Материалы с неравновесной структурой

Лекция № 4 ИЗНОСОСТОЙКИЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Определение порошковых износостойких материалов

Конструкционные детали, работающие в условиях интенсивного износа, широко применяются в машино- и приборостроении. К ним относятся шестерни, храповики, звездочки, статоры и роторы масляных нагосов, кулачки, детали ролико-втулочных цепей, прядильные кольца текстильных машин и др.

Основными требованиями, которые предъявляются к материалам износо­стойких деталей, являются высокие прочность, пластичность и износостой-коств, умеренный коэффициент трения. Эти свойства позволяют обеспечить надежную эксплуатацию (без схватывания) тяжелонагруженных узлов трения при работе без смазки или ограниченном ее подводе.

Порошковые износостойкие материалы характеризуются хорошо выражен­ной гетерогенной структурой.

Высокие значения физико-механических свойств порошковых конструк­ционных износостойких материалов достигаются при высокой относительной плотности изделий (практически беспористых), рациональным легированием и термической или термомеханической обработкой. Эффективным средством повышения износостойкости этих материалов является введение противозадир-ных добавок. Обычно это тугоплавкие или интерметаллические соединения (карбиды, бориды, алюминиды, силициды), оксиды, стекло. Реже в состав этих материалов вводят твердые смазки (графит, сульфиды, селениды) или легко­плавкие металлы.

Основным условием надежной работы износостойких материалов является исключение макросхватывания поверхностей трущихся тел, которое приводит к интенсивному износу.

Принципы создания конструкционных износостойких материалов

К основным принципам создания порошковых износостойких материалов относятся следующие:

1. Структура материала должна быть гетерогенной и состоять из твердых зерен, равномерно распределенных в упругопластической матрице. В этом случае приложенная нагрузка действует в основном на включения твердой фазы, а в матрице происходит релаксация напряжений.

2. Структура материала не должна существенно изменяться в процессе трения или должна перестраиваться в структуру, выгодную с точки зрения трения и износа.

3. Поверхностный слой трущихся материалов должен иметь меньшую проч­ность, чем нижележащие слои (правило положительного градиента [238]).

4. Поверхностный слой не должен наклепываться в процессе трения.

5. Под влиянием окружающей среды в материале не должны происходить структурные изменения, ухудшение характеристик прочности и пластичности.

6. В состав материала рекомендуется вводить вещества, способные рабо­тать в качестве твердых смазок.

7. Между структурными составляющими материала должна существовать адгезионная связь.

8. Противозадирные добавки не должны значительно снижать прочность материала.

9. Коэффициент трения твердых включений между собой и по материалу матрицы должен быть минимальным.

Перечисленные требования сравнительно просто реализуются при полу­чении материалов методами порошковой металлургии.

Макрогетерогенную структуру можно создать введением противозадирных (антисхватывающих) добавок в металлическую матрицу, содержание которых обычно составляет более 15-25 об. %, а также применением режимов спека­ния, при которых не успевает произойти гемогенизация материала. Порошко­вые износостойкие материалы должны быть плотными (П<10%). Они могут быть получены двойным прессованием и спеканием прессовок, их горячим прессованием, горячей или холодной штамповкой, пропиткой более тугоплав­кой металлической заготовки неметаллическим расплавом и т. д.

Материалы с неравновесной структурой

Материалы с неравновесной грубогетерогенной структурой, формируемой в процессе спекания, представляют собой прочную пластичную металлическую матрицу и равномерно распределенные в ней твердые включения оксидов, туго­плавких соединений или интерметаллидов в количестве 15-20 об. %. Такая гетерогенная структура позволяет исключить макросхватывание и повысить износостойкость материалов. В процессе трения изделий из этих материалов возможны следующие случаи контактов: металл - металл (М - М), металл - твердое включение (М-ТВ), твердое включение - твердое включение (ТВ -ТВ).

Первый случай характеризуется схватыванием контактирующих поверх­ностей, интенсивным износом и высоким коэффициентом трения.

Второй (М-ТВ) и третий (ТВ-ТВ) случаи контактов обычно не сопро­вождаются схватыванием. Поэтому лавинообразное микросхватывание (до сва­ривания), имеющее место при трении металлических поверхностей, в грубо-гетерогенных поверхностях превращается в микросхватывание, соответствую­щее моменту образования большинства металлических контактов. В следую­щий момент времени они прерываются контактами М-ТВ и ТВ-ТВ.

Интенсивность износа и коэффициент трения в первую очередь опреде­ляются параметрами микросхватывания между трущимися поверхностями. Максимальные значения коэффициента трения наблюдаются при трении одно­именных металлов с ОЦК- или ГЦК-кристаллической решеткой, а также разно­именных металлов с высокой растворимостью в твердом состоянии или образую­щих интерметаллические соединения. Пониженные значения коэффициента трения имеют место у металлов с гексагональной плотноупакованной кристал­лической решеткой, твердых металлов, не образующих сплавов, а также у ма­териалов с хорошо выраженной гетерогенной структурой (типа бронз, чугунсв, закаленных сталей). Сравнительно невысокие значения коэффициентов трения наблюдаются при трении пар типа неметалл (оксид, керамика, стекло) - металл.

Не наблюдается схватывания при трении пар типа стекло-стекло или тугоплавкое соединение-тугоплавкое соединение.

Примером таких материалов являются спеченная конструкционная хроми­стая сталь марки ЖЧ25ХЗ, более износостойкая, чем сталь ШХ15 и цементованная сталь 20Х, использовавшиеся ранее при изготовлении узлов трения машин.

Температура спекания этих сталей выбирается такой, чтобы не происхо­дила гомогенизация материала по хрому. Структура материала представляет собой перлитоферрит с относительно крупными включениями феррохрома, обла­дающими высокой по сравнению с металлической матрицей твердостью.

Физико- механические и фрикционные характеристики стали ЖЧ25ХЗ следующие: исходное состояние - легированный перлитоферрит и хромистая фаза, после закалки и отпуска - мартенсит, троостит и тростомартенсит с хромистыми включениями, s_в = 250-300 МПа. Созданная как аналог (по химическому составу) стали ШХ15 спе­ченная сталь ЖЧ20ХЗ обладает большей износостойкостью, несмотря на то что имеет пористость 10-12% и уступает ей по прочности и твердости. Испы­тания в режиме граничного трения со сталью Р9 при скорости 2,5 м/с и давле­нии 3,4 МПа показали, что материал ЖЧ20ХЗ по износостойкости превосхо­дит сталь ШХ15 в 5 раз. Промышленное применение порошковых деталей мас­ляного насоса кузнечно-прессового оборудования, изготовленных из стали ЖЧ20ХЗ, позволило повысить ресурс масляного насоса с 3000 до 12 000 ч.

Высокой прочностью и износостойкостью обладают порошковые материалы на основе железа, содержащие карбид бора. При спекании изделий из этих материалов (обычно в течение 2 ч) обра­зуется жидкая фаза, активирующая усадку. После спекания порошковые материалы имеют доэвтектоидную мелкозернистую структуру перлита или ферритоперлита с карборидами железа, а также расположенную по границам зерен эвтектику. Легированная матрица и дисперсные твердые включения сложных карби­дов и боридов обеспечивают повышенную прочность и износостойкость мате­риалов. Материал железо - карбид бора рекомендуется при изготовлении дета­лей приборов, работающих в условиях трения.

Повышенной износостойкостью характеризуются материалы типа железо - феррохром, железо - ферромарганец, железо - ферротитан, железо - карбид титана.

Высокой работоспособностью при высоких температурах обладают износо­стойкие материалы на основе никеля или кобальта, содержащих в качестве противозадирных добавок оксид магния МgО или муллит ЗА1₂0₃ • 25Ю₂. Мате­риалы получают холодным прессованием и спеканием в аргоне при 1380— 1400 °С в течение 12 ч. При трении по стеллиту при 600 °С и v — 0,89 ч/с / = 0,09, 1 = 5-6 мкм/км. Весьма износостойким при высоких темпе­ратурах является материал, содержащий 40—65 % молибдена, 1-19 % вольф­рама, 20-55 % кремния и 5-20 % оксидов циркония, пинка или хрома.

Ярко выраженной гетерогенной структурой и высокой твердостью обла­дают твердые сплавы, чем объясняется их высокая износостойкость в условиях абразивного износа.

Карбидохромовые сплавы изготовляют из смесей порошков высшего карбида хрома и 5-30 маc. % никеля (материал КХН) или никель-фосфорного сплава (материал КХНФ) прессованием и последующим спеканием в среде водорода или вакууме при 1150-1300 °С.

Карбидохромовые сплавы рекомендуется использовать при изготовлении фильер, матриц, оправок для протягива'ния металлов и сплавов, калибровоч­ного и измерительного инструмента, пресс-форм. Стойкость против истирания, например у карбидохромовых твердых сплавов, превышает эту стойкость у бы­строрежущих сталей в 20-40 раз, а в некоторых случаях - в 100 раз.