CC BY
18
ISSN 0321-2653 ИЗВЕСТИЯ ВУЗОВ. СЕВЕРО-КАВКАЗСКИМ РЕГИОН._ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2019. № 4
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
УДК 621.762 DOI: 10.17213/0321-2653-2019-4-84-88
ОСОБЕННОСТИ ИЗНОСА ПОРОШКОВОЙ БРОНЗЫ, ПОЛУЧЕННОЙ ЭЛЕКТРОКОНТАКТНЫМ УПЛОТНЕНИЕМ
© 2019 г. А.А. Мецлер1, Т.А. Литвинова2, С.Н. Егоров3, С.Н. Миронова3
1Волгодонский инженерно-технический институт - филиал ФГАОУ ВО Национальный исследовательский ядерный
университет «МИФИ», г. Волгодонск, Россия, 2Севастопольский государственный университет, г. Севастополь, Россия, 3Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия
FEATURES OF WEAR OF THE POWDER BRONZE RECEIVED BY ELECTROCONTACT COMPACTION
A.A. Metsler1, T.A. Litvinova2, S.N. Egorov3, S.N. Mironova3
1Volgodonsk Engineer-Technical Institute the Branch of «National Research Nuclear University «MEPhI», Volgodonsk, Russia,
2Sevastopol State University, Sevastopol, Russia, 3Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia
Мецлер Андрей Альбертович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Машиностроения и прикладной механики», Вол-годонский инженерно-технический институт - филиал ФГАОУ ВО Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», г. Волгодонск, Россия. E-mail: metsler.albert@yandex.ru
Литвинова Татьяна Анатольевна - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Технология машиностроения», Севастопольский государственный университет, г. Севастополь, Россия. E-mail: TALitvinova@sevsu.ru
Егоров Сергей Николаевич - д-р техн. наук, профессор, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: yegorov50@mail.ru
Миронова Светлана Николаевна - ст. преподаватель, кафедра «Технология машиностроения, технологические машины и оборудование», Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова, г. Новочеркасск, Россия. E-mail: mironova_svetlan@mail.ru
Metsler Andrey Albertovich - Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department «Mechanical Engineering and Applied Mechanics», Volgodonsk Engineer-Technical Institute the Branch of «National Research Nuclear University «MEPhI», Volgodonsk, Russia. E-mail: metsler.albert@yandex.ru
Litvinova Tatiana Anatolyevna - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, Department «Engineering Technology», Sevastopol State University, Sevastopol, Russia. E-mail: TALitvinova@sevsu.ru
Egorov Sergey Nikolaevich - Doctor of Technical Sciences, Professor, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equipment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: yegorov50@mail.ru
Mironova Svetlana Nikolaevna - Senior Lecturer, Department «Engineering Technology, Technological Machines and Equip-ment», Platov South-Russian State Polytechnic University (NPI), Novocherkassk, Russia. E-mail: mironova_svetlan@mail.ru
Рассмотрено влияние морфологических характеристик структуры порошковой бронзы, сформированной при электроконтактном уплотнении, на интенсивность износа в условиях трения скольжения со смазкой. Выявлена зависимость интенсивности износа порошковой бронзы от прилагаемой нагрузки. При относительно малых нагрузках интенсивность износа практически не зависит от характеристики микроструктуры. С повышением нагрузки наименьшей износостойкости обладаетматериал с дендритной структурой.Выявлены области нагрузок, при которых предпочтение отдается материалу либо с промежуточной структурой, либо с равновесной. При нагрузке до 34 МПа лучшие антифрикционные свойства имеет материал с промежуточной структурой, что объясняется наличием эвтектоидной структурной составляющей. При повышенных нагрузках предпочтение следует отдать порошковой бронзе с равновесной структурой нагрузки. Высокая износостойкость связана с формированием на поверхности контактирования пластифицированной пленки на основе меди. Отсутствие выкрашивания является следствием высокого уровня сращивания на контактных межчастичных поверхностях.
Ключевые слова: электроконтактное уплотнение; износ; структура; порошковая бронза; технологические режимы.
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION. TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
The influence of the morphological characteristics of the structure ofpowder bronze formed during electro-contact compaction on the wear rate under sliding friction with lubricant is considered. The dependence of the intensity of the wear ofpowder bronze on the applied load is revealed. At relatively small loads, the wear rate is practically independent of the characteristics of the microstructure. With an increase in load, the material with a dendritic structure has the least wear resistance. The load regions were revealed in which preference is given to a material with either an intermediate structure or an equilibrium one. With a load of up to 34 MPa, a material with an intermediate structure has the best antifriction properties, which is explained by the presence of a eutec-toid structural component. With increased loads, preference should be given to powder bronze with an equilibrium load structure. High wear resistance is associated with the formation on the contact surface of a plasticized film based on copper. The absence of spalling is a consequence of the high level of splicing on the contact in-terparticle surfaces.
Keywords: electrocontact compaction; structure; wear; powder bronze; technological regimes.
Введение
Порошковая металлургия относится к современным промышленным технологиям и обладает широкими возможностями удовлетворять потребности различных отраслей производства в качественных материалах [1]. Это обстоятельство базируется на совершенствовании технологических процессов консолидации шихт. В последнее время развиваются технологические процессы, использующие прямое пропускание электрического тока через порошковую шихту [2 - 4]. К этим процессам относится и электроконтактное уплотнение (ЭКУ). Развитие промышленного использования технологии ЭКУ связано с расширением номенклатуры получаемых порошковых и композиционных материалов, исследованием закономерностей формирования их структуры и свойств. В настоящее время изучены закономерности структурообразова-ния порошковой конструкционной стали в условиях ЭКУ [5 - 10].Технологические возможности данного процесса послужили основанием для создания антифрикционных материалов. Наиболее широкое распространение в промышленности в качестве антифрикционных материалов получили композиционные материалы и сплавы на основе меди, снижающие износ трущихся сопряжений и повышающих долговечность и работоспособ- " ность машин и механизмов. Исходя из актуальность исследования триботехнических свойств -материалов была сформулирована цель настоящей работы - исследование износостойкости порошковой бронзы и установление связи между ее структурными характеристиками и интенсивностью износа в условиях внешнего нагружения.
Методика эксперимента
В качестве исходного материала использовали бронзовый порошок марки БрОФ 8,0-0,3. Выбор этого порошка объясняется его низкой прессуемостью при получении пористых загото-
вок статическим холодным прессованием, обусловленной высокой микротвердостью материала частиц. Поэтому целесообразно использование вышеуказанного бронзового порошка с целью расширения технологических возможностей ЭКУ.
Порошок марки БрОФ 8,0-0,3 получен методом распыления.
Образцы отличались микроструктурой материала, сформированной при действии различных механизмов уплотнения. Данные химического анализа бронзового порошка представлены в табл. 1.
Таблица 1 / Table 1
Химический состав порошка БрОФ 8,0-0,3 / Chemical composition of the powder БрOФ 8,0-0,3
Концентрация компонентов, % по массе
Cu Sn P Ni O S
90,6 8,67 0,27 0,14 0,005 0,01
Для уменьшения коэффициента трения между металлическим порошком и стенками матрицы в момент прессования в качестве смазки использовали фторид кальция - CaF2 (ГОСТ 7166-77), технические характеристики и химический состав которого представлены в табл. 2, 3.
Таблица 2 / Table 2 Техническая характеристика CaF2 / Technical characteristic of CaF2
Температура Плотность, Растворимость в 100 г
плавления, оС г/см3 воды (при 20оС ), г
1418 3,181 0,002
Таблица 3 / Table 3 Химический состав CaF2 / Chemical composition of CaF2
Массовая доля Массовая доля примесей, %, не более
основного
вещества, %, Al Fe Mn Cu Ni Pb Ti Cr S
не менее
9,98 3 о ¿5 о О О 3 о О о 3 о
ГО m <N <N in <N in <N
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
Для исключения припекания пуансонов к образцу в процессе электроконтактного уплотнения на их торцы предварительно наносили графит карандашный ГК-1 (ГОСТ 4404-78), характеристики которого приведены в табл. 4.
Таблица 4 / Table 4 Характеристики порошка графита ГК-1 / Characteristics of graphite powder ГК-1
Марка порошка Зольность, % Содержание влаги, % Выход летучих веществ, % Остаток на сите № 0063,%
ГК-1 1,0 0,5 0,5 0,5
Испытание на износостойкость образцов, полученных при ЭКУ порошковой бронзы, проводили на серийно выпускаемой машине трения СМЦ-2 в условиях трения скольжения со смазкой при скорости скольжения 0,568 м/с. Схема испытания - «вал-колодка» представлена на рис. 1. Контртело диаметром 50 мм и шириной 15 мм изготавливали из стали У8А ГОСТ 1435-99, закаленной до 61...63НЯСэ. Шероховатость его рабочей поверхности составляла Яа = 0,63 мкм. Перед испытанием каждый образец проходил приработку при давлении 20 МПа в течение 10 -12 мин, что обеспечивало полное прилегание поверхностей трения. В качестве смазки использовали индустриальное масло И-20А (ГОСТ 20799-88).
2
3
А
1 —.
А-А
А
Рис. 1. Схема рабочего узла машины трения СМЦ-2: 1 - узел для закрепления образца; 2 - винты; 3 - корпус; 4 - образец; 5 - контртело / Fig. 1 Scheme of the working unit of the friction machine CMZ-2: 1 - knottofasten; 2 - screws;
3 - jigbase; 4 - sample; 5 - counterdetail
Для испытания использовались образцы, имеющие в поперечном сечении форму усеченного круга, где кривизна испытываемой поверхности соответствовала наружному диаметру контртела (рис. 2).
Площадь поверхности образца, контактирующей с контртелом, рассчитывали с помощью поверхностного интеграла по формуле
где
S = Я^ + ()2 +(ф'у)
Ф (xy) = ^(R2 - x2), область D: х2 + у
х2 + у2 < г2.
При R = 25 мм и r = 2 мм по формуле Симпсона площадь контакта равна 10,8 мм2.
А
04
О
R25
А
Рис. 2. Образец для испытания на износостойкость / Fig. 2. Wear resistance test specimen
Испытания и приработку производили при постоянной частоте вращения контртела, обеспечивающей скорость скольжения 0,568 м/с. Нагрузку увеличивали ступенчато от 250 до 500 Н, коэффициент трения рассчитывали по формуле
М тр
f — = Р ■ r '
где Мтр - момент сил трения; Р - нормальная нагрузка; r - радиус контртела;
Предельно допустимую нагрузку на материал определяли по возрастанию износа и коэффициента трения вследствие схватывания трущихся поверхностей.
Износостойкость материала оценивали по интенсивности изнашивания образцов (ГОСТ 23.002-78), определяемой изменением линейного износа при постоянной нагрузке к единице пути трения. При испытании был избран путь трения, равный 1000 м. Изменение линейных размеров образцов контролировалось при помощи индикатора часового типа с точностью 0,002 мм.
Результаты и обсуждение
Результаты исследования износостойкости в зависимости от контактного давления в зоне трения представлены на рис. 3.
Сравнение износостойкости порошкового материала, отличающегося механизмом уплотнения, свидетельствует о различии антифрикционных свойств.
2
4
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
i, мкм/км
40 35 30 25 20
22 25 28 31
34 37 p, МПа
пары. Дальнейшее повышение нагрузки приводит к интенсивному понижению антифрикционных свойств порошкового материала вплоть до катастрофического износа (рис. 3, кривая 2).
На поверхности истирания образцов этой группы также появляются следы вырыва частиц бронзового порошка (рис. 4, в), обусловленные незавершенностью межчастичного сращивания на контактных поверхностях.
Рис. 3. Зависимость износа от приложенной удельной нагрузки в условиях трения со смазкой для образцов из порошковой бронзы с различной микроструктурой: 1 - дендритная; 2 - промежуточная; 3 - равновесная / Fig. 3. Dependence of wear on the applied specific load under friction conditions with lubricant for samples from powdered bronze withdifferent structures: 1 - dendritic;
2 - equilibrium; 3 - intermediate
При нагрузках до 25 МПа в основном все испытываемые образцы имели хорошее сопротивление износу. Однако при более высоких нагрузках образцы, обладающие дендритным строением, изнашивались в большей степени (рис. 3, кривая I). Поверхность трения этих образцов сильно деформировалась, на ней возникали глубокие риски, идущие в направлении движения (рис. 4, а). С дальнейшим повышением удельной нагрузки у образцов этой группы наблюдался катастрофический износ. Причиной этого является низкий уровень сращивания на контактных поверхностях частиц, обусловленный кристаллизацией локально расплавленных участков межчастичной поверхности в зоне контакта. В результате, при испытании выделялись продукты износа в виде бронзового порошка.
На поверхности истирания отчетливо проявляются следы «выкрашивания» частиц порошка.
Более того, формирование дендритной структуры сопровождается механизмом уплотнения, в результате действия которого формируется материал с минимальной остаточной пористостью, что практически исключает попадание смазки в поры и также способствует развитию износа.
Наиболее высокими показателями износостойкости обладали образцы с равновесной и промежуточной структурами. Поверхность истирания этих образцов имела незначительные следы трения (рис. 4, б).
При увеличении удельной нагрузки до 34 МПа образцы с промежуточной структурой показывали лучшие антифрикционные свойства (рис. 3, кривая 2). На наш взгляд, это связано с наличием в составе материала твердого эвтекто-ида, повышающего износостойкость сопряженной
Рис. 4. Поверхность истирания образцов из порошковой
бронзы: а - с дендритной структурой, х 500; б - с равновесной и промежуточной структурами, х200; в - с промежуточной структурой, х200 / Fig. 4. Abrasion surface of bronze powder samples: а - with dendritic structure, х500; б - with equilibrium and intermediate structures, х200; в - with intermediate structure, х200
Монотонный характер зависимости износа от нагрузки для образцов с равновесной структурой (рис. 3, кривая 3) обусловлен формированием на поверхности контактирования пластифицированной пленки на основе меди. При этом износостойкость сопряженной пары резко повышается вплоть до практической безызносности, а высокий уровень сращивания предотвращает выкрашивание материала с поверхности трения.
в
ISSN 0321-2653 IZVESTIYA VUZOV. SEVERO-KAVKAZSKIYREGION.
Выводы
1. Анализ совокупности экспериментальных данных, приведенных выше, по износу порошковой бронзы, указывает на сложный комплекс механо-физико-химических процессов в зоне контактного взаимодействия. В первую очередь он связан с процессом диффузионного перераспределения олова в тонких поверхностных слоях порошкового материала, который изменяет свойства металла контактной зоны и граничных слоев смазки.
2. В условиях высоких удельных нагрузок превалирующее влияние на уровень антифрикционных свойств порошковой бронзы оказывает степень завершенности межчастичного сращивания на контактных поверхностях. Низкий уровень межчастичного сращивания объясняет повышенный износ у материала с гетерогенной структурой.
Литература
1. Дорофеев Ю.Г. Эволюция теории и технологии горячей обработки давлением дискретных материалов // Порошковые и композиционные материалы и изделия: сб. науч. тр. / Юж.-Рос. гос. техн. ун-т.- Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2000. С. 4 - 12.
2. Формирование межчастичных контактов при спекании сферических порошковых частиц электрическим током /
TECHNICAL SCIENCE. 2019. No 4
Г.Л. Буренков, В.Т. Бондарь, Н.А. Крылова и др. // Порошковая металлургия. 1987. № 6. С. 35 - 41.
3. Аль-Хасани С.Т. Электроразрядное уплотнение порошков // Прогрессивные технологические процессы в порошковой металлургии. Минск: Вышейш. шк., 1982. С. 81 - 89.
4. Райченко А.И., Левина Д.А., Кольчинский М. Исследование электроразрядного спекания окисленных металлических порошков // Порошковая металлургия. 1976. № 10. С. 19 - 25.
5. Егоров С.Н., Медведев Ю.Ю. Влияние режимов электропластического уплотнения на пористость порошкового материала.: Материалы науч.-практ. конф. «Современные технологии в машиностроении - 2003» 26-27 апр. 2003 г. / Пензенский гос. ун-т. Пенза, 2003. С. 12 - 14.
6. Егоров С.Н., Литвинова Т.А., Ризаев Х.К., Шуваев Г.А. Закономерности уплотнения и гомогенизации порошковой стали при ее формировании методом электроконтактного уплотнения / Инженерный вестн. Дона, 2015, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2015/2792.
7. Litvinova T.A., Egorov S.N. The influence of production modes of the electrocontact compaction on the porosity of the powder steel. Russian Journal of Non - Ferrous Metals. 2011. V.52, № 1. pp. 101 - 102.
8. Litvinova T.A., Egorov S.N. Features of powder steel formation with electric - contact compaction. Metallurgist. 2013. № 3-4, рр. 342 - 345.
9. Егоров С.Н., Литвинова Т.А., Тамадаев В.Г., Шрон Л.Б. Факторы, влияющие на формирование межчастичного сращивания при электроконтактном уплотнении // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2017. № 4. С. 129 - 132.
10. Егоров С.Н., Мецлер А.А., Медведев ЮЮ, Литвинова ТА. Гомогенизация материала, полученного электроконтактным уплотнением порошковой бронзы // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2010. № 3. С. 51 - 53.
References
1. Dorofeev Yu.G. [Evolution of the theory and technology of hot processing of pressure of discrete materials]. Poroshkovye i kompozitsionnye materialy i izdeliya: sb. nauch. tr. [Powder and composite materials and products: collection. scientific tr.], 2000, pp. 4 - 12. (In Russ.)
2. Burenkov G.L., Bondar' V.T., Krylova N.A. et al. Formirovanie mezhchastichnykh kontaktov pri spekanii sfericheskikh porosh-kovykh chastits elektricheskim tokom [The formation of interparticle contacts during sintering of spherical powder particles by electric current]. Poroshkovaya metallurgiya, 1987, no. 6, pp. 35 - 41. (In Russ.)
3. Al'-Khasani S.T. Elektrorazryadnoe uplotnenie poroshkov [Electro-discharge compaction of powders]. Progressivnye tekhnolog-icheskie protsessy vporoshkovoi metallurgii, 1982, pp. 81 - 89.
4. Raichenko A.I., Levina D.A., Kol'chinskii M. Issledovanie elektrorazryadnogo spekaniya okislennykh metallicheskikh poroshkov [Investigation of electric-discharge sintering of oxidized metal powders]. Poroshkovaya metallurgiya, 1976, no. 10, pp. 19 - 25. (In Russ.)
5. Egorov S.N., Medvedev Yu.Yu. [Influence of electroplastic compaction regimes on porosity of powder material]. Materialy nauch.-prakt. konf. "Sovremennye tekhnologii v mashinostroenii - 2003 " [Materials science.- prakt. conf. "Modern technologies in mechanical engineering-2003"]. Penza, 2003, pp. 12 - 14. (In Russ.)
6. Egorov S.N., Litvinova T.A., Rizaev Kh.K., Shuvaev G.A. Zakonomernosti uplotneniya i gomogenizatsii poroshkovoi stali pri ee formirovanii metodom elektrokontaktnogo uplotneniya [Regularities of compaction and homogenization of powder steel during its formation by the method of electrocontact compaction.]. Inzhenernyi vestnik Dona, 2015, no. 1. (In Russ.) Available at: http://www.ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2015/2792. (accessed 11.07.2019)
7.Litvinova T.A., Egorov S.N. The influence of production modes of the electrocontact compaction on the porosity of the powder steel. Russian Journal of Non - Ferrous Metals. 2011. V.52. No. 1. Pp. 101-102.
8. Litvinova T.A., Egorov S.N. Features of powder steel formation with electric - contact compaction. Metallurgist. 2013. No. 3-4. Pр. 342 - 345.
9. Egorov S.N., Litvinova T.A., Tamadaev V.G., Shron L.B. Faktory, vliyayushchie na formirovanie mezhchastichnogo srashchiv-aniya pri elektrokontaktnom uplotnenii [Factors influencing the formation of interparticle splicing in electrocontact sealing]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2017, no. 4, pp. 129 - 132. (In Russ.)
10. Egorov S.N., Metsler A.A., Medvedev Yu. Yu., Litvinova T.A. Gomogenizatsiya materiala, poluchennogo elektrokontaktnym uplotneniem poroshkovoi bronzy [Homogenization of the material obtained by electrocontact sealing of powder bronze]. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Tekhn. nauki, 2010, no. 3, pp. 51 - 53. (In Russ.)
Поступила в редакцию /Receive 17 ноября 2019 г. /November 17, 2019
