Горячедеформированные, спеченные и инфильтрованные материалы, полученные с использованием стружковых отходов

Современный уровень развития машиностроения требует разработки материалов с повышенными физико-механическими и эксплуатационными свойствами. Создание новой техники преследует цели увеличения ресурса ее работы, снижения трудоемкости обслуживания и себестоимости изготовления. Наиболее остро стоит вопрос долговечности узлов трения, которая определяется эксплуатационными свойствами используемых материалов. Широкое применение в узлах трения находят полимерные материалы, однако в подавляющем большинстве конструкций используются изделия из цветных металлов и сплавов, в основном, меди. Цветные сплавы на основе меди применяются для наиболее ответственных деталей машин. Оптимальным сочетанием прочностных и триботехнических характеристик, а также стойкостью к воздействию агрессивных сред (морская и пресная вода, пар) обладают оловянистые бронзы, самая распространенная из которых Бр05Ц5С5. Основная область ее применения — изготовление деталей узлов трения (втулки, вкладыши подшипников, червячные колеса и др.). Литые бронзы при высоких антифрикционных свойствах обладают ограниченной грузоподъемностью, причем существенно повысить ее в рамках литейной технологии практически невозможно.

Технология порошковой металлургии позволяет создавать композиционные материалы с повышенными антифрикционными свойствами и способностью к самосмазыванию при трении, а также особыми характеристиками, которые не могут быть обеспечены другими способами. В настоящее время разработано большое количество порошковых композиций, работающих в узлах трения. Эти материалы применяются для изготовления подшипников скольжения, обеспечивающих движение сопряженных деталей конструкции с одновременной фиксацией их в осевом и радиальном направлениях.

К антифрикционным материалам предъявляются следующие требования: низкий коэффициент трения, высокие износостойкость, теплопроводность и несущая способность, хорошая прирабатываемость, достаточная статическая и динамическая прочность, незначительное тепловое расширение. Перечисленным требованиям удовлетворяют разнообразные порошковые и композиционные материалы: спеченные пористые, пропитанные маслом для работы в нена-груженных подвижных соединениях с ограниченной подачей смазки или без нее с пористостью 20.30%- металлографитовые композиты для подшипников, работающих в условиях высоких температурграфитовые, преимущественно применяемые для работы в химически агрессивной среде с высокими или низкими температурамиметаллополимерные, получаемые спеканием под давлением сформованных заготовок или пропиткой пористых металлических каркасов и работающие при высоких скоростях скольжения. В отдельную группу необходимо выделить подшипники, работающие в тяжелых условиях при высоких температурах и больших давлениях. Использование в производстве горячей обработки давлением позволило не только улучшить эксплуатационные характеристики, но и расширить область их применения. Следует также отметить керамические материалы, прежде всего на основе А120з, которые отличаются повышенной долговечностью при работе в агрессивных средах. В последнее время наряду с керамикой на основе А120з применяются композиции на основе нитрида бора и карбида титана.

Применение порошковых антифрикционных изделий существенно сдерживает высокая стоимость порошков. Использование стружковых отходов, в больших количествах образующихся на предприятиях машиностроения, позволяет значительно снизить затраты на изготовление изделий методом порошковой металлургии. На сегодняшний день выполнен значительный объем работ по разработке способов и технологий переработки стружки и изготовления из нее изделий.

Разработаны технологии и оптимизированы технологические параметры изготовления стружковых брикетов для переплава, а также технологии производства из стружки различных материалов, в т. ч. антифрикционных.

Повышение качества изделий из стружки требует проведения исследований процессов, протекающих на различных стадиях обработки заготовок и их взаимосвязи. Наследственность свойств стружковых материалов закладывается еще на стадиях получения компактной заготовки, в результате обработки которой происходит стружкообразование. Влияние характеристик исходной стружки на формирование структуры и свойств стружковых материалов изучено недостаточно. Исследование влияния этих характеристик и установление закономерностей формирования стружковых заготовок и материалов с ее использованием на различных стадиях изготовления даст возможность разрабатывать материалы с улучшенными технико-экономическими показателями.

Актуальность темы

диссертации определяется возможностью расширения области применения стружковых и порошковых антифрикционных материалов, за счет повышения их свойств и снижения себестоимости путем применения дешевого сырья. Этим определяется необходимость проведения специальных исследований, которые были осуществлены на кафедре «Материаловедение и технология материалов» ЮРГТУ (НПИ).

Целью работы является разработка технологий утилизации бронзовой стружки путем изготовления стружковых спеченных, горячедеформированных и инфильтрованных материалов. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

— исследовать влияние способов подготовки стружки на качество формования брикетов;

— разработать технологии формования стружковых спеченных брикетов на основе изучения закономерностей перекрестного прессования;

— оценить механические свойства материала спеченных и горячедеформированных стружковых брикетов;

— разработать способы инфильтрации холоднопрессованных формовок, совмещенной с процессом спекания, при утилизации стружковых отходов;

— исследовать влияние технологических факторов формования биметаллических заготовок с напрессованным стружковым брикетом на плотность и механические свойства инфильтрованных материалов на основе железа;

— разработать опытную технологию получения порошковой втулки разжимного кулака тормозной системы автомобиля, при утилизации стружковых отходов.

Объектом исследования в данной работе является новая технология получения порошковых антифрикционных материалов, позволяющая утилизировать стружковые отходы металлообрабатывающего производства, а также снизить себестоимость изготовления деталей.

Работа выполнена в соответствии с научнотехнической программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники» по госбюджетной теме 1. 00. «Разработка теоретических и физических основ формирования перспективных функциональных материалов» на 2000; 2004 гг.

1. АНАЛИЗ НАУЧНОТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ, ПОСТАНОВКА ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

На современном этапе развития промышленности перед производителями, наряду с вопросами повышения качества изготавливаемых материалов, стоят задачи ресурсосбережения, увеличения экономической эффективности за счет внедрения высокопроизводительных технологий, повышения уровня механизации и автоматизации на всех стадиях изготовления изделий /1/.

Одним из вариантов решения стоящих перед производителями задач является более широкое применение на предприятиях технологии порошковой металлургии (ПМ) /2/. Эта технология является высокорентабельной, эффективной, экологически чистой. Она гарантирует высокий коэффициент использования металла, повышение ресурса работы изделий, рост производительности труда, делает возможным осуществление глубокой автоматизации и механизации производства, достижение значительной экономии трудовых ресурсов /3/. Высокая эффективность ПМ достигается при получении материалов, которые невозможно или невыгодно получать другими способами. Метод ПМ позволяет также изготавливать общемашиностроительные изделия, которые могут быть получены и с помощью других технологий, но с иными технико-экономическими показателями /4/.

Основными исходными материалами в ПМ являются металлические порошки. Они имеют высокую стоимость и это существенно сдерживает использование технологии ПМ. Поэтому одной из важных проблем современной ПМ является разработка методов производства высококачественных и дешевых металлических порошков /5, 6/. Использование металлической стружки в качестве сырья для изготовления изделий позволяет значительно снизить их стоимость, кроме того, решается вопрос утилизации отходов машиностроительного производства 111.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

1. Предложен способ перекрестного прессования, обеспечивающий повышение плотности стружковых брикетов в 1,2 раза по сравнению с плотностью брикетов, полученных традиционным однократным осевым методом прессования. Оптимизирован фракционный состав стружки 0,4.2,5 мм, обеспечивающий минимальную пористость формовок 20.34% при давлениях прессования 200.400 МПа. Установлены закономерности уплотнения стружковых брикетов и получена регрессионная модель при перекрестном прессовании. Установлена взаимозависимость значений давлений осевого и поперечного прессования. Предложена гипотеза, объясняющая механизм повышения плотности брикетов при перекрестном прессовании. Использовав понятие о своеобразии уплотнения порошкового тела, как череде повторяющихся актов разуплотнения предельно нагруженных конструкций частиц и создания новых, с более высокой плотностью, способных воспринимать большие нагрузки, можно предположить, что изменение направления прессования обеспечивает резкое уменьшение сопротивления разрушению сформировавшихся устойчивых порошковых конструкций с частицами, нормально ориентированными к направлению осевого прессования, и повышении их плотности при резко изменившемся взаимном положении и возникновении новых более прочных конструкций. Оптимальное значение давления перекрестного прессования возрастает при увеличении осевого. Рассматривая такой механизм уплотнения, можно говорить о пластичности такого абсолютно хрупкого тела, как порошковая формовка, в смысле приобретения остаточных деформаций, основанных на протекании процессов разрушенияупрочнения межчастичных связей и принципиально отличающейся от пластичности компактных тел (остаточная деформация без разрушения). Определены оптимальные параметры для получения холоднопрессованных высокоплотных стружковых брикетов с плотностью до 7,88 г/см3: давление предварительного осевого прессования 500 МПа, давление повторного перекрестного прессования 550 МПа.

2. Установлена закономерная связь структуры и свойств горячедефор-мированных и спеченных материалов на основе стружки. Показана пониженная прочность 80 МПа спеченных материалов, структура которых характеризуется наличием крупных пор. Горячая штамповка позволяет повысить прочность стружкового материала до 123 МПа, при этом формируется структура с мелкими порами, расположенными на межчастичных поверхностях, обогащенных легкоплавкой фазой Cu-Sn-Pb-Zn.

3. Показана повышенная эффективность спекания биметаллических заготовок с напрессованным слоем бронзовой стружки в защитной среде расплава стекла, по сравнению со средой диссоциированного аммиака. Разработаны различные технологии формования биметаллических заготовок.

4. Установлено влияние технологических параметров формования биметаллических заготовок на плотность спеченных инфильтрованых порошковых материалов. Максимальная плотность 7,86 г/см достигается при содержании стружки в биметаллической заготовке 48%мас., давлении прессования стружкового брикета 620 МПа и давлении прессования биметаллической заготовки 410 МПа.

5. Установлено влияние технологических параметров (давление под-прессовки железной основы, давление прессования биметалла, содержание бронзовой стружки в биметаллической заготовке) на механические свойства материалов верхнего и нижнего торцов образца, а также неоднородность распределения прочности по высоте заготовок. Разработана технология изготовления инфильтрованых порошковых материалов, включающая операции формования биметаллической заготовки, спекание в среде расплава стекла, совмещенное с инфильтрацией пористого железного каркаса расплавом бронзы. Технология обеспечивает получение инфильтрованых порошковых материалов с минимальной неоднородностью распределения свойств, повышенной прочностью при максимальной утилизации стружки.

6. Установлена связь технологических режимов и способов формования на структуру псевдосплавов и количественное влияние содержания бронзы в псевдосплаве на размер и характер пористости. Крупные поры неправильной формы, расположенные в железном каркасе, образуются при незаполнении пустот каркаса инфильтратом. Сферические поры, расположенные по границам железного каркаса и бронзовых включений, возникают в процессе усадки бронзы при кристаллизации. Размер остаточных пор уменьшается с возрастанием содержания инфильтрата в псевдосплаве вследствие протекания аккомодационных процессов в железном каркасе при возникновении участков с матричной структурой.

7. На поверхности излома образцов наблюдается повышенное содержание оксида кремния в виде мелкодисперсных и отдельных крупных включений размером 100.250 мкм, что свидетельствует о протекании частичной пропитки стеклом из расплава поверхностных слоев материала при спекании, совмещенном с инфильтрацией.

8. Предложен механизм рафинирования межчастичных поверхностей стружкового брикета и пористого железного каркаса при спекании, совмещенном с инфильтрацией, в расплаве стекла, в соответствии с которым после перехода инфильтрата в жидкую фазу часть расплавленного стекла остается в бронзе в виде взвеси. Избыточное, по отношению к пористости железного каркаса, количество инфильтрата способствует эрозии межчастичных границ. Прохождение взвеси стекла через образовавшиеся каналы между частицами железа способствует рафинированию их поверхности и активизации процессов сращивания при спекании, совмещенном с инфильтрацией.

9. Результаты исследований позволили разработать технологии получения втулки катка гусеничного хода экскаватора из горячедеформированного стружкового материала, а также технологию изготовления втулки разжимного кулака пневматической системы тормозов грузовых автомобилей и автобусов.