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
4. Каков механизм упрочнения вольфрама (молибдена) при леги-
ровании никелем?
5. Назовите основные виды жаропрочных спеченных материалов.
6. На какой стадии спекания происходит максимальная усадка
образцов?
К защите лабораторной работы
1. Перечислите методы активированного спекания.
2. Объясните механизмы основных методов активированного
спекания.
3. Опишите особенности процесса жидкофазного спекания спла-
вов W(Mo) – Ni.
4. Как выбираются легирующие элементы для активированного
спекания?
5. Каковы основные особенности активированного спекания, и
чем они объясняются?
6. Какими способами можно увеличить активность порошков?
7. Что такое физическая и химическая активность порошков?
81
Лабораторная работа 15
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ ФИЛЬТРОВ
(4 часа)
15.1. Цель работы
Приобретение навыков изучения свойств исходных порошков,
процессов прессования, спекания и свойств пористых фильтров.
15.2. Теоретическое введение
Пористые фильтры предназначены для очистки путем фильтрации через них газов, жидкостей, растворов, расплавов. Их применяют в авиационной, автотракторной, химической, нефтяной, машиностроительной и ряде других отраслей промышленности.
Современный уровень техники требует обеспечения тонкости
очистки 3…10 мкм. Кроме того, фильтры должны надежно работать
в широком диапазоне значений температуры (от 5 до 3300 К) и давления жидкостей и газов (до нескольких десятков и сотен мегапаскалей). Жидкости, используемые в системах, особенно в химической
промышленности, могут оказывать интенсивное коррозионное воздействие на фильтрующий элемент, поэтому материалы для фильтров должны обладать высокой коррозионной стойкостью. Этому
комплексу требований в наибольшей степени отвечают фильтрующие элементы, изготовленные из сеток и пористых металлов.
Спеченные пористые фильтры характеризуются высокой проницаемостью, эффективностью, производительностью. Способность
очистки фильтруемой среды определяется сквозной пористостью
фильтров, которая зависит от характеристик порошка, а также режимов прессования и спекания. Проницаемость фильтров D пропорциональна давлению фильтрации P3, поверхности фильтра В,
времени t, сквозной пористости Ni, квадрату среднего диаметра пор
2
d
и обратно пропорциональна вязкости фильтруемой среды η, тол-
п
щине фильтра h, коэффициенту трения жидкости о стенки пор f:
2
π
PBtN d
3
=
D
hf
4
п
i
.
(15.1)
η
82
Эффективность фильтров W увеличивается с ростом проницаемости и уменьшением размера улавливаемых при фильтрации частиц d
:
ш
DD D
===
W
ππ
dd d
4
22 2
шш ш
1,273 .
(15.2)
4
Для фильтров из сферических порошков (идеальная пористая
среда) диаметр пор связан с размером сферических частиц следующей зависимостью:
2
Π
=
dd
пч
31
−Π
, (15.3)
где dч – диаметр сферических частиц; П – пористость заготовки.
Максимальный размер пор для частиц сферической формы при
изменении пористости от 0,16 до 0,51 можно определить из следующей зависимости:
max 0,27
dd
0,88
=Π . (15.4)
пп
ср
−
Коэффициент проницаемости для фильтров из сферических частиц диаметром 160…315 мкм можно рассчитать по формуле
=⋅ − Π, (15.5)
ч
82
−
3 10 ( 0,112)
Kd
а из частиц дендритной формы размером 20…380 мкм по формуле
10 2 5,6
5,88 10 (9, 5 10 )
Kd
=⋅ ⋅+Π. (15.6)
−−
ч
Эти зависимости лишь условно можно применять при определении размера пор спеченных фильтров, поскольку он зависит и от
формы частиц порошка, и от общей пористости. Наиболее достоверные результаты по определению размера пор можно получить методом вытеснения жидкости из пор.
Прочность пористого материала можно определить по уравнению М.Ю. Бальшина:
σ=σ −Π , (15.7)
вв.к
(1 )
m
83
где
σ – прочность компактного материала; m – константа (m = 3…6).
в.к
Из методов формования пористых фильтров наибольшее применение получили следующие: прессование в пресс-формах, гидростатическое, мундштучное прессование, прокатка металлических порошков. Пористые изделия из сферических частиц бронзы и
меди обычно получают спеканием свободно насыпанных порошков.
Этим способом удается получить изделия с пористостью 0,35…0,42
довольно сложной формы.
Для решения задач тонкой очистки получают двухслойные фильтры со слоями, характеризующимися различной пористостью и
величиной пор. В настоящее время в промышленности широко
используются фильтры из бронзы, меди, никеля, титана, железа, нержавеющих сталей.
15.3. Оборудование и методика
Прессование порошков проводят на гидравлическом прессе усилием 500 кН (50 т), схема и принцип действия которого подробно
описаны в [1, 2].
Спекание спрессованных образцов осуществляют в печах сопротивления с нихромовым нагревателем, описанных в [1, 2], при температуре 800…850 °С.
Методики определения плотности, пористости см. в прил. 1.
15.4. Порядок выполнения работы и указания по технике
безопасности
Работа выполняется с использованием смесей определенного состава: медь + олово, медь + олово + графит (различное количество
олова и графита), а так же порошка бронзы различной дисперсности
(по указанию преподавателя).
Из смесей определенного состава и порошка бронзы прессуют
брикеты на гидравлическом прессе. Режимы прессования и порядок исследования уплотняемости приведены в лабораторной работе 7. Спекание образцов, спрессованных из смеси порошков меди
и олова, а также распыленного порошка бронзы, проводят в электрической печи в атмосфере водорода при температуре 800…850 °С
в течение 1 ч. Для этого образцы укладывают в никелевые лодочки,
84
которые загружают в печь, после чего температуру медленно поднимают до заданной.
В ту же лодочку на керамическую подставку устанавливают металлическое кольцо, в которое засыпается навеска распыленной
бронзы для сравнения спекаемости свободно засыпанного порошка.
После окончания выдержки лодочки вынимают из печи. Образцы взвешивают на технических весах, обмеряют микрометром, описывают их внешний вид, рассчитывают их плотность, пористость до
и после спекания, усадку при спекании, прочность при сжатии. Затем рассчитывают проницаемость и эффективность фильтров, размеры пор.
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.
15.5. Обработка результатов эксперимента
1. Полученные экспериментальные данные запишите в таблицу
«давление прессования – свойства».
2. Постройте графики зависимости плотности, пористости, усадки при спекании, проницаемости, эффективности фильтров от давления прессования.
15.6. Отчет о выполнении лабораторной работы
Отчет должен содержать условия и результаты опытов с учетом
индивидуального задания; краткое описание характеристик используемого оборудования, результаты определения точности измерений; результаты расчета по соответствующим формулам навески, давления прессования, свойств прессованных и спеченных
образцов; таблицы и графики по результатам опытов и обработки
экспериментальных данных; анализ результатов опытов, включая
сопоставление поведения смесей порошков меди и олова, а также
распыленного порошка бронзы при прессовании и спекании; сопоставление свойств спеченных материалов в зависимости от природы
используемого порошка.
Библиографический список
1. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы по-
рошковой металлургии. М.: МИСиС, 2002. Т. 1, 2.
85
2. Нарва В.К. Технология порошковых материалов и изделий.
Курс лекций. М.: Изд. Дом МИСиС, 2012. 130 с.
Контрольные вопросы
Для проверки готовности к проведению лабораторной работы
1. Какая форма частиц порошков наиболее целесообразна для
наибольшей эффективности фильтров?
2. Для каких фильтров степень очистки выше: однослойных или
двухслойных?
3. Какие методы формования можно рекомендовать для получе-
ния длинномерных фильтров?
4. Назовите основные факторы, влияющие на величину сквозной
пористости.
5. Объясните влияние формы частиц порошков на эффектив-
ность фильтров.
К защите лабораторной работы
1. Каковы различия в поведении исследуемых в лабораторной ра-
боте порошков при прессовании?
2. Каковы различия механизмов спекания порошка распылен ной
бронзы и смеси порошков меди и олова?
3. С учетом каких факторов выбирают условия прессования и
спекания фильтров?
4. Каковы преимущества и недостатки процесса получения филь-
тров спеканием свободно насыпанных порошков?
5. Как получают порошок бронзы со сферической формой ча-
стиц?
6. Как получают порошок меди?
7. Каково назначение бронзовых фильтров?
86
Лабораторная работа 16
ПОЛУЧЕНИЕ И СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ
ПОДШИПНИКОВ
(4 часа)
16.1. Цель работы
Приобретение навыков прессования, спекания и определения
свойств пористых масляных подшипников.
16.2. Теоретическое введение
Пористые масляные подшипники применяются в узлах трения машин и механизмов, в широком диапазоне скоростей и нагрузок. Порошковая металлургия позволяет получать композиционные материалы трения с практически неограниченными вариациями состава и пористости.
Поры, будучи заполнены смазочными маслами, играют роль резервуаров смазки, обеспечивающих эффект самосмазываемости.
Антифрикционные свойства спеченных подшипников выше, чем
у литых, срок их службы в 1,5–3 раза выше вследствие улучшения
смазывания поверхностей за счет масла, находящегося в порах механизма. Принято считать, что относительная пористость подшипников составляет 20...25 %.
Подшипники, работающие в режиме самосмазывания, изготовляют из разнообразных материалов (пористого железа и бронзы, сплавов на основе алюминия, железографита, бронзографита
с содержа нием графита 3...4 %, железомедных и железо-медь-графитовых композиций, в которых содержание графита и меди находится в пределах 0...3 и 0,5...5 % соответственно).
Срок службы и параметры самосмазывающихся подшипников
определяются конструктивными параметрами узла трения, свойствами используемого спеченного материала и условиями работы. Так,
подшипники из пористой бронзы работают при небольшой скорости
скольжения (до 1…1,5 м/с) и давлении до 0,1 МПа (1 кг/см2) без дополнительной подачи смазки в течение 3…5 тыс. ч при температуре от
–60 до +120 °С, имеют низкий уровень шума и износа. Подшипники на
основе меди и алюминия применяются в коррозионных средах. Подшипники из бронзографита не рекомендуется применять при высоких
скоростях скольжения и нагрузках из-за низкой прочности и твердости.
87
Подшипники из алюминия и его сплавов используются в узлах трения,
работающих при низких значениях удельного давления в машинах, профилактический осмотр и ремонт которых нежелательны или невозможны. Подшипники на основе железа и бронзы, пропитанные маслом, вы-
2
держивают давление до 160 МПа (1600 кг/см
) [Pv до 20 МПа/(см2·с)] и
могут длительно работать при температуре от –40 до +130 °C.
Физико-механические и антифрикционные свойства пористых
подшипников зависят от химического состава материала, характеристик исходного порошка, режимов прессования и спекания. Изменение химического состава материалов позволяет регулировать их
свойства в очень широких пределах. В каждом отдельном случае выбор основы и легирующих присадок определяется условиями работы
материала. Легирование материала основы приводит к изменению
структуры материалов, их физико-механических и антифрикционных свойств. В группе железографитовых материалов наибольшей
износостойкостью при оптимальных антифрикционных свойствах
обладают материалы с перлитной структурой. Величина пористости
и размер пор определяют масловпитываемость подшипников. Эти
характеристики в свою очередь зависят от свойств порошков и режимов прессования и спекания подшипников.
16.3. Оборудование и методика
Прессование смесей порошков проводят на гидравлическом
прессе усилием 500 кН (50 т), схема и принцип действия которого описаны в [1]. Спекание спрессованных образцов осуществляют
в печах сопротивления с графитовой трубой, описанных в [2], при
температуре 1150…1200 °С.
Методика определения плотности и пористости приведена в
прил. 1, методика определения масловпитываемости – в прил. 2, исследование микроструктуры – в лабораторной работе 13, методика
определения твердости – в прил. 3, методика определения микротвердости – в прил. 4.
16.4. Порядок выполнения работы и указания по технике
безопасности
Для получения пористых подшипников используются смеси Fe –
Сu; Fe – Cu – С; Fe – Сu – S – С; Fe – Сu – С – MoS2 и др. (по указанию преподавателя).
88
Из шихты указанных составов прессуют по два образца при разных значениях давления. Режим прессования и порядок исследования уплотняемости материалов приведены в лабораторной работе 7.
Спрессованные образцы спекают при температуре 1150…1200 °С
в течение 1 ч в восстановительной атмосфере. Для этого образцы
укладывают в никелевые лодочки, которые загружают в печь, после
чего температуру поднимают до заданной. По окончании выдержи
лодочки вынимают из печи, образцы взвешивают, обмеряют микрометром. Описывают их внешний вид, рассчитывают их плотность,
пористость, усадку. Для спеченных образцов определяют весовую и
объемную масловпитываемость; исследуют и зарисовывают микроструктуру спеченного материала, определяют микротвердость фаз.
Указания по технике безопасности при работе на прессе приведены
в лабораторной работе 7; при работе на угольно-трубчатой печи сопротивления – в [2].
16.5. Обработка результатов эксперимента
1. Полученные экспериментальные данные запишите в таблицу
«давление прессования – свойства».
2. Постройте графики зависимости плотности, пористости образцов после прессования и спекания, масловпитываемости от давления прессования.
16.6. Отчет о выполнении лабораторной работы
Отчет должен содержать условия и результаты опытов с учетом
индивидуального задания, краткое описание характеристик используемого оборудования, результаты определения точности измерений
всех параметров процессов, результаты расчета навески, манометрических давлений прессования, свойств прессованных и спеченных образцов по соответствующим формулам, таблицу и графики,
построенные по результатам опытов; анализ результатов опытов,
включая сопоставление влияния отдельных компонентов смесей на
уплотнение при прессовании, характер процесса спекания, свойства
спеченных материалов.
Библиографический список
1. Нарва В.К. Технология порошковых материалов и изделий:
Курс лекций. М.: Изд. Дом МИСиС, 2012. 170 с.
89
2. Либенсон Г.А., Лопатин В.Ю., Комарницкий Г.В. Процессы по-
рошковой металлургии. М.: МИСиС, 2002. Т. 1, 2.
Контрольные вопросы
Для проверки готовности к проведению лабораторной работы
1. Каковы методы упрочнения спеченных подшипников?
2. От каких факторов зависят антифрикционные свойства под-
шипников?
3. Каково влияние структуры железографитовых материалов на
свойства подшипников?
4. Назовите условия применения подшипников в зависимости от
их пористости.
5. Объясните влияние пористости подшипников на их прочность.
К защите лабораторной работы
1. Каково влияние отдельных компонентов смеси на ее поведение
при прессовании?
2. Каково влияние отдельных компонентов смеси на процесс ее
спекания?
3. Каково назначение химико-термической обработки пористых
подшипников?
4. Каковы особенности процесса термической обработки пори-
стых подшипников?
5. Каков механизм впитывания масла пористыми подшипника-
ми?
6. Какие факторы влияют на антифрикционные свойства масля-
ных подшипников?
7. Какова связь между физико-механическими и антифрикцион-
ными свойствами пористых подшипников?
90
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]