13_Galchuk.doc Триботехнічні характеристики композитів на основі порошку сталі ШХ15, отриманих із відходів машинобудування Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 81 Гальчук Т.Н. Луцький національний технічний університет, м. Луцьк, Україна ТРИБОТЕХНІЧНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОМПОЗИТІВ НА ОСНОВІ ПОРОШКУ СТАЛІ ШХ15, ОТРИМАНИХ ІЗ ВІДХОДІВ МАШИНОБУДУВАННЯ Вступ В сучасних пристроях, що забезпечують рух з’єднань деталей, використовуються різні антифри- кційні матеріали, серед яких велика кількість спечених багатокомпонентних композицій. Володіючи зниженими властивостями міцності порівняно із литими, спечені матеріали мають ряд переваг − краще припрацювання в процесі тертя, менше зношують сполучену деталь, характеризуються стабільним кое- фіцієнтом тертя. Поєднання декількох компонентів, що мають різко відмінні фізико-механічні властиво- сті дозволяє створювати спечені композиції з унікальними і важливими для техніки властивостями − са- мозмащенням, високою теплостійкістю, хорошими демпфуючими характеристиками тощо [1]. До спечених антифрикційних матеріалів відносяться також антифрикційні матеріали на основі порошкових сталей. Порошки підшипникових сталей – універсальний матеріал, який придатний для всіх умов роботи вузла тертя. Одним із способів отримання порошку підшипникової сталі ШХ15 є виділення його із шліфувальних шламів [2, 3]. В Луцькому НТУ розроблено технологічну схему отримання порош- ку сталі ШХ15 із шліфувальних шламів підшипникового виробництва (ПАТ „СКФ-Україна”, м. Луцьк) [4]. Дана технологія дозволяє отримувати порошок, близький за складом до початкової сталі і може ви- користовуватися для виготовлення спечених виробів триботехнічного призначення. Використання мета- ловідходів машинобудівного виробництва робить виготовлення деталей відносно дешевим, порівняно швидко окупним. Тому актуальним є проведення досліджень щодо створення композиційного матеріалу з використанням як компонента металічного порошку сталі ШХ15, отриманого із шліфошламів. Мета роботи − дослідження триботехнічних властивостей спечених композиційних матеріалів на основі порошку сталі ШХ15, отриманого із відходів машинобудівного виробництва. Викладення основного матеріалу У даній роботі розглянуто триботехнічні властивості спеченого порошкового матеріалу із сталі ШХ15 так і композиту на його основі. Композицію на основі порошку сталі ШХ15 готувалися із викори- станням порошків міді ПМС–1 (ГОСТ 4960–75) та графіту ГС4 (ГОСТ/ТУ – 8295). Суміш початкових порошків перемішували у віброзмішувачі протягом 1,5 - 2 год. Пресування зразків здійснювалося при тиску 200 - 800 МПа. Зразки спікали в металевих коробках, заповнених Al2O3, в електропечі при „рідкому затворі”. Температура спікання 1100 - 1250 °С. Час спікання складав 2 годи- ни з моменту встановлення заданої температури. Триботехнічні характеристики − зношування та коефіцієнт тертя визначали на лабораторній до- слідній машині моделі СМЦ–2. Дослідження проводили за схемою з відкритим кінематичним контуром, коли один із зразків нерухомий в режимах граничного тертя і без змащення. Схема контакту вал– вкладка. Контртіло – із сталі 45 ГОСТ 1050–88 з твердістю 45 НRC. Швидкість ковзання до 8 м/с при контактному тиску, в парі тертя, до 15МПа. В процесі дослідження встановлено, що коефіцієнт тертя спеченої сталі ШХ15 повільно зменшу- ється із збільшенням нормального навантаження (рис. 1). Це можна пояснити зменшенням модуля зсуву поверхневих шарів в результаті фрикційного нагрівання. а PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Триботехнічні характеристики композитів на основі порошку сталі ШХ15, отриманих із відходів машинобудування Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 82 б Рис. 1 − Коефіцієнт тертя (а) та зношування (б) сталі ШХ15, спеченої при різних температурах При навантаженні 4 МПа коефіцієнт тертя стабілізується. Високе значення коефіцієнта тертя при малих навантаженнях (fт ≈ 0,5 - 0,6) може бути зумовлено утворенням окисної плівки на поверхні зразків. Величина зношування у разі збільшення тиску зростає синхронно із зменшенням коефіцієнта те- ртя. В результаті збільшення навантаження в спеченій сталі ШХ15 практично зразу мають місце пласти- чна деформація і розрихлення поверхневого шару. Це може сприяти швидкому утворенню шару деградо- ваного матеріалу, що має невеликий модуль зсуву [5]. Тому при номінальному тиску біля 4 МПа інтен- сивність зношування визначається властивостями цього шару і приймає катастрофічний характер. Температура спікання при цьому не має суттєвого впливу на величину зношування. Відмічено, що лише при тиску, більшому за 4 МПа, зношування дещо зменшується у разі збільшення температури спікання. Причинами високого зношування спеченої сталі ШХ15 під час сухого тертя є: низька актив- ність процесу твердофазного спікання під час отримання матеріалу, що зумовлює недосконалу структуру і невисоку міцність; відсутність протизношувальних і антизадирних компонентів у матриці; висока тем- пература в зоні тертя, яка сприяє зношуванню. Для отримання антифрикційного матеріалу на базі переробленого порошку підшипникової сталі в початкову шихту водили порошки міді та графіту. В роботі [6] було визначено оптимальний склад ма- теріалу (4 мас.% міді, 2 мас.% графіту, решта порошок сталі ШХ15) і умови отримання спеченого мате- ріалу для втулки ковзання автомобільних стартерів. Для композиту порошок сталі ШХ15 – мідь – графіт, спресованого при 500 МПа коефіцієнт тертя (рис. 2, а) послідовно зменшується із збільшенням номіна- льного тиску під час тертя. Ця залежність аналогічна залежності коефіцієнта тертя спеченої сталі ШХ15 (рис. 1, а). Однак коефіцієнт тертя матеріалу ШХ15 – мідь – графіт менший за коефіцієнт тертя спече- ної сталі ШХ15 при однакових тисках, внаслідок наявності графіту і цементиту в структурі композиту. Саме наявність цих структурних складових підвищує зносостійкість композиту порівняно із зносостій- кістю сталі ШХ15 (рис. 1, б). Зношування при тиску до 5 МПа не є катастрофічним (рис. 2, б). Підвищення зносостійкості і відсутність катастрофічного зношування, порівняно із спеченою сталлю ШХ15, зумовлені також змен- шенням пористості, яка може регулюватися і тиском пресування. а б Рис. 2 – Залежність коефіцієнта тертя (а) і зношування (б) композиту ШХ15 – 2 (мас.)% С – 4 (мас.)% Сu від тиску PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Триботехнічні характеристики композитів на основі порошку сталі ШХ15, отриманих із відходів машинобудування Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 83 Досліджувався вплив тиску пресування на тертя композитів, що вивчаються. Дослідження на те- ртя проводили при тиску 4,5 МПа. Встановлено, що коефіцієнт тертя майже не залежить від тиску пресу- вання (рис. 3), а інтенсивність зношування послідовно зменшується. Більш висока температура спікання дещо збільшила зносостійкість і практично не вплинула на коефіцієнт тертя. а б Рис. 3 – Вплив тиску пресування і температури спікання на коефіцієнт тертя (а) і зношування (б) композиту ШХ15– 2 (мас.)% С – 4 (мас.)% Сu Розробка порошкового композиту, забезпечує високі характеристики міцності та зносостійкість, є одним із методів підвищення надійності високонавантажених вузлів тертя. Тому в роботі досліджува- лась можливість розробки матеріалу на основі раціонального поєднання структурних складових компо- зиту для вирішення цієї задачі. Для дослідження були вибрані втулки направляючі гальмівної важільної передачі залізнодорож- нього рухомого складу, що виготовляються із спеченого матеріалу ЖГР1, ПА–ЖГрДК ТУ РБ 05893818.263–97. Встановлено, що катастрофічні зміни геометричних розмірів втулки зумовлені двома факторами: 1 – високою пластичною деформацією спеченого малолегованого заліза високої пористості. Це підтверджується характером деформації при стиску зразків даного матеріалу, зокрема при напруженні тиску 600 МПа лінійні розміри змінюються на 10 % (рис. 4); 2 – підвищене зношування внаслідок тяжких умов експлуатації (попадання в зазор абразивних частинок і висока температура в плямі контакту). Також ці два фактори негативно впливають на змащування спряження, оскільки схлопування пор чинить опір доступу змазки в зону тертя. Для підвищення пружних характеристик спечених матеріалів необхідно зменшити деформуван- ня і абразивне зношування. Отримані пористі композиційні матеріали на основі порошку ШХ15 з вмі- стом 3 - 8 (мас.) % міді та 1 (мас.) % графіту задовольняють ці вимоги (рис. 4). При малих степенях де- формації (≈3 %) напруження лінійно залежить від деформації і досягає величини ≈ 600 МПа. Подальше збільшення навантаження супроводжується інтенсивним пластичним деформуванням. Найбільшу грани- цю міцності при стисканні ≈3000 МПа має композиційний матеріал із вмістом порошку ШХ15 – 94 (мас.) %, міді – 5 (мас.) %, графіту – 1 (мас.) %. PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Триботехнічні характеристики композитів на основі порошку сталі ШХ15, отриманих із відходів машинобудування Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 84 Рис. 4 – Залежність напруження стискання від деформації: 1 – зразок, виготовлений із стандартного матеріалу ЖГрД; 2 – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 96 % порошок сталі ШХ15, 1 % графіту, 3 % міді; 3 – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 94 % порошок сталі ШХ15, 1 % графіту, 5 % міді; 4 – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 91 % порошок сталі ШХ15, 1 % графіту, 8 % міді Для композиційного матеріалу із збільшеним вмістом вуглецю – 2 (мас.) % та вмістом порошку ШХ15 – 93 (мас.) %, міді – 5 (мас.) % збільшується лінійна ділянка залежності напруження від деформа- ції (рис. 5). Як видно з рисунка, при деформації 8 % напруження складає 1200 - 1400 МПа. Це дає мож- ливість прогнозувати більш високі експлуатаційні властивості виробів виготовлених із матеріалу такого складу. Подальше збільшення вмісту графіту до 3 (мас.) % в композиції не покращують досягнутих хара- ктеристик – межа пружності різко зменшилась, а ступінь допустимої деформації знизився. Рис. 5 – Залежність напруження стискання від деформації: 1 – зразок виготовлений із композиційного матеріалу – 95 (мас.) % порошок сталі ШХ15, 2 (мас.)% графіту, 3 (мас.)% міді; 2 – зразок виготовлений із композиційного матеріалу – 93 (мас.)% порошок сталі ШХ15, 2 (мас.)% графіту, 5 (мас.) % міді; 3 – зразок виготовлений із композиційного матеріалу – 90 (мас.)% порошок сталі ШХ15, 2 (мас.)% графіту, 8 (мас.)% міді Таке зниження властивостей міцності викликане: - утворенням крупних пор, які сформувалися в наслідок рідкої фази евтектичного складу під час спікання; - наявністю розшарування внаслідок великої кількості вільного графіту, частинки якого знижу- ють міцність металічного каркаса, подібно порам [7]. Структура спечених матеріалів, що містять 1 - 3 % (мас.) графіту і 3 - 8 (мас.) % міді, є компози- цією із феритно-перлітною матрицею, структурно-вільним графітом і включеннями міді (рис. 6). PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Триботехнічні характеристики композитів на основі порошку сталі ШХ15, отриманих із відходів машинобудування Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 85 а б в Рис. 6 – Композити, спечені у водні: а – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 91 (мас.)% порошок сталі ШХ15, 1 (мас.)% графіту, 8 (мас.)% міді; б – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 90 (мас.)% порошок сталі ШХ15, 2(мас.) % графіту, 8 (мас.)% міді; в – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 89 (мас.)% порошок сталі ШХ15, 3(мас.) % графіту, 8 (мас.)% міді Структура зразків із вмістом 1 (мас.)% графіту складається із зерен фериту і перліту, частинок міді та графіту (рис. 6, а). Твердість після спікання складала НV ≈ 1800 – 2200 МПа. Підвищення вмісту графіту до 2 (мас.)% насичує матеріал вуглецем, і структура матриці стає перлітною. Надлишок вуглецю утворює карбідну фазу, що розміщується у вигляді сітки по межі перлітних зерен (рис. 6, б). Твердість після спікання складала НV ≈ 2100 – 2300 МПа. У разі збільшення вмісту графіту в початковій шихті до 3 (мас.)% структура матриці залишається перлітною, проте збільшується кількість карбідної фази порі- вняно із шихтою з 2 (мас.) % вуглецю. По межі зерен видно карбідну сітку і ділянки, на яких карбіди ко- агулюються у великі скупчення (рис. 6, в). Наявність на границях зерен карбідної сітки не є прийнятною із-за крихкості карбідної складової. Твердість після спікання складала НV ≈ 2600 МПа. Зміна вмісту міді не суттєво впливає на структуру спечених зразків. Розподіл пор, графіту, наяв- ність цементитної сітки та характер зміни структури матеріалів із вмістом 3 - 8 (мас.)% міді аналогічні. Як відомо, водень зв’язує адсорбовані речовини на поверхні порошкових частинок і сприяє де- сорбції газів з поверхні графіту, це покращує розчинення графіту в залізі і сприяє утворенню цементиту. Тому спікання у водні збільшило швидкість насичення заліза вуглецем, а це призвело до утворення це- ментиту з більш високим його вмістом у композиті, ніж під час спікання в інших атмосферах. Триботехнічні характеристики отриманих композитів досліджувалися на зразках, просочених маслом И–40 А. Швидкість ковзання – 5 м/с, тиск – 10 МПа. Невисокий тиск вибрали із-за зношування спечених матеріалів залежно від фазового складу. При більш високому тиску зношування зазвичай су- проводжується крихким викришуванням частинок композиту, особливо при великому вмісті графіту. Критерієм зношування є зміна об’єму зразка залежно від шляху тертя. Об’єм вимірювали через рівні проміжки часу. Результати вимірювань зносостійкості наведено на рис. 7. Рис. 7 – Залежність зношування композиційних матеріалів від шляху тертя: 1 – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 94(мас.) % порошок сталі ШХ15, 1 (мас.)% графіту, 5(мас.) % міді; 2 – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 93 (мас.)% порошок сталі ШХ15, 2 (мас.)% графіту, 5 (мас.)% міді; 3 – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 95 (мас.)% порошок сталі ШХ15, 2 (мас.)% графіту, 3(мас.) % міді; 4 – зразок, виготовлений із композиційного матеріалу – 89 (мас.)% порошок сталі ШХ15, 3 (мас.)% графіту, 8 (мас.)% міді Більш високу зносостійкість має композит із вмістом графіту 3 (мас.) %. Це зумовлено високою твердістю спеченого матеріалу і наявністю карбідної сітки по межах зерен. Цей композит має і най- PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com Триботехнічні характеристики композитів на основі порошку сталі ШХ15, отриманих із відходів машинобудування Проблеми трибології (Problems of Tribology) 2012, № 3 86 менший коефіцієнт тертя, який в середньому становить 0,09. В інших композитах, що досліджувалися, коефіцієнт тертя та інтенсивність зношування вищі. Отримані експлуатаційні характеристики пов’язані з твердістю спечених зразків (табл. 1). Таблиця 1 Результати досліджень спечених композитів ШХ15–Сu–С на тертя Вміст міді в початкові шихті, (мас.) % Вміст вуглецю в початкові шихті, (мас.) % Твердість за Віккерсом, МПа Коефіцієнт тертя Об’ємне зношування, мкм3/м 5 1 1900 0,25 2 × 105 5 2 2150 0,15 0,43 × 105 3 2 2100 0,13 0,28 × 105 8 3 2300 0,09 0,12 × 105 Металографічне вивчення поверхні тертя після дослідження показало, що ефект полірування по- верхні відсутній, а зношування має в основному абразивний характер, що зумовлено наявністю великої кількості частинок зношування. Пори під час тертя замазувалися в наслідок попадання в них частинок зношування, а також із-за пластичного деформування приповерхневого шару. Низький тиск і наявність графіту на поверхні тертя виключають явище схоплювання поверхонь, яке спостерігається в процесі ад- гезійного зношування. Під час підвищення тиску адгезійного схоплювання також не спостерігалося. Висновки Розробка порошкового композиту, забезпечує високі характеристики міцності та зносостійкість, є одним із методів підвищення надійності високонавантажених вузлів тертя. Триботехнічні характерис- тики спечених порошкових матеріалів на основі порошку сталі ШХ15 для умов середніх навантажень в основному залежать від твердості композиції. Перевірено експериментально, що більш високу зносо- стійкість і найменший коефіцієнт тертя, який в середньому становить 0,09 має композит із вмістом гра- фіту 3(мас.) % та міді 8 (мас.)% при швидкості ковзання – 5 м/с, тиску – 10 МПа. Це зумовлено високою твердістю спеченого матеріалу НV ≈ 2300 МПа і наявністю карбідної сітки по межах зерен. Композицій- ний матеріал на основі порошку сталі ШХ15, отриманий за технологією Луцького НТУ, має задовільні триботехнічні властивості, що не поступається спеченому матеріалу залізо-графіт і більш високі харак- теристики міцності. Може використовуватися в якості антифрикційного для умов сухого тертя при помі- рних навантаженнях або у навантажених вузлах тертя, що працюють із змащенням, а також служити прототипом для розробки матеріалів різного конструкційного призначення. Література 1. Федорченко И.М. Композиционные спеченные антифрикционные материалы / И.М. Федорче- нко, Л.И. Пугина. – К.: Наукова думка, 1980. – 404 с. 2. Зозуля В.Д. Применение шлифовальных металлоабразивных отходов в порошковой металлур- гии / В.Д. Зозуля // Порошковая металлургия. – 1988. – № 3. – С. 95–99. 3. Разработка технологии получения композиционного порошка из шламовых отходов подшип- никового производства / Б. И. Бондаренко, В.П. Якубовский, Д.Н. Федоров [и др.] // Экотехнологии и ре- сурсо–сбережение. – 2002. – № 4. – С. 32-35. 4. Спосіб отримання металевого порошку з шламових відходів підшипникового виробницства: Патент на винахід 63558 А. Україна. МКИ 7 В22 F 3 / 04 / В.Д. Рудь, Т.Н. Гальчук, Повстяной О.Ю. – № 2003054065; Заявл. 06.05.03; Опубл. 15. 01. 04. Бюл. № 1. – 3 с. 5. Рудь В.Д. Теорія простих процесів стосовно структурно-неоднорідних матеріалів / В.Д. Рудь, Л.М. Клепач, Т.Н. Гальчук // Наукові нотатки: Міжвузівський збірник (за напрямом „Інженерна механі- ка”). – 2006. – Випуск 18. – С. 322-330. 6. Гальчук Т.Н. Властивості композицій на основі порошку сталі ШХ15, отриманого із шламових відходів підшипникового виробництва / Т.Н. Гальчук, В.Д. Рудь // Наукові нотатки: Міжвузівський збір- ник (за галузями знань „Машинобудування та металообробка”, „Інженерна механіка”, „Металургія та ма- теріалознавство”). – 2011. – Випуск 32. – С. 69-73. 7. S. Baneryee, P. Mukunda. Mechanism of carbon adsorption by iron during sintering of iron – graphite / S. Baneryee, P. Mukunda // Power Metallurgy – 1984. – V. 27, № 8.– Р. 93–96. Надійшла 04.07.2012 PDF created with pdfFactory Pro trial version www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com http://www.pdffactory.com