CC BY
12
УДК 669.018.25:621.763
РАЗРАБОТКА АНТИФРИКЦИОННОГО ИЗНОСОСТОЙКОГО КОМПОЗИЦИОННОГО СПЛАВА Накарякова Вера Ильинична, старший преподаватель (e-mail: [email protected]) Российский государственный профессионально-педагогический университет, г.Екатеринбург, Россия
В статье представлена разработка современного материала - антифрикционного износостойкого композиционного сплава, который пришел на замену традиционным материалам, которые достигли предела своих технических свойств.
Ключевые слова: композиционный антифрикционный износостойкий сплав, производство подшипников и втулок
Производство качественной и конкурентоспособной продукции, соответствующей по технико - кономическим показателям лучшим мировым образцам - важнейшая задача предприятий на современном этапе. Значительная роль в решении задачи отводится разработке и внедрению наукоемких технологических процессов. К таким процессам относится технология производства композиционного антифрикционного износостойкого сплава (КАС)
Традиционно применяемые в технике материалы в значительной мере достигли предела своих свойств (технических характеристик). Современное машиностроение направлено на создание и эксплуатацию инновационных материалов, удовлетворяющих повышенным требованиям к ним. В этой связи необходимо подчеркнуть особое значение композиционных материалов (КМ), или композитов, получаемых по разным технологиям, обеспечивающим сочетание в едином КМ требуемых свойств разных материалов. Прочность, износостойкость, надежность, антифрикционные и другие полезные свойства достигаются в КМ путем сознательного конструирования состава и структуры КМ с заранее заданными свойствами.
Композиты являются материалами будущего и представляют собой новую ступень в развитии материаловедения.
Композиционные материалы - это объемная гетерогенная система, состоящая из сильно различающихся по свойствам взаимно нерастворимых элементов, строение которой позволяет использовать преимущества каждого из них. Такими обязательными компонентами КМ являются наполнитель и матрица.
Прочность связи матрицы с наполнителем, в конечном счете, определяет уровень реализации свойств компонентов КМ, рассмотрим подробнее влияние условий контактного взаимодействия компонентов на прочность получаемых материалов.
Особенности физико-химического взаимодействия компонентов определяются термодинамическими и кинетическими факторами. Влияние термодинамических факторов полностью реализуется в равновесном состоянии и осуществляется только при соответствующем сочетании кинетических факторов, таких как, скорость диффузии и скорость химических реакций компонентов. Кинетические факторы являются термически активируемыми процессами, а температурные условия задаются параметрами технологического процесса получения и рабочим режимом эксплуатации изделий из КМ [1, с.293, с. 346].
Необходимо отметить, что независимо от природы и величины сил, обеспечивающих адгезионный контакт, для достижения максимальной прочности контакта следует добиваться возможно большей площади контактной поверхности. Ее величина не совпадает с геометрической поверхностью вследствие наличия неровностей рельефа поверхности реальных твердых тел. С целью усиления адгезии мы применили нанесение резьбы 1,5 мм на контактную поверхность изделия с КАС .
Проблема. Долговечность машин и механизмов во многом определяется износостойкостью применяемых в их конструкции подшипниковых узлов. Недостаточная износостойкость подшипниковых узлов трения вызывает отказы, которые возникают при наработках, составляющих от 30 до 60% от общей наработки до предельно состояния машины или механизма в целом. При этом эксплуатационные затраты на техническое обслуживание и ремонт подшипниковых узлов в 2-3 раза превышают затраты на их производство и изготовление.
Представленная разработка относится к области машиностроения, в частности, к производству деталей цилиндрической и конической формы, различной конфигурации наплавляемого слоя, которые можно использовать в качестве подшипников скольжения, которые в свою очередь можно заменять на подшипники качения, сохраняя преимущества подшипников качения и устраняя их недостатки без применения смазочных материалов, путем нанесения износостойкого (КАС) на трущиеся поверхности с применением стандартного оборудования и относительно недорогих и недефицитных материалов, используя безопасные приемы труда [2].
Известны различные способы повышения износостойкости трущихся поверхностей путем нанесения наплавкой КАС [3, 4, 5].
Однако к недостаткам способов относится следующие факторы: сложная технология с применением специального оборудования, использование дорогостоящих материалов, таких как «релит» (карбиды вольфрама W3C + WC и мельхиор), оловянистые бронзы и др. Кроме того, материалы, из которых производят подшипники, также дорогостоящи, а само производство подшипников трудозатратно.
Известен и наиболее близок к представленному способ получения КАС [6], в котором используется автовакуумный эффект. По этому способу в герметичном металлическом контейнере при высокотемпературном нагре-
ве протекают процессы очистки металла от окисных пленок и поглощения газов, в результате чего давление снижается до 1 мм рт. ст [7,8,9,10] и происходит капиллярный подъем жидкого сплава - связки между зернами наполнителя в наплавочную полость.
Далее, наплавку КАС выполняли в двух режимах по форсированному и типовому. При наплавке по форсированному режиму образцы устанавливают в ванну с предварительно расплавленным сплавом - связкой, далее в печь, нагретую до 1150-1200 град. С, выдерживают 3,5 час, после чего охлаждают на воздухе. Общее время цикла наплавки составляет 6 час. При наплавке по типовому режиму технология следующая: образцы устанавливают в печь при температуре 300 град. С, при 700 - 750 град. С делают часовую, а при 1150 - 1200 град. С - двухчасовую выдержки; охлаждают до 450 град. С в печи, далее на воздухе. Общее время цикла наплавки по типовому режиму составляет 50 час. [11].
Очевидно, что вышеуказанный способ получения КАС трудоемок, сложен, небезопасен, требует применения дорогостоящих материалов.
В настоящее время разработка находится на экспертизе в ФИПС (Роспатент).
Остановимся на дополнительном свойстве разработанного КАС - это появление антифрикционных свойств, характеризующихся наличием низкого коэффициента трения, значение которого в условиях трения по стали без смазки не превышает 0,09. Функциональными наполнителями, обеспечивающими антифрикционные свойства КАС служат порошки твердых смазочных веществ, наиболее распространен в качестве антифрикционного наполнителя графит, содержание которого в КМ обычно не превышает 7%. В качестве матрицы используют бронзу.
Поставленная цель может быть достигнута способом, который представляет собой следующий процесс:
• заготовка будущих изделий состоит из двух труб из черного металла (Ст20 и т.п.) такими размерами, чтобы можно было вставить одну в другую с зазором;
• предварительно на контактную поверхность наносится резьба 1,5 мм для лучшей адгезии;
• в зазор между трубами последовательно размещается вертикальными слоями дробь (упрочнитель) марки ДСЛ или ДСЛУ номер дроби 05 или 08 ГОСТ 11964 - 81 и путем встряхивания уплотняется;
• наверху конструкции укладывается в твердом состоянии в необходимом количестве металл - связку (матрицу), состоящую из безоловянистой бронзы (ГОСТ 18175 - 78) с содержанием алюминия до 10 % это дает дополнительную плотность наплавляемому слою КАС;
• далее конструкция технологической заготовки изделий устанавливается в печь; температура доводится до 1050 - 1100 град. С; выдерживается при ней 22 - 24 час; затем остывает с печью до комнатной температуры.
• Полученная заготовка разрезается на цилиндры, необходимых размеров; затем они подвергаются чистовой обработке механическим путем до заданных размеров детали (подшипника).
Рисунок. Заготовка для выполнения инновационной технологии
где: 1 - сварной шов; 2 - наплавляемая труба; 3 - металл-матрица; 4 -крышка; 5 - формообразующая труба; 6 - упрочнитель (наполнитель); 7 -
основание.
Изделие готово.
Предложенный способ прошел промышленные испытания - было изготовлено 80 изделий разной конфигурации наплавляемого слоя с установкой на реально действующее оборудование, в том числе, на медном комбинате.
Экспертиза установила следующие показатели испытания: ковш отработал 2,4 срока; интенсивность изнашивания уменьшается в 16 раз; удельная нагрузка до заедания (задира) составляет 325 кг/ кв см.; при этом смазка не требовалась. Применение предлагаемого технического решения дает ощутимый экономический эффект за счет снижения стоимости материалов, трудоемкости изготовления деталей, увеличения срока эксплуатации деталей, при безопасных условиях труда и сохранении экологии.
Мультипликатор показывает превышение роста дохода над ростом инвестиций, равный 50, то есть первичный мультипликативный эффект составит 12500 тыс. руб.
Список литературы
\ V.
1. Волков Г.М. Материаловедение: учебник для студ. учреждений высш. проф. образования / Г.М. Волков. В.М. Зуев. - 2-е изд., перераб. - М.: Издательский центр «Академия», 2012. - 448 с.
2.Накарякова В.И. Повышение долговечности подшипников. V международная научно-практическая конференция «Актуальные направления фундаментальных и прикладных исследований» 22-23 декабря 2014 г. North Charleston, US. -..-320 с. С. 120-123.
3.Реферат № 2173417 (Федеральный институт промышленной собственности)
4.Реферат № 2003112086 (Федеральный институт промышленной собственности)
5.Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение; Учебник для высших учебных заведений. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с. С. 347.
6.Авторское свидетельство СССР, № 531681, Кл. В 23 К 9/04, В 23 Д 19/08.
7.Медовар Б.И. Сварка жаропрочных аустенитных сталей и сплавов. М., «Машиностроение», 1966.
8.Патон Б.Е. и др. О растворении газов воздуха и твердом металле в процессе самопроизвольной очистки его поверхности. «ДАН СССР», т. 181, 1968, № 1.
9.Гельман А.С. и Барышев М.С. О взаимодействии стали с газами в условиях автовакуумного нагрева // Сварочное производство, 1970, № 5.
10.Патон Б.Е. и др. Самопроизвольная очистка металлов от окисных пленок. «ДАН СССР», т. 159, М.: «Наука», 1964, № 1.
11.Кудинов В. Д., Филимонов Б.В. и др. Наплавка композиционных сплавов (релит + марганцевый мельхиор) с использованием автовакуумного эффекта // Сварочное производство, 1977, №8, С. 21-23.
Nakariakov Vera Ilyinichna, senior lecturer
(e-mail: [email protected])
Russian state vocational pedagogical University, Ekaterinburg, Russia
DEVELOPMENT OF WEAR-RESISTANT COMPOSITE ALLOY
Abstract The article presents the development of modern material - antifriction wear-resistant composite alloy which has replaced the traditional materials that have reached the limit of its technical properties.
Keywords: antifriction wear-resistant composite alloy, manufacture of bearings and bushings
