Міністерство освіти і науки України

Харківський національний

автомобільно-дорожній університет

Роїк Тетяна Анатоліївна

УДК 669.01:621.762:621.89:621.9.048

Функціональні основи розробки композиційних підшипникових матеріалів для підвищених умов експлуатації

Спеціальність 05.02.01 – Матеріалознавство

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків – 2004

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у лабораторії нових матеріалів видавничо-поліграфічного факультету Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: доктор технічних наук, професор

Киричок Петро Олексійович,

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”,

декан видавничо-поліграфічного факультету.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки, Лауреат Державної премії України Любченко Анатолій Петрович, Державне підприємство “Завод ім. Малишева” (м. Харків) Мінпромполітики України, начальник центральної лабораторії.

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки, Лауреат Державної премії України Ковальченко Михайло Савович, Інститут проблем матеріалознавства ім. І.М. Францевича (м. Київ) НАН України, завідувач відділом термо-механічної обробки тугоплавких матеріалів.

доктор технічних наук, професор, заслужений діяч науки і техніки, Лауреат Державної премії України Мовшович Олександр Якович, Державне підприємство “Харківський науково-дослідний інститут технології машинобудування” Мінпромполітики України, заступник директора з наукової роботи.

Провідна установа: Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля (м. Київ) Національної академії наук України.

Захист відбудеться “25” березня 2004 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.059.01 при Харківському національному автомобільно-дорожньому університеті Міністерства освіти і науки України за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного автомобільно-дорожнього університету за адресою: 61002, м. Харків, вул. Петровського, 25.

Автореферат розісланий “21” лютого 2004 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Кияшко І.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Підвищення ефективності роботи об’єктів сучасної техніки неможливе без використання нових якісних матеріалів, насамперед, антифрикційних, здатних суттєво подовжити термін корисного використання обладнання, особливо у підвищених умовах експлуатації - на повітрі, при одночасній дії підвищених навантажень і температур.

Велика різноманітність протиречних теорій у області тертя і зносу, відсутність кореляцій між тими чи іншими властивостями, фазовим складом, структурою, характером кристалічної решітки тощо і триботехнічними властивостями матеріалів, обмеженість відомостей про фазову побудову та відсутність даних про кількісне співвідношення утворених складових у робочій плівці тертя, особливо у присутності антизадирних присадок, і, нарешті, головне - відсутність механізмів керування утворенням вторинних структур, і, як наслідок, службовими властивостями матеріалів - все це значно ускладнює питання створення підшипникових матеріалів для підвищених режимів експлуатації.

Відомі у теперішній час литі або порошкові підшипникові матеріали, що використовуються за таких умовах роботи, мають у ряді випадків незадовільні службові характеристики, що поєднуються з їх високою вартістю.

Водночас, виконання Державної Програми України, спрямованої на розвиток ресурсозберігаючих та екологічно чистих технологій, передбачає значне підвищення якості продукції за умови економії ресурсів на її виготовлення з одночасним поліпшенням екологічних факторів.

Тому можливість використання у повторному циклі виробництва вторинної сировини - шламових високолегованих відходів кольорових та чорних металів і сплавів у ролі основи для синтезу якісних підшипникових матеріалів набуває особливого значення і потребує подальших розробок.

Сутність наукової проблеми полягає у відсутності теоретичних основ та принципового матеріалознавчого підходу до створення загальної методології використання вторинної сировини - широкої гами промислових шламових металевих відходів для синтезу нового класу високоякісних підшипникових композиційних матеріалів для підвищених умов експлуатації, а також у відсутності засобів прогнозування та керування їх службовими властивостями у широкому діапазоні температур і навантажень. Тому створення функціональних основ розробки композиційних підшипникових матеріалів для підвищених умов експлуатації на базі металевих відходів є актуальною проблемою, а її вирішення дозволить значно підвищити надійність і довговічність машин та обладнання при одночасній реалізації завдань пошуку нових видів сировини, створення ресурсозберігаючих технологій та проблеми захисту від забруднень навколишнього середовища.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Робота виконувалась у рамках науково-дослідних робіт: “Розробка ресурсозберігаючих технологій отримання виробів з важкодеформуємих сталей з використанням інтенсивної термопластичної деформації”, “Критерії вибору матеріалів для високотемпературної техніки, розробка і впровадження нової прогресивної технології”, а також “Створення обладнання для ресурсозберігаючих технологій формоутворення виробів з використанням високих тисків” (Державні науково-технічні програми 05.43, 04.04 ДКТН та Міністерства освіти і науки України за 1995-98 р.р.).

Мета і задачі досліджень. Метою даної роботи є обґрунтування та формулювання наукових принципів створення нових композиційних підшипникових матеріалів для підвищених умов експлуатації на базі широкого використання відходів кольорових та чорних металів і нікелевого сплаву, створення методології керування антифрикційними властивостями матеріалів технологічними засобами для оптимізації якісних показників.

Для досягнення поставленої мети на основі аналізу галузей використання матеріалів, їх функціональних особливостей були сформульовані задачі з розробки нового класу підшипникових композиційних матеріалів:

- здійснити експериментальні дослідження, визначити оптимальні склади композицій на основі обґрунтованих вимог до композиційних підшипникових матеріалів для роботи при підвищених температурах та навантаженнях на повітрі;

- експериментально дослідити процеси виготовлення композиційних підшипникових матеріалів, визначити основні технологічні фактори та розробити рекомендації з технологічних процесів виготовлення матеріалів з точки зору їх оптимальної побудови;

- здійснити всебічний аналіз еволюції структурно-фазової побудови композитів і її вплив на формування властивостей;

- експериментально дослідити комплекс властивостей композиційних матеріалів на основі промислових відходів силуміну, конструкційних, швидкоріжучих, інструментальних штампових сталей і нікелевого сплаву ЕП975 для встановлення раціональних режимів їх експлуатації;

- виконати аналітико-експериментальні дослідження напружено-деформованого стану матеріалів, що навантажені силами тертя, для оптимізації їх структури і властивостей;

- здійснити комп’ютерне термодинамічне моделювання взаємодії композиційних антифрикційних матеріалів з повітрям для прогнозування та керування їх службовими характеристиками;

- виконати експериментальні дослідження кількісно-фазової побудови утворених вторинних структур та визначити механізм самозмазування при високотемпературному терті для керування експлуатаційними властивостями;

- розробити нові промислові безвідходні технології виготовлення підшипникових композиційних матеріалів та технологічні процеси фінішної обробки деталей з антифрикційних композитів, встановити технологічні регламенти механічної обробки деталей;

- сформулювати рекомендації щодо промислового використання підшипникових композиційних матеріалів на основі відходів кольорових, чорних металів і сплаву ЕП975 та впровадити нові матеріали у виробництво.

Об’єктом досліджень є процес створення підшипникових композиційних матеріалів.

Предмет досліджень - композиційні підшипникові матеріали, що працюють в умовах дії підвищених температурних та динамічних навантажень.

Методологія і методи дослідження. Методологічно робота виконана наступним чином: на основі вимог до підшипників різного призначення проаналізовано вторинну сировину, яка при переробці може бути застосована для їх виготовлення. Це дозволить знизити вартість виробів, скоротити витрати легуючих і модифікуючих домішок. Для забезпечення вимог до матеріалів вивчали структуроутворення і фазовий склад нових сплавів у відповідних умовах експлуатації. На основі теоретичних і експериментальних досліджень коректували технологічні параметри одержання виробів. Теоретичні дослідження базуються на основних засадах теорії матеріалознавства про структурний і фазовий склад матеріалів, враховують перетворення при нагріві, на основі теорії пластичної деформації, трибології, термодинаміки, теплофізики, математичного моделювання, теорії формоутворення поверхонь при механічній обробці.

Експериментальні дослідження виконували на реальному технологічному обладнанні в умовах машинобудівного виробництва з оцінюванням властивостей одержаних матеріалів сучасними приладами з використанням методів механічних, фізичних, триботехнічних, технологічних випробувань, металографічного та рентгеноструктурного аналізів, оже- і рентгенофотоелектронної спектроскопії, методів електронної мікроскопії, а також із залученням методів теорії ймовірності та математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів.

- В результаті проведення комплексу теоретично-експерименталь-них досліджень запропоновано принципово новий науковий підхід до створення композиційних підшипникових матеріалів для підвищених умов експлуатації, що базується на аналітико-експериментальних дослідженнях напружено-деформованого стану матеріалу, термодинамічному моделюванні та оптимізації структури, хімічного і фазового складу нових матеріалів.

- Вперше з наукових позицій встановлено нові фактори і закономірності побудови поверхневого шару вторинних структур при високотемпературному терті у присутності твердої змазки, як інтеграційного об’єкту сумісної дії на матеріал зовнішніх факторів. Процес побудови робочих плівок складається з утворення багатофазних угруповань під впливом навантажень та температур на повітрі, диспергування утвореного багатофазного субстрату та некристалічного твердіння ультрадисперсного субстрату у речовину зі склоподібною будовою.

- Виконання комп’ютерного термодинамічного моделювання взаємодії композиційних підшипникових матеріалів з киснем при підвищених температурах дозволило вперше одержати принципову можливість прогнозування та керування триботехнічними властивостями матеріалів при високотемпературному терті шляхом вибору відповідних комбінацій легуючих елементів методами термодинаміки.

- Вперше створено фундаментальні основи синтезу та процесів виготовлення матеріалів з промислових відходів і виробів з них.

Практичне значення одержаних результатів.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень розроблено комплексні науково обґрунтовані рекомендації щодо застосування у промисловому виробництві нових антифрикційних композиційних матеріалів, створено нові типи підшипникових матеріалів для роботи у підвищених умовах експлуатації, технологічні методи отримання матеріалів зі шламових відходів машинобудівного виробництва, режими виготовлення виробів (пресування, спечення, термообробка) та технологічні процеси тонкого алмазно-абразивного шліфування готових виробів (підшипників ковзання) з нових композиційних антифрикційних матеріалів.

Результати дисертаційного дослідження впроваджено на ряді заводів машинобудівного і військо-промислового комплексів України. Зокрема, на основі результатів досліджень за відпрацьованою технологією було виготовлено та поставлено на випробування дослідну партію заготівок натурних підшипників ковзання з матеріалу на основі відходів АК12М2МгН у кількості 300 шт. НВО “Славутич” (м. Київ). Випробування показали, що за зносостійкістю нові підшипники у ~4 рази перевершують підшипники, що використовувались раніше з бронзи БрОЦС5-5-5. НВО “Славутич” було передано промислову партію (1500 шт.) підшипників з нового матеріалу для встановлення у вироби. Річний економічний ефект від впровадження склав 47865,0 грн.

За результатами теоретичних та експериментальних досліджень було відпрацьовано технологію виготовлення композиційних підшипників ковзання зі шламових відходів силуміну АК12М2МгН. За розробленою технологією було виготовлено промислову партію підшипників з відходів силуміну АК12М2МгН у кількості 2000 шт. та передано Заводу експериментальних промислових технологій (м. Київ) для встановлення у вироби. Річний економічний ефект від впровадження становив 62664,0 грн.

На ВАТ “Краматорський завод важкого верстатобудування” було поставлено партію заготівок підшипників, що виготовлено з шліфувальних відходів сталі Р6М5К5 з домішками CaF2, у кількості 1500 шт. для встановлення у вироби. Впровадження нових підшипників ковзання замість підшипників з бронзи БрОЦС6-6-3 підвищило строк їх служби у 3 рази. Економічний ефект від впровадження розробки склав 44940,0 грн. на рік.

За результатами досліджень по розробленню нових композитів з промислових відходів було відпрацьовано технологію синтезу, виготовлено та поставлено Львівському заводу “Електропобутприлад” промислову партію підшипників з композиту АК12М2МгН у кількості 4200 шт. Нові матеріали мають зносостійкість у 3,8 рази більшу, ніж у підшипників з литої бронзи БрОЦС5-5-5, забезпечують надійну і тривалу роботу виробів. Річний економічний ефект від впровадження розробки становив 51090,00 грн.

За результатами робіт було виготовлено та поставлено ВАТ “Червона зірка” (м. Кіровоград) для встановлення у вироби підшипники ковзання з матеріалу складу - металеві відходи сталі ШХ15СГ + 5% CaF2 у кількості 1200 шт. Підшипники з нового матеріалу за зносостійкістю у 2,5 рази перевершують застосовані раніше підшипники з бронзи БрОЦ10-2 та збільшують строк служби виробу. Економічний ефект від впровадження склав 56840,88 грн. на рік.

Згідно висновку спеціалістів науково-виробничого підприємства “Еталон” (м. Донецьк), яке протягом багатьох років є головним постачальником запасних частин для прокатних станів металургійних підприємств, що розташовані у Макіївці, Кривому Розі (Україна), Старому Осколі, Череповці, Білорецьку (Росія), Рибниці (Молдова), Жлобіні (Білорусь) тощо, реалізація результатів по використанню металевих відходів сталей (ШХ15СГ, Р6М5К5 тощо) для виготовлення підшипників ковзання металургійного обладнання має принести економічний ефект не менше 200-400 тис. грн. Основними об’єктами впровадження на прокатних станах є вузли рольгангів ділянок охолодження металу, а також сталеплавильних, ливарних та ковочних агрегатів. За цими напрямками у теперішній час проводяться роботи спільно зі спеціалістами металургійних комбінатів.

Крім зазначених прикладів, результати роботи впроваджено також на Сумському заводі “ТРИЗ”, впровадницькому підприємстві “АСТРА” (м. Кіровоград) та ВАТ “Павлоградський верстатозавод” (Дніпропетровська обл.).

Сумарний реальний та очікуваний економічний ефект від впровадження нових підшипникових композиційних матеріалів у різні галузі промисловості складає близько 1 000 000 грн., з них 330 399,88 грн. - фактичний річний економічний ефект.

Особистий внесок здобувача. Основні результати теоретичних та експериментальних досліджень, що виносяться на захист, отримано автором самостійно.

Особистий внесок у роботах, виконаних у співавторстві полягає у обґрунтуванні наукових напрямків, формуванні мети роботи, обґрунтуванні та проведенні експериментальних і натурних випробувань розроблених підшипникових матеріалів, відпрацьовуванні рекомендованих технологічних процесів та інструментів, розробці наукових положень основ моделювання процесів синтезу матеріалів, що впливають на показники якості композиційних матеріалів, розробці основних принципів керування синтезом отриманих антифрикційних матеріалів, розробці математичних моделей поведінки нових матеріалів, що навантажені силами тертя, при високих температурах, формулювання новизни та основних висновків за результатами роботи, аналізі та узагальненні отриманих результатів досліджень, формулюванні задач досліджень.

Розробки з підготовки деяких винаходів та статей виконано за участю співавторів та разом з науковим консультантом.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, що включені до дисертації, оприлюднені на 24 Міжнародних науково-технічних та науково-практичних конференціях, міжнародних семінарах та виставках, що відбувались в Україні, країнах ближнього та далекого зарубіжжя, а саме: “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва” (Київ, 1998), Mechanics’98 (Жешув, Польща, 1998), “Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века” (Севастополь, 1998, 1999, 2002, 2003), “Современные технологии, экономика и экология в промышленности, на транспорте и в сельском хозяйстве” (Алушта, 1998), “Артилерійські ствольні системи, боєприпаси, засоби артилерійської розвідки та керування вогнем” (Київ, 1998), “Advanced materials, Symposium A: Engineering of composites: investigations, technologies and perspectives” (Київ, 1999), “Нетрадиционные методы техники и технологии” (Фергана, Узбекистан, 1999, 2001), “Современные технологии машиностроения, качество, реструктуризация” (Кишинев, Молдова, 1999), “Современные технологии, качество, реструктуризация С.Т.К.Р. 2000” (Ясси, Румунія, 2000), “Материалы и покрытия в экстремальных условиях: исследования, применение, экологически чистые технологии производства и утилизации изделий” (Кацавелі, АР Крим, 2000), “Технология машиностроения” (Фергана, Узбекистан, 2000), “Современные методы и средства неразрушающего контроля и технической диагностики” (Ялта, 2001), “Situation and Perspective of Research and Development in Chemical and Mechanical industry” (Крушевац, Югославія, 2001), “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (Славське, Карпати, 2002), “Современные проблемы техники м технологии” (Фергана, Узбекистан, 2002), “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges” (Київ, 2002), “Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства” (Волгоград, Росія, 2003), “Новейшие технологии в порошковой металлургии и керамике” (Київ, 2003), “Инженерия поверхности и реновация изделий” (Ялта, 2003), “Композиционные материалы в промышленности” (Ялта, 2003).

Публікації. За результатами дисертації опубліковано у наукових журналах, збірниках наукових праць, матеріалах конференцій, бюлетенях винаходів 64 наукові праці, з них 4 патенти України і 45 наукових статей у фахових виданнях, у тому числі 14 робіт без співавторів.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 6 розділів, загальних висновків, 9 додатків. Обсяг дисертації становить 330 сторінок машинописного тексту, 113 рисунків, 70 таблиць, 322 літературних джерела. Загалом робота містить 404 сторінки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовується актуальність теми дисертаційної роботи, визначається мета та задачі досліджень, вказується наукова новизна та практичне значення отриманих результатів.

У першому розділі виконано детальний аналіз стану питання використання та створення підшипникових матеріалів, що працюють при підвищених умовах експлуатації (підвищені навантаження, температури, повітря). Показано, що вирішення проблеми створення нових антифрикційних матеріалів неможливе без глибокого розуміння механізму тертя і зносу та явищ, їм супутнім. Проблеми тертя та зносу, дослідженнями по створенню матеріалів тертьових пар займались видатні вчені, що здійснили великий внесок у розвиток трибології та матеріалознавства. До них відносяться Крагельський І.В., Костецький Б.І., Федорченко І.М., Пугіна Л.І., Ковальченко М.С., Кравець І.А., Зозуля В.Д., Ткаченко Ю.Г., Дорофєєв Ю.Г., Носовський І.Г., Ахматов О.С. та інші. Проте, багаточисельні спроби знайти чіткі кореляції між тими чи іншими фізичними, механічними властивостями, а також фазовим складом і структурою матеріалів пар тертя, типом кристалічної побудови, геометрією структурних складових і таке інше, однозначних результатів не дали. Поряд з цим дослідження Костецького Б.І., Крагельського І.В., Носовського І.Г., Федорченка І.М. та інших переконливо показали, що характер і властивості так званих вторинних структур, які виникають безпосередньо у процесі роботи на поверхні сполучених деталей, чинять вирішальний вплив на зносостійкість пари тертя. Тому при створенні надійних у роботі матеріалів тертя необхідно, перш за все, вивчати умови, які спричинюють виникнення робочих плівок, що мають тривалу стійкість у роботі. Таким умовам, насамперед, відповідає окислювальний вид зносу. Проте, багаточисельні дослідження по впливу окислення на параметри тертя та зносу носять протиречний характер, внаслідок різної природи оксидних утворень на металах і сплавах та змін їх поведінки при тих чи інших умовах роботи. Тому в багатьох випадках встановлені дослідниками закономірності мають частковий характер і залишаються справедливими лише у вузьких межах конкретного експерименту.

На утворення робочих плівок контактуючих деталей, поведінку вузла тертя загалом суттєвий вплив чинить металографічна структура матеріалів, що може складатися зі зміцнюючих або знеміцнюючих матеріал фаз. Однак, внаслідок складності залежностей між фізико-механічними, антифрикційними й іншими властивостями безпосередній вплив кожної зі структурних складових на кінцеві властивості не завжди вдається чітко виявити. У ролі загальної закономірності слід відмітити, що краще поєднання фізико-механічних і антифрикційних властивостей, як правило, мають гетерогенні структури.

У зв’язку з великим різноманіттям умов роботи вузлів тертя машин та обладнання створено і працює у теперішній час велика кількість литих та порошкових антифрикційних матеріалів. Головне, що об’єднує литі підшипникові матеріали, які працюють у підвищених режимах навантаження (перш за все, при підвищених та високих температурах), - це висока інтенсивність зношування навіть при задовільних коефіцієнтах тертя, а часто ще й висока вартість. Порошкові матеріали мають ряд переваг у порівнянні з литими, проте їх використання часто обмежено внаслідок високої вартості вихідної сировини (порошків), дорожнечі обладнання для її виробництва тощо.

Розробка теоретичних основ створення таких матеріалів та вивчення механізмів їх тертя та зношування у останній час набула особливого значення. Це пов’язано з тим, що підвищились вимоги до антифрикційних матеріалів зі збільшенням навантажень, швидкостей та температур у вузлах тертя сучасних машин і механізмів.

Пошуки нових матеріалів для цієї мети конче утруднені, оскільки немає чітких та однозначних уявлень про особливості тертя і зносу, вплив структури, фізико-механічних та інших властивостей матеріалу на його антифрикційність. Особливо це стосується високотемпературного тертя. Досі залишається не висвітленим феномен утворення високотемпературних вторинних плівкових структур, коли рідкі мастила непрацездатні й у матеріал додають тверді антизадирні компоненти, нарешті, вимоги часу - пошук дешевих і доступних видів сировини - всі ці передумови і визначили основні задачі наукового дослідження.

У другому розділі викладено основні методологічні аспекти створення нового класу композиційних підшипникових матеріалів для підвищених режимів експлуатації.

Принциповою відмінністю матеріалів, які розглядаються, у противагу існуючим, є використання для їх синтезу вихідної сировини, котра мала первісне функціональне призначення зовсім іншої спрямованості. А саме, у ролі основи підшипникових композитів використовували відходи силуміну АК12М2МгН, що утворились після шліфування поршнів двигунів з цього сплаву; відходи сталі ШХ15СГ, які утворились при шліфуванні кулькопідшипників; шламові відходи сталей Р6М5К5, Р6М5Ф3, що виникли при шліфуванні ріжучих інструментів; відходи сталей 4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС, 2Х6В8М2К7, котрі утворились при шліф-обробці штампів, і, нарешті, сплав на основі нікелю ЕП975, що звичайно застосовується для виготовлення лопаток та інших деталей газових турбін.

Висока легованість перерахованих сировинних компонентів, їх первісні властивості як зносостійких, теплостійких та жароміцних (до певних конкретних для кожного випадку температур) і інші позитивні властивості зробили ці матеріали привабливими для створення композитів нового функціонального призначення, а саме - підшипникового. З цього приводу було визначено експлуатаційні вимоги припустимого використання нових підшипникових композитів, встановлено параметри їх працездатності та умовно розподілено їх на 5 груп, що наведено у табл. 1.

Таблиця 1

Групи досліджених матеріалів та параметри їх працездатності при різних умовах роботи

Група матеріалів | Режим роботи | Вид тертя | Навантаження, МПа | Швидкість, м/с | Припустиме значення P·V, МПа·м/с | Температура, С | Термін роботи* | Основа матеріалу

1. | Легкий

середньо-легкий | Рідкісне

Граничне | 3

5 | 1

0,5 | 3

2,5 | 20-100 | Тривалий

Короткочасний | Відходи сплаву АК12М2МгН

2. | Середньо-важкий | Без

змазки | 5

7 | 1

1 | 5

7 | 250-350 | Тривалий

Короткий | Відходи сталі ШХ15СГ

3. | Важкий | Без

змазки | 5

8,5 | 1

1 | 5,0

8,5 | 500-550 | Тривалий

Короткий | Відходи сталей Р6М5К5, Р6М5Ф3

4. | Надто-важкий | Без

змазки | 5

8,5 | 1

1 | 5

8,5 | 600-650 | Тривалий

Короткий | Відходи 4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС, 2Х6В8М2К7

5. | Надто-важкий | Без

змазки | 5

7 | 0,32

0,32 | 1,6

2,24 | 800-900 | Тривалий

Короткий | Порошковий

сплав ЕП975

* Тривалий термін роботи – не менше 2-5 тис. годин при терті з мастилом і не менші 500 годин без змазки; короткочасний – без змазки до 100 годин, з мастилом до 1000 годин.

При обґрунтуванні вибору основи композиційних матеріалів тої чи іншої з 5 груп необхідною вимогою було прагнення до того, щоб у визначених умовах роботи матеріалів у їхній основі могли протікати ті процеси, що ведуть до утворення оптимальних за антифрикційністю вторинних структур, а сам композит при цьому мав оптимальну міцність та достатню в’язкість (для виключення можливості крихкого руйнування), був жаростійким та жароміцним (групи 2-5), економічним і технологічним у виготовленні. Цим вимогам цілком відповідають високолеговані шламові відходи та сплав ЕП975 (див. табл. 1).

Для важких і надто важких умов роботи у ролі твердої змазки до складу композитів груп 2-5 додавали CaF2. Це достатньо термо- і хімічно стабільна речовина. За даними дослідників саме CaF2 при терті у області малих швидкостей ковзання та підвищених навантажень має найбільшу ефективність.

Експериментальні дослідження показали, що для забезпечення функціонального призначення CaF2 кількість твердої змазки повинна знаходитись у межах 4-8 мас.%. У цій кількості вона здатна забезпечити систематичне відтворення спрацьованої у роботі плівки і обумовити тривалість роботи вузла тертя.

Для синтезу нових композитів на підставі літературних відомостей було обрано принципи технології порошкової металургії, що відрізняються простотою, технологічністю і не потребують складного і дорогого обладнання.

При виготовленні композитів 1-4 груп відходи сплаву АК12М2МгН та шліф-відходи сталей піддавали регенерації: висушенню від вологи та відпалу з подальшим очищенням від абразиву.

Після цього композити 1 групи синтезували у 2 етапи: холодне пресування при 500 МПа та гаряче пресування при 400 °С і 300 МПа.

Виготовлення композитів груп 2-4 здійснювали наступним чином: змішували регенеровані відходи відповідних сталей з СаF2, суміші пресували при 700-900 МПа та спікали при 1150-1200 °С у середовищі водню протягом 2 год.

Матеріали 5 групи після підготовки шихти з домішками СаF2 піддавали операції гарячого ізостатичного пресування (ГІП) при 1210 °С, 4 год., 140 МПа і термічній обробці (загартування з 1240 °С на повітрі та старіння при 910 °С, 16 год.) для оптимізації морфології дисперсних фаз і їх розподілу у структурі.

Отримані вказаним чином нові підшипникові композити проходили дослідження комплексу властивостей із залучанням як стандартних методик (ГОСТ 18228-85, ГОСТ 25698-83, ГОСТ 26528-85 - міцність при вигинанні, твердість, ударна в'язкість), так великої кількості спеціальних, у тому числі тонких методів досліджень - теплофізичні, триботехнічні випробування, дослідження окалиностійкості, металографічний, рентгеноструктурний аналізи, електронна мікроскопія, оже- та РФЕ-спектроскопія, методи магнітооптики. Обробку даних здійснювали з використанням методів теорії ймовірності та математичної статистики.

У третьому розділі роботи наведено результати досліджень структурно-фазової побудови і властивостей нових підшипникових композитів. Надаються результати порівняльних досліджень відомих та нових матеріалів по формуванню структури, механічних та експлуатаційних властивостей в залежності від температурного режиму роботи та навантаження деталей.

В результаті застосування вказаних вище заходів по синтезу матеріалів 1 групи - на основі відходів силуміну АК12М2МгН відбувається формування складної гетерофазної структури (рис. 1), яка складається з високолегованого ?-твердого розчину на основі Al, в котрому спостерігається присутність евтектики (при вмісті Si=11,6%) і великої кількості дрібнодисперсних фаз - інтерметалідів.

Рис. 1. Мікроструктура матеріалу зі шламових відходів сплаву АК12М2МгН, 200.

Використання рентгенівського мікродифрактометра JDX-MAPI (Японія) дозволило ідентифікувати в структурі композиту АК12М2МгН ряд подвійних та потрійних сполук: Mg2Si, CuAl2, AlCu2Mn, MnAl6, Al2CuMg, NiAl3, FeAl3, TiAl3, AlFeSi, Al6Cu3Ni.

Аналіз даних кількісної металографії показав, що в структурі нового матеріалу зміцнюючі фази мають високу густину та рівномірність розподілу по перерізу зразка, що сприяє зменшенню зерна та підвищенню властивостей (у порівнянні з литим сплавом), що видно з табл. 2 (випробування на тертя та знос проводили на повітрі при V=1 м/с, Р=5 МПа, контртіло – сталь 45, 45-48 HRCe, мастило "І-20", t до 100 С).

Таблиця 2

Властивості композиційного і литого сплавів АК12М2МгН

№

з/п | Матеріал | Тимчасовий опір розриву, МПа | Твердість, НВ | Ударна в’язкість, кДж/м2 | Коеф. тертя | Інтенсивність зношування зразка, мкм/км | Інтенсивність зношування контртіла, мкм/км

1. | Композит АК12М2МгН | 180-185 | 85-100 | 0,18-0,30 | 0,0080 | 3,9 | сліди

2. | Литий сплав АК12М2МгН | 186 | 900,30-0,40 | 0,0250 | 6,0 | 2,5

Дані табл. 2 показують, що композиційний матеріал з відходів сплаву АК12М2МгН за міцносними властивостями не поступається литому сплаву, а за антифрикційними - перевищує його. Це криється у суттєвих відмінностях структуроутворення цих матеріалів, що виникають внаслідок різних принципів синтезу матеріалів. Те, що для литого сплаву є недоліком, для композиту з відходів стає позитивним фактом. Насамперед, для литого сплаву АК12М2МгН присутність значної кількості Si (до 13%), який не розчинюється у Al та не створює з ним хімічних сполук, призводить до утворення твердих структурних складових - кристалів Si, що мають високу твердість та крихкість, а головне - роблять структуру нерівномірною, викликаючи підвищений знос сполучених з підшипником деталей. Нерівномірно розподілені евтектичні кристали Si можуть підвищити вірогідність їх викришування при терті, наслідком чого є задири та підвищений знос поверхонь ковзання. Крім цього, присутні зміцнюючі фази інтерметалідів CuAl2, Al2CuMg, AlFeSi, Al2CuMn з одного боку обумовлюють високі міцності властивості до 100-120 ?С, а з іншого - високу вірогідність зношування поверхонь тертя внаслідок значної нерівномірності їх розподілу вздовж перерізу литого сплаву.

Перелічені явища повністю відсутні у композиті з відходів силуміну АК12М2МгН. В ньому структурні утворення Sі, тверді сполуки інтерметалідів, знаходячись у роздрібнених мікрочастинах вихідної сировини (відходах), після переробки (виготовлення матеріалу) усереднюються і вже рівномірно розташовуються у структурі композиту, не створюючи сегрегацій.

Присутня на вихідних частинах відходів силуміну складна оксидна плівка запобігає затягуванню мікропор при терті з мастилом, а більш м’яка основа частинок забезпечує добре припрацьовування матеріалу, що видно з рис. 2. Отже, результати досліджень підтвердили доцільність використання вторинної сировини (кольорового сплаву на основі Аl) та обраних принципів синтезу для одержання високоякісних підшипникових композитів, що дало змогу рекомендувати їх для застосування у приладобудівній галузі.

Рис. 2. Поверхні тертя зразка з матеріалу на основі відходів сплаву АК12М2МгН (а) та контртіла зі сталі 45 (б), 5.

Оскільки при розробці композиційних підшипникових матеріалів 2-4 груп дослідження здійснювали з шліф-відходами сталей перлітного класу, доцільним виявилось розглядати процеси їх структуроутворення у послідовно-порівняльному вигляді.

Так, після операцій синтезу матеріалів середнього складу ШХ15СГ + 5%CaF2 структура матеріалу складається з металевої матриці з залягаючими у ній частинками твердої змазки.

У свою чергу металева матриця має структуру зернистого перліту, а карбідна фаза представлена у вигляді цементитних включень, причому на відміну від звичайного Fe3C, карбідна фаза у композиті на основі відходів ШХ15СГ являє собою легований цементит типу (Fe, Cr)3C або (Fe, Mn)3C.

Легуючі елементи, що входять до складу матеріалу, сприяють підвищенню його властивостей, що видно з табл. 3. Антифрикційні властивості визначали випробуваннями на повітрі при V=1 м/с, Р=2-8 МПа, t до 400 ?С у парі з контртілом зі сталі Р18 з твердістю 50-52 HRCe.

Таблиця 3

Хімічний склад та властивості матеріалів на основі відходів сталі ШХ15СГ + CaF2

Склад | Вміст компонентів,

мас. % | Твердість, НВУдарна в’язкість Дж/м2 | Міцність при вигині, МПа | Гранично-допустиме наван-таження, МПа | Інтенсивність зношування, мкм/км, при t oC | Коефіцієнт тертя, при t oC

фторид кальцію | сталь ШХ15СГ | 200 | 300 | 400 | 200 | 300 | 400

1 | 5,0 | 95,0 | 68-72 | 600 | 460 | 8,0 | 28 | 27 | 26 | 0,14 | 0,12 | 0,11

2 | 7,0 | 93,0 | 68-72 | 580 | 450 | 8,0 | 31 | 29 | 27 | 0,15 | 0,14 | 0,12

3 | 5,0 | 95,0* | 52-60 | 500 | 205 | 7,0 | 29 | 28 | 46 | 0,16 | 0,12 | 0,25

* - сталь ШХ15.

Крім цього позитивним моментом є відсутність у композиті ШХ15СГ + 5% CaF2 карбідної ліквації, яка характерна для литої сталі ШХ15СГ, внаслідок вже початкової, вихідної роздрібненості порошинок-відходів сталі ШХ15СГ. Після трибовипробувань при підвищених навантаженнях та видалення поверхневого шару з цієї поверхні препаровано тонку фольгу (рис. 3).

Рис. 3. Карбіди типу Fe3C у приповерхневому шарі матеріалу ШХ15СГ + 5% CaF2 після навантажування, тонка фольга, 120000.

Видно, що від частинок карбідів під час деформації відбулося зародження дислокацій (на мікрофотографії спостерігається декілька петель дислокацій, що виходять з карбідів). Поява дислокацій, що чинять опір пластичній плинності і тим самим зміцнюючих матеріал у підповерхневих зонах, сприяє підвищенню зносостійкості підшипникового композиту при підвищених температурах (див. табл. 3).

Отже, аналіз процесів структуроутворення матеріалу на основі відходів сталі ШХ15СГ з домішками CaF2 показує доцільність використання відходів та методів синтезу для забезпечення формування структури матеріалу, здатної надати йому високих експлуатаційних властивостей.

Після операцій синтезу підшипникових композитів на основі відходів сталей Р6М5К5, Р6М5Ф3, 4Х2В5МФ, 5Х3В3МФС та 2Х6В8М2К7 з домішками CaF2 металографічна структура матеріалів являє собою у всіх випадках металеву матрицю з включеннями рівномірно розподіленої твердої змазки CaF2 (рис. 4).

Рис. 4. Структура матеріалу Р6М5К5 + 5% CaF2, 500.

Металева матриця вказаних композитів має структуру перліту (?-твердий розчин і карбіди легуючих елементів). Карбідна фаза у композиті Р6М5К5 + 5%CaF2 представлена рядом складних карбідів Ме23С6, Ме7С3, Ме6С, МеС. Методом електронної дифракції було ідентифіковано карбіди Fe21W2C6 (а=1,069 нм), Fe21Mo2C6 (а=1,064 нм), Cr21W2C6, Cr7C3 (а=1,398 нм, с=0,452 нм).

Основний карбід сталі Р6М5К5 - це карбід вольфраму і молібдену Ме6С, виявлено два типи карбідів Fe3W3C (а=1,104 нм) та Fe3Mo3C (а=1,110 нм). Карбіди типу МеС - це карбіди ванадію, що утворюються при вмісті V?1,5%. Перелічені карбіди підвищують стійкість композитів проти знеміцнення при нагріванні, сприяють збереженню дрібного зерна та зростанню зносостійкості.

Для композиту з відходів сталі Р6М5Ф3 + 5%СаF2 характерна більша кількість карбідів VC, внаслідок більшого вмісту V (рис. 5), а загалом карбідна фаза представлена такими ж видами карбідів (їх кількість складає близько 38 % об.).

Рис. 5. Карбіди VС у матриці матеріалу Р6М5Ф3 + 5% CaF2, 8000. Тонка фольга.

Металева матриця матеріалу з відходів 4Х2В5МФ + 5%СаF2 також має структуру зернистого перліту. Основні зміцнюючі фази у матриці даного композиту - карбіди Ме6С та Ме23С6. При зниженій кількості вуглецю та загальній кількості Мо та W, ніж у сталі Р6М5Ф3, частка нерозчинних карбідів теж нижче. Роль Мо та W аналогічна їх дії у сталях Р6М5К5 та Р6М5Ф3 - вони утруднюють виділення карбідів на границях зерен при нагріванні, що поліпшує в'язкість матеріалів.

Карбідна фаза композиту 5Х3В3МФС + 5%СаF2 представлена такими ж карбідами, як у попередніх випадках, загалом кількість карбідів тут становить ? 13% об. Присутність у цьому композиті Si, підвищує температуру ???-перетворення і тим самим підвищує теплостійкість, крім цього Si сприяє збереженню дрібного зерна, зміцнює ферит, підвищує твердість матеріалу. Наявність Nb (до 0,15 мас.%) спричинює утворення карбідів: вдалось виділити та ідентифікувати карбід NbC (а=0,4426 нм).

Структура металевої матриці матеріалу 2Х6В8М2К7 + 5%СаF2 - зернистий сорбітоподібний перліт, інтерметалідні утворення та карбіди, фрагменти якої наведено на рис. 6. Основні карбіди у даному композиті це карбіди типу Ме6С та Ме23С6, роль яких аналогічна попереднім випадкам (кількість карбідів до 7 об.%).

Для композитів на основі відходів сталей Р6М5К5 та 2Х6В8М2К7 характерне виділення зміцнюючих фаз внаслідок присутності кобальту - це інтерметаліди (Co,Fe)7(W,Mo)6 - ?-фаза та Со7W6, виділено фазу Fe3W2 (Fe3Мо2) з ромбоедричною решіткою. Кобальт не створює карбідів, але найбільш значно підвищує теплостійкість матеріалів. Він посилює стійкість твердого розчину проти знеміцнення при нагріві (підвищує температуру ???-перетворення).

а) б)

Рис. 6. Фториди кальцію в структурі матеріалу 2Х6В8М2К7 + 5% CaF2 у вигляді окремих включень (а, 4000) та інтерметалідні і карбідні утворення по границям зерен (б, 8200).

Одержана в результаті операцій синтезу структура розглянутих композитів забезпечує сприятливу комбінацію фізико-механічних та антифрикційних властивостей, значення яких наведено у табл. 4.

Таблиця 4

Властивості композитів

Склад,

% мас. | зг, МПа | ак,

Дж/м2 | НВ при

20 С | НВ

при

550 С | Коеф. тертя при 7 МПа | Інтенсивність зносу при 7 МПа, мкм/км | Гранично-допуст. навантаження, МПа | Гранично-допуст. температура, оС | Р6М5К5 + 5CaF2 | 510-520 | 660-720 | 75-85 | 63-68 | 0,12* | 25* | 8,5 | 600 | Р6М5Ф3 + 5 CaF2 | 520-530 | 640-660 | 77-88 | 70-73 | 0,16 | 29 | 8,5 | 600 | 4Х2В5МФ + 5 CaF2 | 510-520 | 750-800 | 73-76 | 68-72 | 0,15 | 27 | 8,5 | 650 | 5Х3В3МФС + 5 CaF2 | 540-550 | 680-700 | 78-87 | 68-70 | 0,16 | 28 | 8,5 | 600 | 2Х6В8М2К7 + 5 CaF2 | 570-580 | 740-780 | 73-75 | 71-72 | 0,14 | 27 | 8,5 | 650 | ЖГр3М15 | 290-410 | 80-94 | 70-80 | - | 0,29* | 470* | 3,0 | 400 | * - коефіцієнт тертя та знос при навантаженні 5 МПа.

Випробування на тертя та знос проводили для 4Х2В5МФ + 5%СаF2 в парі з контртілом зі сплаву ВТ14 з азотованою поверхнею, для інших – контртіло Р18 (52-54 HRCe) при V=1 м/с, Р=3-8,5 МПа та температурах 600-650 С відповідно.

Аналіз результатів досліджень показує, що нові композити у порівнянні з відомим матеріалом (табл. 4), що використовується в аналогічних умовах, мають набагато вищі властивості і здатні працювати при більш високих режимах тертя.

Після застосованих операцій синтезу композиту на основі сплаву ЕП975 з вказаною вище термічною обробкою структура матеріалу являє собою легований твердий розчин на основі Ni та залягаючі у ньому частинки СаF2, що видно з рис. 7. Легований твердий роз-чин композиту відрізняється високою концентраційною неоднорідністю, в якому присутні дисперсні частинки інтерметалідів і карбідів легуючих елементів. За допомогою метода електронної дифракції виявлено фази Ni3Ti, Ni3Al, фази типу Ме2Мо - (Ni,Co)2Mo, MoNi4, WNi4, (Ni,Co,Cr)3Ti, (Ni,Co,Cr)3Al, карбіди NbC, TiC, Cr7C3, Cr23C6, що розташовані по границях зерен.

Рис. 7. Мікроструктура матеріалу ЕП975 + 6% CaF2 після термічної обробки; травлено, 600.

Подібна структура композитів на основі ЕП975 у поєднанні з CaF2 надає матеріалам високий рівень властивостей, що видно з табл. 5. Випробування на тертя та знос проводили на повітрі при Р=1-7 МПа, V=0,32 м/с, t=900 С в парі із контртілом із хрому.

Аналіз даних табл. 5 показує, що нові композити у порівнянні з відомим матеріалом, який застосовується у аналогічних умовах, мають кращі механічні та експлуатаційні характеристики, витримують більші навантаження і температури.

Таблиця 5

Властивості матеріалів на основі сплаву ЕП975

№ з/п | Склад

% мас | н

МПа | ак

Дж/м2 | НВ | Коеф

тертя | Інтенсивність зношування мкм/км (при 5 МПа) | Гранично-припустиме навантаження МПа | Припустима робоча температура 0С

1 | ЕП975 + 4 СаF2 | 540-610 | 600-650 | 255-260 | 027 | 50 | 7 | 900

2 | ЕП975 + 6 СаF2 | 550-600 | 550-600 |