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, sв = 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.