно уменьшая величину упругого расши­ рения, т. е. в присутствии поверхностно-активных веществ проис­ ходит более полная релаксация упругих напряжений с заменой упругих деформаций пластическими. Это имеет огромное значе­ ние для получения точных размеров изделия.

В последние годы проводятся экспериментальные работы по исследованию процесса прессования металлических порошков с применением вибрации [5].

Сочетание низкого статического давления с вибрацией позво­ ляет получать заготовку, а в ряде случаев и окончательное изде­ лие с равномерной пористостью, более высокой плотностью и раз­ нообразной довольно сложной формы.

Использование небольшого статического давления при вибра­ ционном уплотнении значительно упорядочивает поведение поро­ шка при формовании, исключая хаотическое перемещение его частиц.

На кафедре технологии машиностроения МТИ при исследова­ нии процесса прессования крутильных колец с максимально воз­ можным фасонированием профиля заготовки кольца возникли большие трудности при достижении равномерного прессования сложного контура. Единственно возможным, пожалуй, будет виб­ рационное уплотнение при небольших статических нагрузках.

Однако перспектива получения однородных деталей высокого качества, а также возможность осуществления технологического процесса без использования многотонных прессов весьма заман­ чива.

Экспериментальные работы по применению взрыва для уплот­ нения порошка проведены Номура Йокан и Кимура Ясуюки [6]. С помощью взрыва проводилось уплотнение порошков карбониль­ ного железа с разным размером частиц (3—20 мк) с применением и без применения связки из фенольной смолы. Оказалось, что часть образцов не спрессовалась, тогда как при статическом прессовании такого же порошка прессовки получились во всех случаях.

Это свидетельствует о том, что факторы, определяющие прессуемость порошков, при статических и динамических методах различны. Микроисследование прессовки с внутренней полостью обнаружило следы оплавления вблизи полости.

Для повышения механической прочности прессовки полуфабри­ каты подвергают так называемому спеканию. Спекание является наиболее ответственной технологической операцией, от которой в значительной степени зависят свойства изделий и прежде всего механическая прочность, непосредственно зависящая от величины и характера контактной поверхности.

12

Врезультате спекания происходит превращение частиц спрес­ сованного порошка в компактное металлическое тело.

Впроцессе прессования большинства металлических порошков не удается достичь значительной прочности изделий, что объяс­ няется наличием пленок, покрывающих поверхность металлических частиц и препятствующих возникновению контакта между части­ цами.

За последние 10—15 лет советскими учеными проведено много теоретических и экспериментальных исследований процессов спе­ кания.

Важнейшими современными теориями спекания являются тео­ рии советских ученых Я. И. Френкеля, Б. Я- Пинеса, В. И. Ивенсена, М. Ю. Балынина, И. М. Федорченко, Г. А. Меерсона и др.

Из теорий спекания, развитых зарубежными исследователями, следует упомянуть теории Кучинского, Джонсона и др. Однако несмотря на большое количество исследований процесса спека­ ния, проведенных различными учеными, до сих пор не внесена ясность в этот вопрос. Выводы различных авторов нередко про­ тиворечивы. До сих пор имеются различные точки зрения и серь­ езные разногласия.

Целесообразно привести выводы, которые сделаны Лихтманом [4], о процессе спекания порошковых материалов.

В процессе спекания решающее значение для образования кон­ тактной поверхности между металлическими частицами имеют три основных процесса: релаксация внутренних напряжений, воз­ никающих при прессовании и локализованных в местах контак­ тов; восстановление поверхностных окислов и поверхностная и объ­ емная диффузия атомов металлов, приводящая к выравниванию профиля частиц, собирательной рекристаллизации между части­ цами и усадке (уменьшению объема пор).

Роль и значение каждого из этих процессов меняются в зави­ симости от температуры спекания.

Режимы спекания, применяемые при изготовлении спеченных изделий, даны в табл. 5.

Спекание производят в защитной или нейтральной атмосфере при температуре ниже точки плавления порошка или ниже темпе­ ратуры плавления основного металла в многокомпонентной си­ стеме порошков. В качестве защитной атмосферы применяют во­ дород, смесь азота с водородом, диссоциированный аммиак и др. После спекания изделия охлаждают в защитно-восстановитель­ ной атмосфере.

Спеченные изделия пропитывают маслом. Пропитывание пори­ стых подшипников производят путем погружения их в масло, име­ ющее температуру 110—120° С, на 1,5— 2 ч, а затем до полного остывания в масле при комнатной температуре.

Другим способом является вакуумная пропитка в специаль­ ных установках. Пропитывание производят индустриальным мас­ лом марок 12 и 20.

13

Масловпитываемость (в %) определяют по формуле

М = ^ — 100,

Рі

где Р2— масса втулки после пропитки, г; Р1 — масса втулки до пропитки, г.

Прочность спеченных изделий можно повысить, применяя до­ полнительные технологические операции. К числу таких операций, относятся калибрование, обжатие, сплавление с добавлением лег­ коплавких металлических порошков, повторное спекание и др.

• Калибрование может обеспечить 2—3 класс точности и чистоту поверхности до 10—11 класса.

Когда нельзя предусмотреть точные размеры подшипников, из­ готовляют заготовки с небольшим припуском на обработку реза­ нием. После калибрования или обработки резанием для пополне­ ния потерянного масла подшипники подвергают повторному про­ питыванию в течение 1—2 ч.

Спеченные изделия на железной основе можно подвергать раз­ личным видам химико-термической обработки (азотированию, це­ ментации), а также поверхностному насыщению различными металлами: алюминием (алитирование), хромом (хромирование), цинком (цинкование) и др.

Физико-механические свойства пористых спеченных материалов

Значительные исследования физико-механических свойств спе­ ченных железографитовых материалов проведены В. Е. Микрюковым и Н. 3. Поздняком [7]. Кроме твердости, прочности при рас­ тяжении и сжатии, удлинения, они исследовали также теплопро­ водность и электропроводность.

Было установлено следующее:

1.Теплопроводность и электропроводность пористых железо­ графитовых материалов в большей степени зависят от содержа­ ния углерода, чем от пористости. С увеличением пористости теп­ лопроводность и электропроводность уменьшаются.

2.Твердость зависит от пористости и структурных состав­ ляющих материала. С повышением пористости твердость пони­

жается.

3.Предел прочности железографитового материала уменьша­ ется с увеличением пористости. Так, изменение пористости на 7% снизило прочность материала более чем в два раза.

4.Удлинение при растяжении еще более резко изменяется в за­ висимости от пористости, чем предел прочности при растяжении. Изменение пористости на 7% снизило удлинение в 3,5 раза.

5.Изотермы теплопроводности в зависимости от состава уг­ лерода показывают, что у пористых сплавов теплопроводность

14

уменьшается почти в два раза при увеличении содержания угле­ рода от 0,06 до 0,32%. При большем содержании углерода теп­ лопроводность изменяется незначительно.

6. Металлографический анализ показал, что у пористых желе­ зографитовых материалов без термической обработки после спе­ кания структура образцов неоднородна как на периферии, так и в сердцевине.

В. С. Раковский, излагая основы порошкового металловедения [S], также уделяет внимание прочности спеченных материалов и на основании многочисленных экспериментальных работ, проведен­ ных многими исследователями, в том числе и самим автором, де­ лает попытки сформулировать некоторые общие положения и вы­ воды.

Отмечая, что прочность спеченных материалов находится в пря­ мой зависимости от пористости и падает с увеличением послед­ ней, автор приводит уравнение Б. Я- Пинеса, выражающее эту за­ висимость:

Р = Р0(1 -іш ).

где п — пористость, %; |х — плотность компактного материала;

Р0 — механическая прочность компактного материала.

Далее В. С. Раковский рассматривает, как влияет на механи­ ческую прочность введение добавочных компонентов, температура которых значительно ниже температуры плавления основных ком­ понентов. Отмечается, что влияние легкоплавких добавок может быть двояким: в одном случае они способствуют повышению проч­ ности (например, добавки олова к меди), в другом снижают проч­ ность (например, присадка висмута к меди).

Значительное влияние на механическую прочность, по мнению автора* оказывают форма и величина частиц порошков, а также состояние поверхности частиц, т. е. наличие поверхностных окис­ лов. Прочность обычно возрастает с усложнением формы частиц, так как в этом случае возрастает контактная поверхность и появ­ ляется влияние механических зацеплений между частицами. По­ вышение дисперсности порошков влияет на увеличение контактной поверхности, а следовательно, и на прочность материала.

В работах, выполненных В. С. Раковским, Е. Н. Германом и др., отмечается, что у спеченных материалов наблюдается боль­ шая разница прочности на сжатие, изгиб и разрыв.

Для подавляющего большинства спеченных материалов а Изг больше аВр обычно в 2,5—3,0 раза, а асж больше а изг также в 2,0— 3,0 раза.

На усталостную прочность спеченных материалов заметно вли­ яют характер структуры и степень пластичности материала. Ус­ талостная прочность повышается с увеличением дисперсности спе­ ченных материалов за счет общего увеличения прочности.

Обширные исследования модуля упругости и усадки спеченной стали выполнил Мак-Адам. Для сплавов на железной основе не­ зависимо от сорта легирующих присадок проф. Ф. А. Айзенкольб

15

[9] приводит формулу Мак-Адама для определения модуля упру­ гости, который является функцией относительной плотности Ѳ:

плотности исследовал М. Ю. Балынин [2]. Он предложил формулу для определения прочности прессованных (неспеченных) загото­ вок:

Ѳт ,

где Ѳт — относительная плотность; (7к — прочность компактного материала (при 100%-ной плот­

ности).

М. Ю. Бальшин рекомендует применять эту формулу и для спеченных материалов, рассматривая,спекание как сжатие порош­ кообразной массы металла под действием межатомных сил. Пока­ затель т колеблется от 3 до 6. Величина показателя т для ре­ жимов спекания, обеспечивающих максимальные свойства, состав­ ляет 3, тогда для спеченных материалов эта формула примет

следующий вид:

_ пт

Овр. сп — С’вр. к ° *

где сгвр. сп и сгвр.к — пределы прочности при растяжении соот­ ветственно спеченного и компактного ме­ талла.

Влияние температуры на механические свойства пористых тел в общем аналогично влиянию температуры на механические свой­ ства компактных материалов. Механические свойства спеченного пористого железа в зависимости от крупности частиц исходных порошков при одинаковой пористости по данным С. А. Цукермана [10] приведены в табл. 5.

Т а б л и ц а 5

В табл. 6 по данным Н. Ф. Вязникова и С. С. Ермакова [11] приведены основные свойства спеченных железографитовых под­ шипниковых втулок с различной пористостью и различным содер­ жанием графита, полученных при оптимальном удельном давле­ нии и оптимальной температуре спекания.

Коррозионная стойкость спеченных материалов меньше корро­ зионной стойкости компактных.

16

Особенности окисления пористых материалов на основе железа и никеля исследовались Р. А. Андриевским и М. А. Дмитриевой [12], П. Д. Данковым и Н. К. Андрюшенко [13] и др.

Так, для пористого железа отмечается более интенсивное окис­ ление при 600° С, чем при 800° С, что объясняется закупоркой устьев пор и прекращением доступа кислорода во внутренние области образца. При более высоких температурах (1000° С) снова наблюдается значительное окисление, что объясняется ин­ тенсивным образованием окалин на поверхности образца. Иссле­ дование коррозионной стойкости пористых нержавеющих сталей Х23Н18, Х17Н2, ОХ18Н9 и 1Х18Н9Т, изготовленных из восста­ новленных порошков, было выполнено А. Л. Андриевским и В. П. Копыловой [14]. Наиболее коррозионностойкой оказалась аусте­ нитная сталь Х23Н18. Самую низкую коррозионную стойкость имели образцы стали 1Х18Н9Т. Это, как и низкая окалиностой­ кость, может быть связано с отмечавшейся ранее плохой спекаемостью порошка 1Х18Н9Т и соответственно малой величиной кон­ тактов между частицами в спеченных брикетах.

Коррозионная стойкость сталей Х17Н2 и ОХ18Н9 примерно одинакова, с той только разницей, что в 10%-ном растворе H2SO4 образцы стали Х17Н2 полностью рассыпались после пятичасовой выдержки.

Растворимость пористых порошковых сталей в растворах HN03, NaOH и в воде невелика. По данным ЦНИИТмаш пори­ стые, в частности железографитовые, материалы обладают высо­ кими антифрикционными свойствами: низким коэффициентом трения, хорошей прирабатываемостью, износостойкостью и высо­ кими предельно допустимыми нагрузками [15].

Железографитовые втулки с пористостью 22—28% удовлетво­

Для изготовления различных деталей в настоящее время на­ чинают применять спеченные материалы, состоящие из смеси же­ лезного и чугунного порошков. Экспериментальные исследования и опыт работы показывают, что из смеси железного и чугунного порошков можно получить конструкционные материалы, облада­ ющие достаточно высокой прочностью и твердостью, но незначи­ тельным удлинением.

Технология производства этих материалов включает приготов­ ление смеси железного порошка с 20—30% чугунного порошка. Первое прессование производится при давлении 4—6 т/см2 и предварительное спекание — при температуре 650° С. Затем ма­ териал подвергают дополнительному прессованию при давлении 8—9 т/см2 и вторичному спеканию при температуре 1200° С.

При наличии в смеси 30% чугунного порошка предел прочно­

18

прочности при растяжении 21—31 кгс/мм2 и удлинением порядка

0,5—2%.

Присадки меди не только улучшают прочностные свойства, но позволяют также уменьшить изменение размеров при спекании вследствие снижения усадки.

Находят применение также изделия, изготовленные методом порошковой металлургии из латунного и бронзовых порошков. Из­ делия, изготовленные из латунных порошков, имеют различные составы с содержанием меди до 90% и цинка от 10% и более.

Некоторые свойства изделий, изготовленных из латунных по­ рошков, представлены в табл. 9.

Т а б л и ц а 9

Для улучшения обработки резанием изделия, изготовленные из латунного порошка, содержат до 1,5% свинца. Увеличение коли­ чества фосфора способствует повышению пластичности готовых изделий, хотя это приводит к снижению твердости, что видно из данных табл. 9.

Структура железографитовых композиций оказывает решаю­ щее влияние на их свойства — прочность, коэффициент трения и износостойкость. Железографитовые композиции до спекания со­ ответствуют серым ферритным чугунам и отличаются от них лишь наличием пористости и отсутствием металлического контакта между частицами. Наиболее благоприятной структурой железо­ графитовых композиций после спекания является перлитовая. Ма­ териалы, обладающие такой структурой, имеют высокие прочност­ ные показатели и хорошую износостойкость. Выбор режима охлаждения обусловливает структурообразование в железографи­ товых композициях.

Особенности структуры пористых спеченных материалов

Обычно порошковые материалы состоят из частиц самой раз­ личной формы и разных размеров. Методы производства порош­ ков влияют на форму частиц.

Так, при вихревом методе, как правило, получаются частицы округлой формы с относительно гладкой поверхностью; при элект­