Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технология получения и свойства спеченных материалов и изделий из них. Лабораторный практикум
.pdf
нием. При высоком содержании графита в составе материалов и при
использовании в этом случае каменноугольного пека проводят предварительное смешивание всех углеродосодержащих компонентов в
смесителях с паровым обогревом. Полученную смесь измельчают,
просеивают и смешивают с порошком меди.
21.3. Оборудование и методика
Прессование смесей Cu – C и Cu – Sn – C осуществляют на гидравлическом прессе усилием 500 кН (50 т), схема и принцип действия которого описаны в [1, 2]. Спекание спрессованных образцов
осуществляют при температуре 700...800 °C в течение 0,5 ч в муфеле в
засыпке графитовой крупки.
Методики определения плотности и пористости приведены в
прил. 1, твердости – в прил. 3, электросопротивления – в прил. 6.
21.4. Порядок выполнения работы и указания по технике
безопасности
Работа выполняется со смесями Cu – C (1, 3, 5, 10, 15 % С), Бр-С
(бронза с содержанием Sn 6 %, углерода – 1, 3, 5, 10, 15 %).
Из смесей указанных преподавателем составов прессуют по два
образца на гидравлическом прессе. Режим прессования и порядок
исследования прессуемости приведены в лабораторной работе 7.
После прессования определяют плотность и пористость прессовок.
Спрессованные образцы спекают при температуре 700...800 °С
в течение 0,5 ч в муфеле в закрытом коробе в графитовой засыпке.
Спеченные образцы взвешивают, обмеряют микрометром, рассчитывают их плотность и пористость, усадку при спекании, определяют их твердость или электропроводность.
Указания по технике безопасности при работе на прессе приведены в лабораторной работе 7, при спекании в муфельной печи – в [1].
21.5. Обработка результатов эксперимента
1. Полученные экспериментальные данные запишите в таблицу
«давление прессования – количество углерода – свойства».
2. Постройте графики зависимости плотности, пористости после
прессования и спекания, твердости, элетросопротивления от давления прессования и содержания углерода.
111
21.6. Отчет о выполнении лабораторной работы
Отчёт должен содержать условия и результаты опытов с учетом
индивидуального задания; краткое описание характеристик используемого оборудования; результаты определения точности измерений
всех параметров процессов; результаты расчета навесок, манометрического давления прессования, свойств спрессованных и спеченных
образцов по соответствующим формулам; таблицу и графики по результатам опытов, анализ полученных данных.
Библиографический список
1. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы по-
рошковой металлургии. М.: МИСиС, 2002.Т. 1, 2.
2. Нарва В.К. Технология порошковых материалов и изделий:
Курс лекций. М.: Изд. Дом МИСиС, 2012. 170 с.
Контрольные вопросы
Для проверки готовности к проведению лабораторной работы
1. Каково назначение компонентов в скользящих электрокон-
тактах?
2.От каких факторов зависит износостойкость скользящих элек-
троконтактов?
3. Каковы особенности технологии скользящих электрокон-
тактов?
4. Перечислите механизмы износа скользящих электроконтактов.
5. Каковы виды износа скользящих электроконтактов?
К защите лабораторной работы
1. Изобразите диаграммы состояния Сu – Sn.
2. Каково влияние углерода на характер спекания и усадку мате-
риалов на основе меди?
3. Опишите кристаллическую структуру графита.
4. В результате чего выполняется правило положительного гради-
ента механических свойств в скользящих электроконтактах?
5. Каковы особенности свойств скользящих электроконтактов?
112
Лабораторная работа 22
ПОЛУЧЕНИЕ ВЫСОКОПОРИСТЫХ
МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ НИКЕЛЯ
С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОРООБРАЗОВАТЕЛЯ
(4 часа)
22.1. Цель работы
Приобретение навыков прессования, спекания, определения
свойств фрикционных материалов.
22.2. Теоретическое введение
Порошковые фрикционные материалы находят широкое применение в современной технике благодаря их уникальным и универсальным свойствам: высокому коэффициенту трения, не меняющемуся в
широком температурном интервале, высокой износостойкости, прочности, теплопроводности, коррозионной стойкости.
Спеченные фрикционные материалы заменили чугуны, стали,
бронзу, асбофрикционные материалы, характеризующиеся нестабильностью эксплуатационных свойств, невозможностью работать в
экстремальных условиях: при высоких и низких температурах, в вакууме. Более устойчивы при указанных условиях фрикционные материалы, получаемые методом порошковой металлургии.
В состав таких материалов входят как металлические, так и неметаллические компоненты.
Коэффициент трения зависит от трех факторов: 1) материала
трущихся пар, условий работы, состояния поверхности; 2) режима
работы (температуры, скорости, нагрузки); 3) конструкции фрикционного соединения (размера поверхности, геометрической конфигурации).
Коэффициент трения во многом определяет работу тормозного
устройства. От него зависит энергоемкость тормоза, что отражается
на габаритах тормозного узла. Коэффициент трения должен быть
стабильным, что определяет плавную работу тормоза без рывков и
толчков. Это предотвращает резкое повышение температуры в зоне
трения и уменьшает износ.
113
Фрикционные материалы должны обладать высокой износостойкостью, т.е. высокой сопротивляемостью истиранию. Износостойкость фрикционных материалов зависит от прочности металлической матрицы. При этом металлическая основа фрикционного
материала должна быть пластичной, чтобы удерживать в себе частицы фрикционных и противозадирных присадок, твердой смазки.
Для обеспечения плавного рабочего цикла тормозного устройства
без рывков и вибраций фрикционный материал должен обладать
стойкостью против схватывания, которое проявляется в «намазывании» материала одного элемента фрикционной пары на другой, образовании задиров и вырывов в результате сваривания. Для предотвращения схватывания в состав фрикционных материалов вводят
слоистые твердые смазки.
Порошковые фрикционные материалы содержат металлические
и неметаллические компоненты, которые условно можно разделить
на три группы.
1. Компоненты основы, в качестве которых, как правило, используют железо и медь, от которых зависит формирование основных
физико-механических свойств.
2. Компоненты, выступающие в роли смазок и предупреждающие заедание, схватывание, способствующие уменьшению износа.
К ним относятся легкоплавкие металлы, графит, сульфиды, нитрид
бора.
3. Компоненты, служащие фрикционными добавками и повышающие коэффициент трения, предотвращающие схватывание и заедание. Это могут быть металлы – железо, молибден, вольфрам для
материалов на основе меди, а также оксиды титана, кремния, алюминия, хрома, железа и их соединения.
Фрикционный слой прессуют из порошковой смеси всех входящих в ее состав компонентов и соединяют со стальным несущим
каркасом. Спекание фрикционного слоя осуществляют либо отдельно, либо вместе с несущим каркасом. Обычно давление прессования
для материалов на основе меди составляет 150...300 МПа, на основе
железа 400...500 МПа.
Для повышения плотности спекание фрикционных изделий проводят под давлением. Для материалов на основе железа температура
спекания обычно оставляет 1040...1070 °С, давление – 2,5…3,0 МПа,
для материалов на основе меди температура спекания – 700...800 °С,
давление – 0,5…2,5 МПа.
114
22.3. Оборудование и методика
Прессование порошковых смесей на основе меди и железа прово-
дят на гидравлическом прессе усилием 500 кН (50 т).
Спекание спрессованных образцов осуществляют в печах сопро-
тивления с нихромовым нагревателем при температуре 800...1050 °С.
Методики определения плотности, пористости приведены в
прил. 1, твердости – в прил. 3, прочности – в прил. 10.
22.4. Порядок выполнения работы и указания по технике
безопасности
Для получения фрикционных спеченных материалов используют
смеси на Cu- и Fe-основах (по указанию преподавателя).
Из шихты прессуют по два образца при различных значениях
давления (из диапазона 50...700 МПа по указанию преподавателя).
Прессованные образцы обмеряют, рассчитывают плотность, пористость.
Спрессованные образцы спекают при температуре 800...1050 °С (в
зависимости от состава) в восстановительной атмосфере в течение
1 ч. Для этого образцы укладывают в никелевые лодочки, которые
загружают в печь, после чего температуру поднимают до заданной.
По окончании выдержки лодочки вынимают из печи, образцы взвешивают и обмеряют микрометром, рассчитывают их плотность, пористость, усадку, определяют твердость, прочность.
Указания по технике безопасности при работе на прессе приведены в лабораторной работе 7, при работе на печи сопротивления с
нихромовым нагревателем – в лабораторной работе 1.
22.5. Обработка результатов эксперимента
1. Полученные экспериментальные данные запишите в таблицу
«давление прессования – состав материала – свойства после прессования и спекания».
2. Постройте графики зависимости плотности, пористости, твердости, прочности от давления прессования.
22.6. Отчет о выполнении лабораторной работы
Отчет должен содержать характеристику исходных материалов;
условия и результаты опытов с учетом индивидуального задания;
115
краткое описание характеристик используемого оборудования; результаты определения точности измерений всех технологических
параметров; результаты расчета навесок, манометрического давления прессования, свойств спрессованных и спеченных образцов по
соответствующим формулам; таблицы и графики, построенные по
результатам эксперимента; анализ полученных данных.
Библиографический список
Нарва В.К. Технология порошковых материалов и изделий: Курс
лекций. М.: Изд. Дом МИСиС, 2012. 170 с.
Левинский Ю.В., Лебедев М.П. Теоретические основы процессов
спекания металлических порошков. М.: Науч. мир, 2014. 371 с.
Контрольные вопросы
Для проверки готовности к проведению лабораторной работы
1. Какие компоненты применяют для изготовления фрикцион-
ных материалов?
2. Охарактеризуйте свойства и назначение фрикционных матери-
алов.
3. Как изготовляют фрикционные материалы на основе меди?
4. Каковы особенности спекания фрикционных материалов?
5. Дайте характеристику составов и технологии изготовления
фрикционных материалов на основе железа.
6. Какие твердые смазки используются для получения фрикцион-
ных материалов?
К защите лабораторной работы
1. Какова сущность процессов спекания фрикционных материа-
лов на основе меди?
2. Каковы процессы структурообразования при спекании фрик-
ционных материалов на основе железа?
3. В результате чего обеспечивается выполнение правила положительного градиента механических свойств для фрикционных материалов?
4. Каковы виды износа фрикционных материалов?
5. Каковы эксплуатационные свойства фрикционных материалов?
116
Приложение 1
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ
И ПОРИСТОСТИ СПЕЧЕННЫХ ИЗДЕЛИЙ
Определение плотности в порошковой металлургии сопровождает
практически все исследования, связанные с установлением любых закономерностей или определением физико-механических свойств, являясь
одним из основных методов контроля готовых изделий. Это объясняется
тем, что свойства спеченных материалов в значительной степени зависят от их относительной плотности. Важно знать не только абсолютную
плотность изделия γ, г/см3, но и относительную γот, %, представляющую
собой выраженное в процентах отношение плотности изделия γр к плотности, которую имело бы беспористое (компактное) изделие γк:
γ
р
γγ=⋅ . (П1.1)
от
Абсолютная плотность определяется делением массы изделия М, г, которая определяется взвешиванием на весах, на его объем V, см3: γр = M/V.
Объем изделия определяют либо расчетом после обмера микрометром или штангенциркулем, либо гидростатическим взвешиванием, как правило, в дистиллированной воде. При гидростатическом
взвешивании недопустимо попадание воды в поры, поэтому перед
взвешиванием в жидкости образец с поверхности покрывают защитной пленкой (парафином, вазелином, раствором силиконового масла в бензине и др.), после чего взвешивают на воздухе (М2, г), а затем
в жидкости (М3, г). Формула для расчета γр, г/см3, приобретает вид
100 %
к
M
γ
ж
γ =
р
1
MM
-
23
, (П1.2)
где М1, М2, М3 – соответственно масса образца на воздухе, образца,
покрытого защитной пленкой, на воздухе и образца, покрытого
защитной пленкой, в жидкости, г; γж – плотность жидкости (для
дистиллированной воды при 20 °С она составляет 1 г/см3).
Для определения относительной плотности необходимо знать величину γк, которая для изделий из однородных порошков берется из
справочника, а для смеси порошков рассчитывается по правилу аддитивности. Наиболее точную оценку γк дает определение плотности
пикнометрическим методом.
117
Пористость наряду с плотностью является одной из важнейших
характеристик спеченных изделий и выражается в процентах, либо
в долях единицы. Зная истинную плотность изделия γ′
и теоретиче-
р
скую плотность γ′к, легко рассчитать общую пористость Поб в долях
единицы или процентах:
¢
(γγ
¢
кр
==-
; 1
ΠΠγγ
об об к р
)
¢
γ
к
¢¢
)00(%
⋅
. (П1.3)
Для многих спеченных материалов, особенно антифрикционных, пористых и др., важно знать долю открытых Пот и закрытых П3
пор. Такие измерения выполняются на спеченных образцах после
их дегазации в вакууме и заключаются в пропитке образцов жидкостью с известной плотностью γж. Обычно в качестве пропитывающей
жидкости используют дегазированное масло, ксилол, бензиновый
спирт. Образец, пропитанный жидкостью, взвешивают на воздухе и
определяют объем пропитывающей жидкости Vж:
–
MM
()
ж
21
Vγ=
, (П1.4)
ж
где М1, М2 – масса образца на воздухе до и после пропитки соответ-
ственно.
Зная объем образца Vp, находим открытую пористость:
V
VV=
ж
от
или
р
V
ж
V
100 %
p
Π ⋅= . (П1.5)
от
Методика определения Vp и Vж описана выше. Закрытая пористость определяется как разность между общей и открытой:
П П П=−. (П1.6)
зобот
Образцы взвешивают на аналитических (до 200 г) или технических (более 200 г) весах. Для взвешивания образца в жидкости используют специальную подставку, устанавливаемую на одной из чашек весов. На подставку помещают стакан с водой.
118
Приложение 2
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАСЛОВПИТЫВАЕМОСТИ
Масловпитываемость, знание которой особенно важно для антифрикционных изделий, оценивается по увеличению массы образца,
помещенного в нагретое машинное масло на 1…2 ч.
Весовая МВ
ваются по следующим формулам:
и объемная МВоб масловпитываемости рассчиты-
вес
–
MM
МВ 100 %; МВ
вес об
21
⋅==, (П2.1)
M γ
1
МВ
вес
м
где М1, М2 – масса изделия соответственно до и после пропитки мас-
лом, г; γм – плотность масла, г/см3.
Коэффициент заполнения пор маслом K, % определяется по формуле
П
4
⋅
– 10
ММ
()
K
21
= , (П2.2)
Vγ
м
где V – объем изделия, см3; П – пористость изделия, %.
По увеличению массы изделия в результате пропитки косвенно
судят о величине открытой пористости.
Порядок определения масловпитываемости
Вариант 1. Образцы известной пористости П и объема V (если
для образцов эти характеристики отсутствуют, то они должны быть
определены) взвешивают на технических весах с точностью до 0,01 г
(М1). Затем их помещают на сетчатой подставке (или подвешивают)
в горячую масляную ванну и выдерживают в ней в течение 60 мин
при температуре 100…120 °С. После охлаждения до 20…25 °С образцы извлекают из масла, осторожно снимают избыток масла фильтровальной бумагой и взвешивают (М2).
Вариант 2. Образцы, как указано в варианте 1, помещают в
масляную ванну, которую устанавливают в вакуумный сушильный шкаф. После создания в нем разрежения (остаточное давление 660…1330 Па) включают нагрев и доводят температуру до
100…120 °С. При этой температуре образцы выдерживают в течение
30 мин. После охлаждения до 20…25 °С в шкаф впускают воздух, образцы вынимают из масла, осторожно с поверхности промокают
фильтровальной бумагой и взвешивают.
По приведенным выше формулам рассчитывают весовую МВ
вес
и
объемную МВоб масловпитываемости, коэффициент K заполнения
пор маслом.
119
Приложение 3
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОСТИ
Под твердостью понимается свойство материала оказывать сопротивление внедрению в его поверхность другого, более твердого и
не получающего остаточной деформации тела (индентора) определенной формы и размера.
Существующие методы измерения твердости значительно отличаются друг от друга по форме индентора, условиям приложения
нагрузки и способу расчета твердости. Выбор метода определения
твердости зависит от следующих факторов: твердости материала, его
размеров, толщины слоя, твердость которого надо измерить, и т.д.
При всех методах испытания на твердость очень важно правильно
подготовить поверхность образца и прежде всего удалить все поверхностные дефекты. Чем меньше глубина вдавливания индентора, тем
выше должна быть чистота поверхности.
При определении твердости измеряют суммарное сопротивление
металла внедрению в него индентора, усредняющее твердость всех
структурных составляющих. Неизбежные различия в структуре разных
участков образца приводят к разбросу значений твердости, который
тем больше, чем меньше размер отпечатка. Для получения достоверных
средних значений твердости приходится делать несколько замеров для
каждого образца и рассчитывать среднеквадратическую ошибку.
Значения твердости, полученные разными методами, связаны между собой, т.е. можно с некоторым приближением перевести твердость
по Бринеллю в числа твердости по Виккерсу или Роквеллу (табл. П3.1).
При измерении твердости по Бринеллю стальной шарик диаметром D, мм, вдавливается в испытуемый образец под нагрузкой Р,
Н, приложенной в течение определенного времени, и после снятия
нагрузки измеряется диаметр d, мм, оставшегося на поверхности образца отпечатка.
Число твердости, Н/мм
или по формуле
2
, определяется по стандартным таблицам
2
HB ,
=
DD D dπ
где знаменатель представляет собой площадь шаровой поверхности
отпечатка.
120
P
22
--
()
(П3.1)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]