CC BY
71
МАШИНО- И ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ
УДК 621.762
Т. В. Бурдикова
ВЛИЯНИЕ СЕРОСОДЕРЖАЩИХ ДОБАВОК НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
Рассмотрена возможность изготовления изделий методом порошковой металлургии и замены стадии пропитки готового изделия расплавленной серой с последующим сульфидообразующим отжигом на стадию введения серы или серосодержащих отходов химической промышленности в состав шихты. При этом отмечено улучшение эксплуатационных характеристик порошкового материала.
Характерными тенденциями в современном машиностроении являются стремление к созданию новых машин и механизмов с высокими рабочими параметрами и поиски наиболее экономных высокопроизводительных методов производства. На эти направления все большее влияние оказывает развитие порошковой металлургии.
Дальнейшее повышение нагрузок и скоростей работы машин, усложнение температурных условий и характера рабочих сред возможно только в случае применения новых материалов. Изготовление таких материалов методом порошковой металлургии является наиболее эффективным. Разработка новых материалов окажет влияние на принципы конструирования машин, их внешний вид и технологию изготовления. В несколько раз понизится вес машин на единицу мощности за счет применения более прочных и износостойких материалов [1].
В данной работе рассмотрена возможность изготовления изделия № 740-1007032 «втулка направляющая впускного клапана для автомобиля КамАЗ» методом порошковой металлургии и замены стадии пропитки готового изделия расплавленной серой с последующим сульфидообразующим отжигом на стадию введения серы в состав шихты. В данной работе в качестве объекта исследования был выбран порошковый антифрикционный материал на основе железа ЖГр1,2ДЗ.
Состав материала:
■ железный порошок (ПЖВ-3) - 95,8%;
■ медный порошок (ПМС-1) - 3%;
■ порошок графита (С-1) - 1,2%.
Антифрикционные медьсодержащие детали на основе железа, как правило, применяются с дополнительной смазкой. Высокие механические свойства этих изделий позволяют использовать их в ответственных узлах трения, где требуется повышенная прочность [2].
Стадия пропитки готового изделия расплавленной серой и сульфидообразующий отжиг были исключены из технологического процесса, а сульфидообразование осуществлялось на стадии спекания образцов за счет взаимодействия серы, введенной непосредственно в шихту. Исследовалось влияние различного содержания серы на
свойства изделий, а также возможность замены технической серы на серосодержащие отходы. В качестве отходов использовались:
■ отходы, образующиеся после очистки нефти (сульфидное масло);
■ серосодержащие отходы после очистки промышленных газов от сероводорода.
Введение серы в антифрикционные изделия обусловлено положительным влиянием
серы на физико-механические свойства и структуру железографита, существенно улучшающим эксплуатационные характеристики материала [3]. В присутствии сульфидов в железографите образуется структура тонкодисперсного перлита, обеспечивающая повышение несущей способности, износостойкости и прирабатываемости материала.
Одним из распространенных методов введения серы является пропитка серой спеченного изделия при 120-130°С с последующим отжигом при температуре 300-450°С в течение 40-60 мин, что обеспечивает образование сульфидов. Сульфидирование нержавеющих сталей можно проводить пропиткой серой спрессованного брикета с последующим спеканием брикетов при температуре на 200-300°С ниже температуры спекания нержавеющей стали, не содержащей серы, так как присутствие серы активирует процесс спекания [4]. Возможно также применение газового сульфидирования при спекании изделий в контейнерах с плавким затвором. В этом случае порошок серы помещается на дне контейнера.
В данной работе предлагается вводить серу непосредственно в шихту. В легированном железе максимальную прочность обеспечивает присутствие серы в количестве 0,4-0,9% [2]. Характеристики готового изделия в основном зависят от процессов, происходящих при спекании. Спекание порошковых материалов - это тепловая обработка свободно насыпанного или спрессованного порошка при 0,7-0,9 абсолютной температуры плавления металла порошка в однокомпонентной системе или ниже температуры плавления основного металла в многокомпонентной системе порошков. Спекание любой системы состоит из нескольких стадий: нагрев прессовок до заданной температуры, изотермическая выдержка при этой температуре и охлаждение до комнатной температуры. В металловедении под термином «спекание» понимают одну из важнейших технологических операций порошковой металлургии, при которой в результате диффузионных, рекристаллизационных и других процессов при термической обработке и свободно насыпанного или уплотненного конгломерата частиц порошков создается единое тело, обладающее определенной структурой и свойствами.
С позиции физикохимии твердого тела спекание представляет собой сложный многоступенчатый самопроизвольный кинетический процесс приближения конгломерата частиц к термодинамическому равновесному состоянию за счет «залечивания» дефектов кристаллического строения.
Термодинамическая неустойчивость порошковых тел обусловливается большой развитостью свободной поверхности частиц, наличием микроискажений кристаллической структуры металла частиц и несовершенством контакта между ними, а в случае смеси порошков различных компонентов - химической неоднородностью системы из-за неравномерного распределения частиц компонентов. Поэтому любая спрессованная заготовка обладает большой избыточной свободной энергией, которая является основной движущей силой спекания. В связи с этим с термодинамической точки зрения спекание можно рассматривать как процесс восстановления атомно-кристаллической структуры металла, частиц и перемещения атомов из энергетически «невыгодных» мест в места с минимальной свободной энергией. Иначе, спекание - это кинетический процесс освобождения порошковой системы от неравновесных дефектов.
Основным признаком процесса спекания является уменьшение размеров изделий -их «усадка», сопровождаемая «залечиванием» дефектов кристаллической структуры металла частиц. При этом происходят качественные и количественные изменения межчастичных контактов. Контакт между частицами из оксидного в основной своей массе превращается в металлический, а за счет сращивания частиц происходит его рост, изменение соотношения между порами и объемом металла в сторону уменьшения объема пор. Образование металлической связи способствует усадке, собирательной межчастичной рекристаллизации и слиянию отдельных частиц в единое тело. Установлено, что влияние каждого легирующего элемента на спекание различно как при раздельном, так и при совместном их введении. Например, если никель независимо от его содержания и времени спекания обусловливает возрастание усадки, то введение молибдена до 1% и меди до 3% ее снижает. Дальнейшее увеличение количества меди приводит к «росту» изделий. При разработке материала изделия № 740-1007032 «втулка направляющая впускного клапана для автомобиля КамАЗ» этот фактор учитывался.
Увеличение объема изделия после спекания является отрицательным фактором, так как при этом в спеченных изделиях очень часто образуются трещины, направленные перпендикулярно прессованию. Снижение усадки и появление трещин связано со снятием в процессе нагрева внутренних напряжений, накопленных частицами металла в процессе прессовкдаящой работе отмечено, что объем образцов до и после спекания изменяется на 2-7%. Экспериментальные исследования показали, что с увеличением содержания серы или серосодержащих добавок в шихте плотность образцов незначительно снижается, а пористость увеличивается на 5-18% по сравнению с образцом, не содержащим серу (табл.1-3). Введение в шихту сульфидного масла стабилизирует объем образцов до и после спекания, а также их плотность и пористость. Содержание серы или серосодержащих отходов в количестве 0,4% является оптимальным исходя из требований к готовому изделию.
Таблица 1 - Влияние содержания технической серы на свойства образцов
Содержание серы, % Объем, см3 Плотность, г/см3 Пористость, %
до спекания после спекания
0 4,92 4,94 6,06 21,20
0,2 4,89 4,88 6,0 21,30
0,4 4,92 5,0 5,96 22,50
0,6 4,93 5,07 5,87 23,60
0,8 4,91 5,17 5,81 24,45
1,0 4,84 5,17 5,74 25,70
Требования по технической документации 5,91-6,32 15-23
Таблица 2 - Влияние серосодержащих отходов очистки газов на свойства образцов
Содержание серы, % Объем, см3 Плотность, г/см3 Пористость, %
до спекания после спекания
0 4,92 4,94 6,06 21,20
0,2 4,89 4,96 5,98 22,28
0,4 4,93 4,99 5,93 23,00
0,6 4,96 5,02 5,90 23.24
0,8 4,95 5,14 5,77 25,01
Таблица 3 - Влияние содержания сульфидных масел на свойства образцов
Содержание серы, % Объем, см3 Плотность, г/см3 Пористость, %
до спекания после спекания
0 4,92 4,94 6,06 21,20
0,2 4,90 4,90 6,05 21,26
0,4 4,99 4,98 5,98 21,16
0,6 4,97 4,98 6,03 21,56
0,8 4,92 4,93 6,02 21,51
Исследование влияния серосодержащих добавок на прочность образцов показало, что с увеличением содержания серы до 0,4% прочность образцов практически не изменяется, а дальнейшее увеличение содержания серы приводит к снижению исследуемой характеристики в 1,1-1,4 раза по сравнению с образцом без серы. Применение сульфидного масла приводит к незначительному снижению прочности по сравнению с другими добавками (рис.1), а твердость образцов практически не изменяется при использовании технической серы (рис.2).
Важной характеристикой для изделий, работающих в условиях трения, является их износ. Определение износостойкости образцов проводилось по методу оценки износостойкости образцов при трении (ГОСТ 23.204-78). Износостойкость оценивалась по истираемости, т.е. по потере массы образца (г) с единицы поверхности (см2) при пути трения 500 м, нагрузке прижатия к контртелу 2,2 кг/см2 (контртело - сталь 45). Экспериментальные исследования показали, что введение 0,4% технической серы приводит к снижению истираемости в
Рис. 1 - Влияние серосодержащих добавок на прочность образцов:
1 — состав, содержащий техническую серу; 2 — состав, содержащий отходы очистки газов; 3 — состав, содержащий сульфидное масло
1,5 раза. Использование серосодержащих добавок приводит к снижению износостойкости, т.е. увеличению истираемости в 1,3 раза по сравнению с образцами без серы (рис.3).
Таким образом, проведенные исследования по влиянию содержания серы и серосодержащих отходов на эксплуатационные характеристики порошкового материала изделия № 740-1007032 «втулка направляющая впускного клапана для автомобиля КамАЗ» показали, что сульфидообразующий отжиг можно заменить на введение серы в состав шихты, при этом возникает возможность утилизировать серосодержащие отходы химической промышленности. При этом установлено, что оптимальным является содержание серы или серосодержащих отходов в образцах 0,4%. С другой стороны, исходя из требований, предъявляемых к готовой продукции (плотность 5,91-6,32 г/см3, пористость 15-23%, прочность 220 МПа, твердость 70-130 НВ), можно рекомендовать использовать серу и серосодержащие отходы в количестве до 0,6% [5].
Рис. 2 - Влияние серосодержащих добавок на твердость образцов:
1 — состав, содержащий техническую серу; 2 — состав, содержащий отходы очистки газов; 3 — состав, содержащий сульфидное масло
Рис. 3 - Влияние серосодержащих добавок на истираемость образцов:
1 — состав, содержащий техническую серу; 2 — состав, содержащий отходы очистки газов; 3 — состав, содержащий сульфидное масло
Литература
1. Современные проблемы порошковой металлургии / Под ред. Федорченко И.М. Киев: Наукова думка, 1970. 343с.
2. Ермаков С.С., ЕрмаковБ.С., Сулейменов Э.В., Протопопов А.В., АбдашевМ.А. Порошковые материалы. Алма-Ата, Галым, 1991. 344с.
3. Порошковые материалы /Под. ред. Андриевского Р.А. М. Металлургия, 1991. 205с.
4. Либерсон Г.А. Основы порошковой металлургии. М. Металлургия, 1987, 208с
5. Влияние серосодержащих добавок на эксплуатационные характеристики изделий, полученных методом порошковой металлургии. Отчет о выполнении научно-исследовательской работы на средства Фонда НИОКР РТ. Научный руководитель: Бурдикова Т.В. Казань, 2003.
© Т. В. Бурдикова - канд. техн. наук, доц. каф. химии и технологии гетерогенных систем КГТУ; зам. нач. УМУ КГТУ.
