РАЗРАБОТКА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ ПОРОШКОВ ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ОТХОДОВ СЫРЬЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УЗБЕКИСТАНА Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

РАЗРАБОТКА МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ДЕТАЛЕЙ МАШИН ИЗ ПОРОШКОВ ПОЛУЧЕННЫХ ИЗ ОТХОДОВ СЫРЬЯ ПРОМЫШЛЕННОСТИ УЗБЕКИСТАНА

Файзулла Рамазанович Норхуджаев

ТГТУ oribjon.xudayberdiyev@ mail.ru

Орибжон Рахимбердиевич Худайбердиев

Андижанский институт

машиностроения oribj on.xudayberdiyev@ mail.ru

Мухаммаджон Рахимжон ртли Абдукаримов

Андижанский институт машиностроения oribj on.xudayberdiyev@ma il.ru

АННОТАЦИЯ

Большие возможности создания высокоэффективных

антифрикционных материалов дают методы порошковой металлургии. Они позволяют более дифференцированно управлять антифрикционными свойствами, объединяя в одном материале несущую основу необходимой прочности и пластичности с различного рода присадками, играющими роль твердых смазок или присадками, активирующими процессы образования необходимых структур материала и вторичных структур трущихся слоев. В настоящей работе представлены результаты исследований по созданию металлокерамических сплавов железной основе из порошков полученных из отходов сырья промышленности Узбекистана. В результате исследований показания возможность изготовления металлокерамических изделий антифрикционного назначения из порошков местного производства. Железные порошки были получены путем восстановления водородом окалины Бекабадского металлургического завода. Пирит является отходом производства Алмалыкского горно-металлургического производства.

Ключевые слова: металлокерамические сплавы, антифрикционный сплав, присадка в шихту пирита, порошки из отходов производства, трибо-технические испытания, технология получения шихты и изготовление изделии методами порошковой металлургии.

DEVELOPMENT OF MACHINE MATERIALS AND MACHINE PARTS FROM POWDERS OBTAINED FROM WASTE OF RAW MATERIALS OF THE

INDUSTRY OF UZBEKISTAN

Fayzulla Ramazanovich Norkhudjaev

Oribjon Rakhimberdievich Khudayberdiev

Mukhammadjon Rakhimjon ugli Abdukarimov

TSTU

oribjon.xudayberdiyev@ mail.ru

Andijan Institute of Andijan Institute of

Mechanical Engineering Mechanical Engineering oribj on.xudayberdiyev@ oribj on.xudayberdiyev@ma

mail.ru

il.ru

ABSTRACT

Powder metallurgy methods provide great opportunities for creating highly efficient antifriction materials. They allow for a more differentiated control of antifriction properties, combining in one material a supporting base of the necessary strength and plasticity with various additives that play the role of solid lubricants or additives that activate the formation of the necessary structures of the material and secondary structures of rubbing layers. This work presents the results of studies on the creation of metal-ceramic alloys of an iron base from powders obtained from waste raw materials from the industry of Uzbekistan. As a result of studies, the indications are the possibility of manufacturing cermet products for antifriction purposes from powders of local production. Iron powders were obtained by reducing the scale of the Bekabad metallurgical plant with hydrogen. Pyrite is a waste product of the Almalyk mining and metallurgical production.

Keywords: cermet alloys, antifriction alloy, pyrite additive in the charge, powders from production wastes, tribo-technical tests, charge production technology and product manufacturing by powder metallurgy methods.

ВВЕДЕНИЕ

Мировое производство металлических порошков в настоящее время превышает 1 млн.т, а изделий из них 650-750 с.т. [1].

Порошки железа и сплавов на его основе составляют более 80 % мирового производства металлических порошков. Объем годового выпуска железного порошка в США-Канаде составил 200 тыс.т., в Западной Европе - 120 тыс.т. [2].

Метод порошковой металлургии позволяет изготавляет изделия заданных размеров с высокой точностью, что полностью или частично исключает необходимость механической обработки. Остается иногда только отдельные операции по доведению размеров после установки в узел (расточка, соосность и т.д.). Размеры спеченной детали обычно находятся в пределах допусков, заданных по чертежу и легко доводятся до более высокого класса калибрования. С помощью методов порошковой металлургии можно, в ряде

случаев, избавиться рот сложной механической обработки, необходимой при традиционной технологии [2].

Таким образом применение спеченных изделий позволяет достичь следующих преимуществ:

- экономии металла за счет получения точных размеров деталей сокращения потерь при механической обработке и снижения отходов производства и массы изделия на 20-30% за счет пор.

- полного устранения или значительного сокрашения парка металло обрабатывающего оборудования;

- экономии дорогостоящих цветных металлов (подшипниковых сплавов) в результате замены их менее дефицитными сплавами на основе железа;

- легкой автоматизации и высокой культуры процессов изготовления деталей методом порошковой металлургии что позволяет улучшить условия труда работающих. В конечном итоге удается значительно снизить трудоемкость производства и повысить производительность труда;

- использования отходов производства металлургической и других отраслей промышленности для получения исходных порошков (железа, меди , никеля и др.).

Последнее преимущество в данной работе использовано полностью т.к.в ней решены вопросы замены импортных порошков Российского завода на местные, железные порошки полученные становления окалины Бекабадского металлургического завода. Кроме того,в качестве присадочного материала используются пирит - отход производства Алмалыкского горнометаллургического комбината (АГМК).

Лабораторные испытания показали на возможность и целесообразность изготовления металлокерамических железографитовых антифрикционных сплавов с присадкой пирита на основе местного сырья. Изготовления опытно-промышленная партия металлокерамических подшипников скольжения из порошков местного производства с присадкой пирита. Стендовые испытания показали, что их работоспособность не хуже, чем у изделий, полученных из импортного порошка.

МЕТОДЫ

Объектами исследований являлись изделия, полученные при прессовании и спекании порошков из местного сырья.

Железные порошки были получены путем восстановления железной окалины Бекабадского металлургического завода. Восстановление проводилось в среде осушенного водорода при температура II00-II50 °С. В качестве серо

содержащей присадки использовали пирит, являющийся отходом горнометаллургического производства.

Полученные порошки железа соответствовали маркам ПЖВ5, 450. 24 и ПЖВ5!60,28 по ГОСТ 9849-86- "Порошок железный. Технические условия". Введен 01.05.90 г.

Для составления шихты использовали графит и пирит. Графит брали элементный или карандашный по ГОСТ 4404-78" Графит для производства карандашных стержней. Технические условия". Пирит использовали после измельчения до фракции 0,45-0,16мм.

Смешивание порошков и подготовка шихты проводились в конусных смесителях с добавкой бензина и стеарата цинка. Содержание графита было постоянным -2%. Содержание пирита было:0,5;1.0;1.5;2.5;3.0;3.5;4.0%.После подготовки шихты необходимые для испытаний образцы готовились (прессовались)в соответствии с требуемыми размерами и конфигурацией для образцов для испытаний на растяжение, сжатие и ударную вязкость.

Испытания проводились согласно ГОСТ 25698-83- "Порошковые изделия. Методы определения твердости"; ГОСТ18227 - Материалы порош-ковые. Методы испытания на растяжение; ГОСТ 9495-75-"Материалы порошковые. Методы определения ударной вязкости''. Для определения антифрикционных характеристик готовили специальные образцы в виде втулок с наружным и внутренним диаметром 30 и 20мм. Образцы в виде втулок подвергали испытаниям на радиальное сжатие по ГОСТ 26529-85- "Материалы порошковые. Метод испытания на радиальное сжатие ". В соот-ветствие с этим ГОСТом предел прочности при радиальном сжатии опре-делялся

G Pmax(D-a (1)

Р-См= ьха2

где, Pmax - максимальная разрушающая нагрузка; D - наружный диаметр втулки; а - толщина стенки втулки ; L - длина цилиндрической части втулки.

Спрессованные образцы подвергались спеканию. Для этого прессовки упаковывали в контейнеры из нержавеющей стали, после чего накрывались асбестовым листом. На асбестовый лист насыпалась чугунная стружка толщиной около 40мм, контейнер закрывался крышкой, а детали промазы-вались огнеупорной глиной. Спекание проводили при температуре 1100°С в течение 2-х часов. После спекания контейнеры охлаждали на воздухе.

Полученные образцы подвергали испытаниям на твердость, прочность в соответствии с вышеуказанными стандартами.

Плотность и пористость определяли в соответствии с ГОСТ 18398-73-"Порошковая металлургия. Методы определения плотности и прочности".

Содержание масла в пропитанных порошковых изделиях определяли весовым методом по ГОСТ 24903-81.

Из каждой партии изделий не менее, чем на 3-х образцах готовили микрошлифы и проводили металлографический анализ на микроскопах МИМ-6М и Neophot-21. Исследования проводили после травления микрошлифов 4% раствором НЫ03в этиловом спирте в соответствии с ГОСТ 901-78 при увеличениях во 100 и 300 раз.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

В качестве исходных материалов использовали железные порошки, полученные восстановлением железной окалины Бекабадского металлургического завода. Восстановление было произведено путем нагрева окалины в атмосфере водорода. Восстановлений порошок проходил дополнительное размалывание, после чего проводили просеивание на ситах для получения требуемого гранулометрического состава. Технический состав подготовленных порошков соответствовал ГОСТ 9849-86.

Подготовленные порошки смешивались и качестве серосодержащего компонента добавляли пирит производства АГМК размерами частиц 0,1-0,071 мм.

Из исходных материалов подготовлялась шихта путем смешивания порошков железа, графита элементарного марки ГЭ-3 и пирита. Основной получаемых сплавов был выбран состав, соответствующий марке сплава ЖГр2. Прессование изделий проводили на пресс-автомате К0628 производительностью 15 образцов в минуту. Спекание проводили в контейнерах из нержавеющей стали с засыпкой деталей чугунной стружкой при температуре 1100 0С в течение 2-х часов.

Полученные изделия и образцы были подвергнуты механическим испытаниям, металлографическим исследованиям, а также другим видам испытаний в соответствии с ТУ 23.1.324-83, распространяемым на изделия из порошковых материалов на железной основе марок Ж, предназначенных для изготовления изделий антифрикционного конструкционного назначений. Результаты испытаний приведены на рис 1.

Плотность полученных изделий оказалась несколько завышенной, а масловпитываемость несколько заниженной. Несколько более высокие значения имеет твердость.

Введение в шихту пирита от 0,5 до 1,5 % ведет к некоторому снижению плотности и росту масловпитываемости [3]. Это сопровождается некоторым Снижением твердости и прочности, однако при содержании пирита до 1% все свойства отвечают требованиям ТУ 231.324-83.

Микроструктура сплава представляет собой феррито-перлитовую основу, в которой видны участки включений графита и сульфидов (рис.2) [4].

Рис.1. Зависимость твердости НВ, прочности на радиальное сжатие архж., плотности у, пористости П, масловпитываемости М пористого антифрикционного сплава на основе железа от содержания в шихте пирита

При содержаний в шихте более 2 % пирита резко возрастает пористость, что следует связывать с газообразованием при разложении FeS2 в процессе спекания. Рост пористости ведет к снижению плотности и увеличению масловпитываемости. Прочностные свойства и твердость резко снижаются.

б)

Рис.2. Микроструктуры железографитовых металлокерамических сплавов с

присадкой в шихту пирита

Для проведения триботехнических испытаний были изготовлены втулки. Полученные втулки имели размеры: наружный диаметр 32 мм, внутренний - 20 мм, высота 10 мм. Втулки по наружному диаметру обтачивались до диаметра

о л+0,05

30 , мм.

Триботехнические испытания проводились на машине МИ-1М при трении скольжения без дополнительной смазки.

Втулка устанавливалась на нижнем вращающемся шпинделе испытательной машины. Контртелом являлись буксы, изготовленные из стали 45 и термически обработанные на твердость НЯС 52 - 54. Число оборотов нижнего шпинделя машины 500 0б/мин, что дает скорость скольжения при наружном диаметре втулки 30 мм - 0,78 м/с (47,1 м/мин). Нормальная нагрузка на буксу составляла 50 кГс (или 490 Н). Так как букса имела площадь трения 2 см2, то удельное давление составляло 245 Н/см2.

Таблица 1.

Коэффициент трения к величина износа пористых металлокерамических втулок при испытаниях на трение скольжения в зависимости от состава шихты при

приготовлении сплавов.

Вид шихты Износ ,мм Коэффициент трения

Железный 0,28 0,16-0,23

порошок 0,07 0,23-0,36

+ 2% графита, 0,03 0,13

Без пирита 0,15 0,13

Железный 0,02 0,06

порошок 0,09 0,13

+ 2% графита 0,01 0,13

+0,5 пирита 0,01 0,13

Железный порошок 0,015 0,05

+ 2% графита 0,02 0,05

+1 % пирита 0,01 0,13

0,015 0,13

Железный 0,02 0,05

порошок 0,02 0,05

+ 2% графита 0,01 0,13

+1,5% пирита

Железный 0,23 0,1-0,16

порошок 0,12 0,16

+ 2% графита 0,07 0,13

+2,5 пирита 0,04 0,13

б) % Бе82

Рис.3. Изменение величины износа (а) коэффициента трения (б) железографитовых втулок в зависимости от присадок в шихту пирита после пропитки втулок маслом и при трении скольжения без дополнительной смазки

Коэффициент трения определяли по моменту трения, регистрируемого машиной трения. Время испытания составляло 10000 оборотов нижнего образца.

Величина износа определялась линейным методом замера диаметра образца микрометром в двух взаимно перпендикулярных направлениях как до испытания, так и после испытания.

Как видно из представленных результатов, при трении скольжения металлокерамических пористых втулок по стальным закаленным буксам величины износа втулок и коэффициент трения не стабильны: если в сплаве нет пирита или его содержание около 0,5 %. При содержании в сплаве 1 - 1,5 % пирита, величина износа и коэффициент трения принимают минимальные значения. Этот факт можно целиком отнести к антизадирным свойствам сульфидов у сплавов с присадкой пирита. В наших условиях испытания при

трении скольжения без подачи дополнительной смазки у сплава без присадки пирита относительно стабильная работа втулок нарушается достаточно быстро. Это связано с исчерпанием возможности работы в режиме самосма-зываемости, когда смазка, выделяемая из пор, заканчивается. Если в структуре сплава имеются сульфиды, то значительно возрастает сопротивление задиру, время работы без задирав значительно увеличивается.

Результаты испытаний приведены в таблице 1, рис.3.

При содержании в сплаве 2,5 % пирита происходит его существенное разупрочнение. В этом случае величина износа значительно возрастает за счет разупрочнения сплава.

На основании полученных данных был выбран сплав с присадкой 1 % пирита и составлено техническое задание на антифрикционный пористый сплав на основе железа с присадкой в шихту пирита. Для этого сплава разрабатывалась технология получения изделий из металлокерамических сплавов в условиях крупносерийного производства.

ОБСУЖДЕНИЯ

Разработка опытно-промышленной технологии на производство пористого антифрикционного сплава проводилось с учетом производства железного порошка. Железный порошок получают путем восстановления окалины Бекабадского металлургического завода. Восстановление окалины проводится в электрических печах в среде осушенного водорода при температуре 1000-1100 °С в лодочках из жаростойкой стали.

После восстановления полученный материал (пек) размалывается в шаровых мельницах и порошок просеивается через сита. По гранулометрическому составу полученный железный порошок соответствует ГОСТ 984986, но не полностью, т.к. в некоторых марках отсутствует мелкая фракция.

Химический состав порошков железа местного производства также несколько отличается от данных ГОСТ 9849-86. Это связано с тем, что железная окалина, полученная с Бекабадского металлургического завода, может иметь в своем составе сопутствующие элементы, которых нет в окалине крупных заводов по производству железных порошков.

В частности, в окалине Бекабадского металлургического завода могут присутствовать элементы, имеющиеся в прокатываемой стали. Неметалли-ческие примеси достаточно полно удаляются путем магнитной сепарации, но элементы, входящие в состав твердого раствора с железом, остаются. В частности, при обработке технологии получения пористых антифрикционных сплавов использовали железные порошки с повышенным содержанием кремния (0,97%

против 25%, пред усмотренного ГОСТ 9849-86). В неко-торых партиях железных порошков содержание сульфидов доходило до 0,25%.

При обработке технологии получения изделий (втулок) из пористого антифрикционного сплава было также установлено, что для достижения требуемых механических свойств изделия из железных порошков местного производства , следует спекать при температуре не ниже 1100°С. Это можно связать с повышенным содержанием кремния в шихте, а также не полным восстановлением окалины.

Контрольные проверки механических свойств спеченных изделий, полученных из подготовительной шихты ЖГр2Ш при спекании в районе температур 1100 °С показали вполне удовлетворительные результаты. Определяли прочность втулок с наружным диаметром 30 мм и толщиной стенки 5 мм на радикальное сжатие в соответствии с, таблицей 2.

Таблица 2

Прочность на радиальное сжатие контрольных втулок из сплава ЖГр2Ш,

полученных из порошков местного производства

Наружный диаметр, Д, мм Толщина стенки, а, мм Длина L, мм Макс. разруш. нагрузка, Pmax, кГс Макс. разр. напряжение радиальн. сжат. б рад. сж, МПа

30,6 5,4 15,5 625 341

30,6 5,4 15,5 630 344

30,6 5,5 4,5 15,5 620 338

30,6 5,4 15,5 580 320

Исследования микроструктуры подготовленных образцов показали, что содержание перлитной составляющей достигает не менее 50%, что соответствует ТУ 23.1324-83.

При обработке технологии приготовления изделий антифрикционного назначения в производственных условиях также брали шихту с содержанием пирите несколько менее у более 1% с целью определения влияния пирита на пористость (плотность) изделия. С увеличением пирита в шихте размеры сульфидов возрастают, сульфиды размещаются преимущественно по контору пор, а пористость возрастает, уменьшается плотность (таблица 3).

Таблица 3

Сравнительная плотность металлокерамических изделий, полученных из шихты

без присадки и с присадкой пирита (ЖГр2 и ЖГр2Ш)

^став шихты Плотность, г/см

Железо-графит 6,3

ЖГр2 6,48

6,41

Железо-графит-пирит 5,58

ЖГр2П1 5,69

5,60

Требования ТУ 23.I.324-83 5,7+6,1

Как видно из представленной таблицы, плотность изделий без присадки пирита оказалась завышенной, в связи с чем масловпитываемость находилась на уровне 1,5 +1,62 %, что ниже предусмотренного уровня по ТУ 23.I.324-83. Образцы (втулки), изготовленные из шихты с присадкой пирита, имели масловпитываемость 2% и более, что отвечает требованиям ТУ 23.I.324-83.

Таким образом, в результате опытных работ на промышленном оборудовании были получены пористые изделия антифрикционного назначения из сплава ЖГр2П1, которые по всем параметрам отвечают с требованиям технических условий ТУ 23.I.324-83.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Железные порошки, отвечающие требованиям стандарта, могут быть получены путем восстановления окалины Бекабадского металлургического завода.

2. Производство железных порошков в полнее целесообразно, т.к. они по стоимости вдвое ниже импортных.

3. При производстве пористых антифрикционных изделий в качестве серосодержащей присадки может быть использован пирит-отход производства Алмалыкского горно-металлургического комбината.

4. Спеченные антифрикционные металлокерамические сплавы, полученные из местного сырья, как по механическим, так и по антифрикционным свойствам отвечают требованиям технических условий.

5. Оптимальным составом шихты при производстве металлокерамических сплавов антифрикционного назначения является: 97 % железного порошка, 2% элементного или карандашного графита и 1 % пирита.

REFERENCES

1. Либенсон Г.А, Лопатин В.Ю., Комарницкий Г. В., Процессы порошковой металлургии/ В2-х т. Производство металлических порошков- М.: МИСИС.2001-368с.

SCIENTIFIC PROGRESS VOLUME 2 I ISSUE 2 I 2021

ISSN: 2181-1601

2. German R.M.Powde Metallurgy and Particulate Materials Processing, Metall Powder Industries Federation, Princeton,NJ 2005.-P 308

3. Norkudjayev F.R. Mukhamedov A.A. Xudayberdiyev O.R. Receving antifuction materialson the dasis of waste of metallurgical Productions of Uzbekistan. International Journal of Advanced Research in Engineering and Technology (IJARET) NJ 2019.-P 8675-8677.

4. Norkudjayev F.R. Alikulov A.Kh. Abdurakhmonov Kh.Z. Tursunov T.Kh. Examination of Thermophysical Processes in the Creation of Metal Layered Compositions. International Journal of Recent Technology and Engineering (IJRTE) ISSN: 2277-3878, Volume-8 Issue-2S10, September 2019. p361-366

5. Хусанов Ю. Ю., Мамасидида Б. Э. У. ПОЛИМЕР КОМПОЗИТ МАТЕРИАЛЛАРНИ ПРАМАЛАШДА КИРИНДИ ХРСИЛ БУЛИШ ЖАРАЁНИ ТАДЖИК КДЯИШ //Scientific progress. - 2021. - Т. 2. - №. 1. - С. 95-104.

6. Файзиматов Ш. Н., Абдуллаев Ш. М. ДОРНАЛАР ЁРДАМИДА КИЧИК УЛЧАМЛИ ЧУКУР ТЕШИКЛАРГА ИШЛОВ БЕРИШ АНИКЛИГИ ВА САМАРАДОРЛИГИНИ ОШИРИШ //Scientific progress. - 2021. - Т. 1. - №. 6. - С. 851-856.

7. Fayzimatov B. N., Xusanov Y. Y. PROBLEMS OF GLASS SURFACE QUALITY FORMATION FOR MECHANICAL PROCESSING //Scientific-technical journal. -2018. - Т. 22. - №. 2. - С. 35-39.

8. Fayzimatov S. N., Xusanov Y. Y., Valixonov D. A. Optimization Conditions Of Drilling Polymeric Composite Materials //The American Journal of Engineering and Technology. - 2021. - Т. 3. - №. 02. - С. 22-30.

9. Xusanov Y. Y., Valixonov D. A. O. G. L. POLIMER KOMPOZITSION MATERIALLARDAN TAYYORLANGAN DETALLARNI PARMALASHNI ASOSIY KO 'RINISHLARI //Scientific progress. - 2021. - Т. 1. - №. 6. - С. 11691174.

10. Xusanov Y. Y., Valixonov D. A. O. G. L. POLIMER KOMPOZITSION MATERIALLARDAN TAYYORLANGAN DETALLARNI PARMALASHNI ASOSIY KO 'RINISHLARI //Scientific progress. - 2021. - Т. 1. - №. 6. - С. 11691174.