1.3 Особливості термічного оброблення порошкових антифрикційних матеріалів

Порошкові антифрикційні вироби можуть піддаватися додатковій обробці: термічній, хіміко-термічній, просоченню мастилами, калібруванню, обробці різанням [1].

Термічній обробці, як правило, піддаються вироби з порошкових антифрикційних матеріалів на основі заліза. Зі всіх видів термічної обробки пористих антифрикційних виробів найбільше значення має гартування, для якого властиві специфічні особливості, обумовлені перш за все наявністю пор в матеріалі. Пористість порошкових антифрикційних матеріалів робить їх чутливими до окислення при нагріванні на повітрі. Тому операцію гартування слід здійснювати обов'язково в захисному середовищі. Як останнє можна використовувати гази, що вживаються 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 гартуванні пористих антифрикційних виробів на основі заліза використовують воду і мінеральні масла.

Із-за наявності пор, заповнених газом, знижується теплопровідність і тим самим погіршується загартованість і різко зменшується товщина загартованого шару пористого матеріалу в порівнянні з компактним матеріалом [2]. Тому для гартування пористих деталей застосовують гартування з інтенсивним охолоджуванням в струмені води або з енергійним переміщенням деталей для як найшвидшого зриву парової сорочки, яка ускладнює охолоджування. Після гартування у воді пористі деталі піддають обов'язковій сушці для швидкого і повного видалення вологи з пор.

Високопористі деталі складної форми чутливі до термічних напруг, тому їх гартування необхідно проводити в маслі.

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

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

Поліпшити властивості порошкових антифрикційних матеріалів можна шляхом додаванням присадок, що викликають старіння матеріалу після гартування і відпуску. Так, антифрикційний матеріал на основі олов'янистої бронзи, що містить 2,4 % Ni, 0,8 % Si і 0,3 % Р, після гартування у воді від 850 °С і старіння при 450 °С при пористості 12% має σ_B – 340 МПа і HRB 35-40. Підшипники з цього сплаву можуть працювати при р=15,7 МПа і V=9,4 м/с (рV=147 МПа•м/с).

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 години, з подальшим охолоджуванням в маслі. При взаємодії водяної пари із залізом, як на поверхні деталей, так і на поверхні відкритих пор, 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 перлітної структури, яка має більшу зносостійкість, ніж феритна або феритоперлітна. Цементацію здійснюють в твердому карбюризаторі або у газах, які містять вуглець.

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. Останній в умовах нагріву при контакті з поверхнею заліза розкладається на діоксид вуглецю і атомарний вуглець:

2 CO → CO₂ + C_ат,

який і дифундує в метал. Додавання в суміш до 10— 20 % карбонатів (ВаCO₃, Na2CO₃, Н₂CO₃) активує процес за рахунок виділення при їх розкладанні великої кількості CO₂ і утворення CO при взаємодії оксиду вуглецю і вугілля засипки. Оптимальний режим цементації з твердого карбюризатора—температура 900—940 °С і витримка 1—3 години.

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

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

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

Для підвищення поверхневої твердості антифрикційних деталей на основі порошків неіржавіючих сталей (Х17Н2, Х23Н18, Х18Н15 і Х30) їх піддають боруванню. Найбільш простим і зручним способом борування деталей антифрикційного призначення є дифузійне борування в порошкоподібних сумішах.

В якості реагентів, що містять бор, застосовують порошки бору, феробору або ферроборалу і суміш карбідів бору з бурою. Краще всього застосовувати засипки, що містять 84 % карбіду бору і 16 % бури. Перед введенням в суміш буру заздалегідь прожарюють і просівають через сито з розміром комірок 40—50 мкм. Змішування компонентів засипки здійснюється в змішувачах з розмельними тілами, протягом 4 годин.

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

Список літератури:

1. Степанчук А. Н., Билык И. И., Бойко П. А.. Технология порошковой металлургии / А.Н. Степанчук, И.И. Билык, П.А. Бойко.– К.: Выща шк. Головное изд-во, 1989. – 415 с.

2. Федорченко И. М. Композиционные спеченные антифрикционные материалы. – Киев: Наукова Думка, 1981. – с.

1 СПЕЧЕНІ ТВЕРДІ СПЛАВИ

Спечені тверді сплави представляють собою композиційні матеріали, в яких частинки твердих тугоплавких сполук (карбіди, нітриди, бориди перехідних металів) зцементовані більш легкоплавким металом (кобальтом, нікелем, залізом та їх сплавами).

Структура твердих сплавів гетерогенна і складається з частинок твердих тугоплавких з'єднань, зцементованих матеріалом того, що пов'язує. Розміри частинок твердої тугоплавкої складової в твердих сплавах зазвичай вельми малі і для більшості технічних сплавів коливаються в межах 0,5—10 мкм. Відомі також тверді сплави, що складаються тільки з твердих тугоплавких сполук, отримані пресуванням і спіканням високодисперсних вихідних порошків.

Спечені тверді сплави мають велику твердість 84...92 HRA, яка поєднується з високим опором зношенню за підвищених температур, найвищим модулем пружності серед інструментальних матеріалів (500–700 ГПа), границею міцності при стисненні 4000–6000 МПа. Але значення границі міцності при вигині й ударної в’язкості цих сплавів відносно невеликі: 1000–2500 МПа і 2–6 МПа·м² відповідно.

1. КЛАСИФІКАЦІЯ СПЕЧЕНИХ ТВЕРДИХ СПЛАВІВ

Сучасні тверді сплави досить численні і налічують більше 100 різних марок. Проте, не дивлячись на цю різноманітність, всі тверді сплави можна розділити на певні групи і види, що характеризуються конкретними ознаками.

Спечені тверді сплави прийнято класифікувати за складом та призначенням.

За призначенням вони розділяються на три групи:

1. Інструментальні сплави, що застосовуються при обробці металів різанням, тиском, при бурінні гірських порід.

2. Конструкційні сплави, що використовуються для виготовлення зносостійких деталей машин та механізмів.

3. Жароміцні та жаростійкі сплави, що працюють в екстремальних умовах.

За складом тверді сплави діляться на чотири основні групи (залежно від складу твердої тугоплавкої складової):

1. Сплави WC–Co (деякі марки цих сплавів можуть містити добавки інших карбідів – ванадію, танталу, ніобію і хрому). Це найбільш розповсюджена група, сплави якої розрізняються вмістом кобальту (3–30 % мас) і розміром карбідних зерен, наприклад ВК8, ВК15, ВК25 і т. ін. За рахунок високої твердості і низької міцності сплави ВК застосовуються для обробки різанням чавуну та неметалевих матеріалів.

2. Сплави WC–TiC–Co, розрізняються вмістом карбіду титану і кобальту (Т15К6, Т30К4 і т. ін.). Застосовуються в умовах помірних ударних навантажень.

3. Сплави WC–TiC–TaC(NbC)–Co є найбільш міцними і пластичними за рахунок великої кількості кобальту, проте найменш тверді. Сплави ТТК застосовуються для оснастки штампового інструменту, який працює в умовах ударних навантажень.

4. Безвольфрамові тверді сплави (БВТС) розрізняються за складом твердої складової на декілька груп. Найбільш поширені:

• Сплави TiC–Ni–Mo (ТН) на основі карбіду титану мають високі експлуатаційні властивості, завдяки дрібнозернистій структурі, високій стабільності карбіду титану і відсутності адгезійного схоплювання з оброблюваним матеріалом.

• Сплави Ti(C, N)–Ni–Mo (КТН) по фізико-механічним властивостям наближаються до сплавів ТК, характеризуються високими окалиностійкістю (у 10—15 разів більшою, ніж у стандартних сплавів мазкі ТК), низькою адгезійною взаємодією з оброблюваним матеріалом, низьким коефіцієнтом тертя по загартованій сталі, високим опором зношуванню в агресивних і абразивних середовищах.

Сплави ТН і КТН застосовуються для виготовлення ріжучого інструменту при обробці кольорових металів і їх сплавів, вуглецевих і легованих сталей, а також для виготовлення конструкційних деталей насосів для перекачування водних розчинів мінеральних кислот і лугів, морської води, для виготовлення плунжерів насосів і компресорів високого тиску, робочих деталей технологічного оснащення (витяжних штампів, матриць і пуансонів для пресування деталей з металевих порошків, матриць і фільєр для протяжки чорних і кольорових металів).

• Сплави Cr₃C₂–Ni (КХН), як і сплави ТН і КНТ, характеризуються високою окалиностійкістю і корозійною стійкістю у водних розчинах кислот, лугів, мінеральних солей, морській воді, розплавленому склі, хорошою опірністю абразивному зносу. Легування що нікелевої зв’язки фосфором дозволяє значно підвищити міцність сплавів і розширити області їх застосування. Карбідохромові сплави зберігають твердість при високих температурах і можуть застосовуватися для виготовлення опорних призм при високотемпературних випробуваннях матеріалів, кульок для вимірювання твердості матеріалів при високій температурі (до 1000 °С), шарикопідшипників, що працюють при високій температурі в повітряному середовищі.

• Оксикарбідна ріжуча кераміка на основі Al₂O₃ і т. ін.. Сплави цієї групи мають високі твердість та зносостійкість, проте через низьку міцність і високу крихкість застосовуються переважно для чистової обробки матеріалів в умовах без ударних навантажень. Оксикарбідну кераміку випускають у вигляді багатогранних непереточуваних пластин (БНП) і застосовують для чистової обробки різанням загартованих сталей, сірих і ковких чавунів, кольорових металів,

• Тверді сплави зі сталевою зв’язкою (феротік, феротитаніт, феротикар). Відмінністю цих сплавів є наявність у зв’язці великої кількості заліза. Твердий розчин титану, що утворюється в процесі спікання, вольфраму, вуглецю, нікелю і інших легуючих елементів в залізі здатний сприймати термообробку. Робочі деталі вирубних, витяжних штампів і ріжучий інструмент, виготовлені з цих сплавів, по міцності близькі до сталевих, а по твердості і зносостійкості — до твердосплавних, але для них не властива їх крихкість, схильність до сколювання гострих кромок і деформації в процесі термообробки.