Фрикционные металлические материалы
Глава 8
МАТЕРИАЛЫ ИЗ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПОРОШКОВ.
Основы технологии порошковой металлургии.
Принципиально технологическая схема производства порошковых материалов включает следующие этапы:
· Получение порошков металлов;
· Приготовление смеси порошков требуемого состава;
· Прессование заготовок из смеси порошков;
· Упрочнение заготовок путем спекания в защитно-восстановительной атмосфере ниже температуры плавления основного металла.
· Дополнительная обработка (допрессовка, термическая обработка и др.)
Преимуществами производства порошковых сплавов методами порошковой металлургии являются получение изделий с особыми свойствами, недостижимыми другими методами изготовления, значительная экономия металла, сокращение механической обработки и др.
Получение, порошков. Наибольшее промышленное применение получили методы изготовления порошков восстановлением окислов, электролизом, размолом в шаровых и вихревых мельницах и распылением. Восстановление окислов является одним из наиболее распространенных методов и применяется для изготовления порошков железа, тугоплавких металлов (вольфрам, молибден и др.), легированных сталей. В качестве исходного материала используются непосредственно руды, отходы металлургического производства (окалина),а восстановителями служат водород и окись углерода. Восстановление металлов из окислов идет по реакциям
|
|
MeO + H2 = Me + H2O; MeO + CO =Me + CO
Схема получения порошков железа методом восстановления представлена на рис. 124.
На первом этапе получают губчатое пористое железо. Исходная железная руда подвергается сушке и очистке методом магнитной сепарации. Восстановитель, в качестве которого используют смесь кокса и известняка, проходит сушку, дробление и рассев.
Руду и восстановитель загружают в керамические трубы несмешивающиеся слоями. Трубы помещают в туннельные печи и проводят восстановительный отжиг при температуре 12000 С. Полученное губчатое железо дробят, подвергают магнитной сепарации, измельчению и рассеву.
Порошок отжигают в среде водорода при 800…9000С в печах с ленточным конвейером.
Такой метод восстановления руды и получения железного порошка наиболее распространен в Швеции (фирма «Hoganas АВ»).
Рис. 124. Аппаратурно –технологическая схема получения железа методом восстановления:
1-смесь для восстановления; 2-железная руда; 3-сушка; 4-дробление; 5-рассев; 6-магнитная сепарация; 7-загрузка в керамические трубы; 8-восстановление в тунельных печах;9-выгрузка; 10-грубое дробление;11-бункер для хранения; 12-дробление; 13-магнитная сепарация; 14- измельчение и рассев; 15-отжиг в печи с ленточным конвейером; 16 усреднение; 17-автоматическое взвешивание и упаковка; 18-железная руда; 19-восстановительная смесь.
|
|
В основе процесса получения порошков металла методом электролиза лежит разложение водных растворов металлических соединений и расплавленных солей при пропускании постоянного тока. Металл осаждается на катоде в виде твердых хрупких осадков (железо) или рыхлых осадков : (медь,никель); твердые осадки подвергаются размолу в порошок.
Значительное распространение имеет механическое измельчение в различного рода мельницах. В качестве сырья для размола используется отходы производства – стружка, обрезки и т.п. Высокопроизводительным способом получения порошков металлов является распыление струи расплавленного металла с помощью воздуха, инертных газов, пара и воды. Размер частиц порошков металлов изменяется от долей микрон до 0,5 мм.
Схема получения порошков железа распылением водой представлена на рис. 125.
Рис. 125. Аппаратурно-технологическая схема получения порошков железа и сплавов на его основе распылением водой.
1-скрап, чушковый чугун; 2-легирующие материалы; 3-известняк, флюорит; 4-электричекая печь; 5-разливочная емкость; 6-камера распыления; 7-обезвоживание; 8-сушка; 9-дробление; 10-классификация; 11-магнитная сепарация; 12-восстановительная конвейерная печь; 13-дробление; 14-магнитная сепарация; 15-классификация; 16-взвешивающее устройство; 17-смеситель; 18-упаковка.
|
|
Исходным материалом является расплав, который приготавливают в электрической печи. Распыляющей средой служит вода, подаваемая под давлением ( 2,9…9,8)Х 106Па. Производительность распыления равна 15..20 тонн/час расплава, расход воды 200 м3/час.
Полученные порошки с частицами неправильной формы подвергаются обезвоживанию, сушке, дроблению, рассеву и магнитной сепарации.
Далее проводится дополнительный восстановительный отжиг в водороде, дробление, магнитная сепарация, рассев.
Способ распыления водой позволяет получать порошки железа с содержанием кислорода и водорода до 0,02% (после отжига), а также порошки легированных сталей.
Прессование порошков. Исходные порошки подвергаются прессованию в более или менее прочные брикеты, форма и размеры которых совпадают с готовыми изделиями. В случае необходимости производится рассев порошка по размерам частиц и смешивание порошков. прессование производиться в прессформах на гидравлических или механических прессах.
|
|
Производительность на автоматических прессах составляет 20.. .30 брикетов в минуту. При прессовании происходит уплотнение порошка вследствие перемещения частиц относительно друг друга и заполнения пор, а затем путем деформации частиц порошка. Прочность спрессованных брикетов незначительная. Для повышения прочности брикеты подвергают термической обработке - спеканию. Используются и другие способы деформирования, например, прокатка в валках стана. Участок для прокатки порошков представлен на рис. 126.
Рис. 126. Участок порошка прокатки порошков металлургического завода.
Спекание брикетов. Спекание проводится при температурах ниже температуры плавления металла (Тсп=0,80...0,85Тпл) в защитно-восстановительной атмосфере (водород, аргон, вакуум и др.). Спрессованные пористые тела имеют развитую поверхность и характеризуются большой величиной свободной энергии, т.е. находятся в термодинамически неустойчивом состоянии. При спекании происходит ряд физических и химических процессов и система переходит в более устойчивое состояние с меньшей величиной свободной энергии.
Частицы порошка покрыты пленкой окислов и поверхность контакта между частицами небольшая. При нагреве окисные пленки на поверхности частиц восстанавливаются и образуется металлический контакт между частицами. С повышением температуры развиваются процессы рекристаллизации деформированных частиц (образование новых неискаженных зерен) и собирательной рекристаллизации (рост зерен), увеличивается подвижность атомов и происходит уменьшение пор вследствие объемного течения металла частиц. При этом размеры брикета, как правило, уменьшаются (усадка). В результате всех этих процессов брикеты упрочняются.
Участок спекания листов, прокатанных из порошков, приведен на Рис. 127.
Рис. 127. Участок спекания пористых листов металлургического завода.
Спеченные изделия в ряде случаев подвергаются дополнительной обработке: повторному прессованию, термической обработке, пропитке смазкой и др. В результате происходит повышение физико-механических свойств изделий.
Антифрикционные материалы
Эти материалы используют в таких узлах машин, как подшипники, подпятники, вкладыши, уплотнения и др. Условия работы разнообразны: трение со смазкой и без смазки, в жидких и газообразных средах, в вакууме, в широком интервале температур.
Удельные нагрузки Р составляют до десятков мегапаскалей, а скорости скольжения V - до сотен метров в секунду. Для оценки несущей способности подшипников используют величину произведения PV.
Разработаны разнообразные порошковые материалы. Наибольшее применение получили антифрикционные материалы на основе железного порошка (табл. 28).
Таблица 28
Данные о материалах железо-графит.
Марка | С, % | П, % | ɢв,,МПа не менее | Нагрузка р, МПа | PV, МПа, м/с |
ПА-Ж | 0,3 | 17…24 | 85 | 2,0…2,5 | 2,5…5 |
ПА-ЖГр | 0,5…1,2 | 15…25 | 120 | 3…10 | 2,5…10 |
ПА-ЖГр2 | 1,4…2,0 | 15…25 | 100 | 4…5 | 8 |
Примечание: ПА- порошковый антифрикционный; Ж- железо; Гр- графит.
Порошок графита, вводимый в шихту, в процессе спекания в защитно - восстановительной среде (диссоциированный аммиак, эндогаз и др.) при температурах 1100... 1150 С0 частично растворяется в аустените. В процессе медленного охлаждения аустенит превращается в перлит. Часть графита остаётся и является твёрдой смазкой. Для улучшения антифрикционных свойств в исходную смесь вводят порошки серы, сульфидов и др.
Повышение механических свойств достигается введением в шихту до 3...10 % медного порошка, в ряде случаев никеля и хрома. Так, на Горьковском автомобильном заводе используется материал ЖГр 0,13ДЗК0,2 следующего состава, %: порошок железа-основа, медный-3, графитовый-0,15, сера-0,2. Для этого спечённого материала установлена следующая эмпирическая зависимость предела прочности при растяжении ɢв от твёрдости по Бринеллю НВ:
ɢв =0,16НВ+7
Это соотношение действительно для пределов твёрдости НВ = 45.. .90.
В случае работы подшипников при высоких температурах и в агрессивных средах применяют следующие материалы:
• порошок железа и фториды (CaF2) (до 350 С0);
• порошки хромоникелевых сталей аустенитного структурного класса ПХ18Н15, ПХ23Н18 и др. с добавками серы или сульфидов MоS2.
• металлографитовые композиции с 30...50 об. % графита для работы в парах воды при повышенных температурах.
Фрикционные металлические материалы
Фрикционные материалы должны обладать высоким и стабильным коэффициентом трения, достаточной износостойкостью, прочностью, устойчивостью к температурным скачкам, воздействию абразива и агрессивных сред. В частности, материалы тормозов и фрикционных муфт должны обеспечивать плавное срабатывание системы без автофрикционных колебаний, проявляющихся в форме скрипа при торможении или пробуксовки, и обеспечивать высокий срок службы. При торможении вся кинетическая энергия транспортного средства в тормозах рассеивается в тепло. Поэтому в момент торможения температура трущихся поверхностей например, в тормозе самолетов, достигает 1200 °С, а в объеме тормозной накладки - до 600 °С. В тормозах автомобилей эти температуры соответственно могут достигать 400 °С и 200 °С.
Для изготовления ряда элементов наиболее нагруженных фрикционных устройств-тормозов и муфт сцепления-применяются материалы, получаемые методом порошковой металлургии. Наибольшее распространение получили материалы на основе железа и меди (табл. 29 и 30). .
Первые три материала на основе железа разработаны для тяжелонагруженных тормозов и муфт самолетов и военной техники. Материал СМК-80 применяется в тормозах и муфтах сцепления большегрузных автомобилей - карьерных самосвалов грузоподъемностью более 65 т.
Таблица 29.
Состав фрикционных порошковых материалов на основе железа.
Марка материала | Массовая доля,% | Другие добавки, % | ||||
Fe | Cu | Ni | Графит | SiO2 | ||
ФМК-8 | 45 | - | 25 | 7 | - | 10r; 6W; 7Cu2S |
ФМК-11 | 64 | 15 | - | 9 | - | 3- асбест; 6BaSO4 |
МКВ-50 | 64 | 10 | - | 8 | - | 3- асбест; 5FeSO4; 5SiC; 5B4C; 6,5 Мn; 6,5BN; |
СМК-80 | 48 | 23 | - | - | - | 3,5SiC; 2,5МoS2 |
Таблица 30.
Состав фрикционных порошковых материалов на медной основе.
Массовая доля, % | Другие добавки, % | ||||
Cu | Sn | Pb | Fe | Графит | |
68…76 | 8…10 | 7…9 | 3…5 | 6…8 | Марка МК-5 |
60…10 | 6…10 | 20 | 5 | 1…8 | Ti, V , Si, 6MoS2, 2…As |
68…86 | 5…10 | 5…15 | 2 | 4…8 | 3- асбест; 3SiO2;до 2Ni |
75 | 8 | 5 | 4 | 1…20 | 0,75Si; 6Zn |
Спечённые материалы на основе меди также широко используются в тяжелых" транспортных средствах. Наибольшее распространение получил материал МК5. В автомобиле - и тракторостроении из этих материалов изготавливают тормозные диски, колодки и накладки для муфт сцепления. Порошковая технология позволяет получать фрикционные материалы с заданными свойствами.
По способу изготовления фрикционные материалы на полимерной основе делятся на четыре группы: формованные (прессованные) материалы (колодки, накладки, секторы, пластины, вкладыши); вальцованные (ленты и накладки); тканые (ленты, накладки); картонно-латексные (накладки). Номенклатура и характеристики фрикционных материалов очень обширны и содержатся в справочной литературе.
Фрикционная передача (от лат. frictio, родительный падеж frictionis - трение), механическая передача, в которой движение передаётся или преобразовывается с помощью сил трения между телами качения — цилиндрам! конусами и т.д., прижимаемыми друг к другу (ФП).
В машиностроении чаще всего применяют ФП с переменным передаточным отношением для бесступенчатого регулирования скорости - бесступенчатые ФП. По форме основного тела качения (у которого меняется радиус качения), бесступенчатые ФП делят на дисковые (лобовые), конусные, шаровые и торовые.
Дата добавления: 2018-04-05; просмотров: 949; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!