5.8. Антифрикционные материалы на основе железа.

Основные задачи, возникающие при замене литых антифрикционных материалов порошковыми, следующие: замена традиционных подшипниковых сплавов, содержащих в себе дефицитные металлы (олово, сурьму, свинец и другие), на менее дорогие и недефицитные при одновременном удовлетворении необходимых требований; получение при малом коэффициенте трения высокой износостойкости; обеспечение при работе самосмазываемости, быстрой прирабатываемости, а также удлинение срока службы при обычных температурах, малых и средних скоростях скольжения и давлениях, при криогенных и высоких температурах и скоростях скольжения свыше 100 м/с и давлениях более 10 МПа. При работе в коррозионных средах они должны быть коррозионно-стойкими, а при высоких температурах обладать повышенной окалиностойкостью. Обеспечение поставленных требований осуществляется путем создания антифрикционных материалов, на основе железа, цветных металлов, твердых сплавов, коррозионно-стойких материалов.

В настоящее время антифрикционные порошковые материалы на основе железа находят широкое применение при изготовлении подшипников скольжения в автомобильном и сельскохозяйственном машиностроении, в легком и текстильном машиностроении, приборостроении и т. д.

Железографитовые подшипники, содержащие 0,5-4% графита и 15-30% пор, могут работать при давлениях до 5 МПа и скоростях скольжения до 1,0-2,0 м/с. В таких условиях они успешно заменяют подшипники на основе бронз и баббитов, а замена 1 т литых подшипников из бронзы и баббитов порошковыми дает экономию до 4 тыс. руб.

Таблица 13.

Состав и свойства антифрикционных порошковых материалов на железной основе.

Обозначение материала	Химический состав, массовая доля %				Плотность, г/см2	Пористость, %
	Железо	Графит	Медь	Прочие вещества
Ж - пористое железо	100	-	-	-	5,1-6,6	15-30
ЖГр 0,5-0,8 пф	99,5-99,2	0,5-0,8	-	-	7,3-6,6	6-26
ЖГр1,5-2,3 п	98,5-97,7	1,5-2,3	-	-	6,6-5,8	15-35
ЖГр1,3-3,0 п	97,7-97,0	2,3-3,0	-	-	6,2-5,6	17-35
ЖГр5	95,0	5,0	-	-	6,0-5,5	16-19
ЖГр7	93,0	7,0	-	-	6,0-5,4	18-25
ЖГр10	90,0	10,0	-	-	6,0-5,4	21-23
ЖГр2Д2, 5п	95,5	2,0	2,5	-	6,9-5,9	15-32
ЖГр1Дз	94,0	1,0	3,0	-	-	15-20
ЖГр2Д10	88,2	1,8	10,0	-	-	20-27
ЖС	-	-	-	Пропитка серой	6,3-6,2	20
ЖГр3К1	96,0	3,0	-	Сера 1,0	-	15-25
ЖГр1Цс4п	95,0	1,0	-	Сульфид цинка 14,0	6-5,4	15-20
ЖГр1Дс3,5	95,5	1,0	-	Сульфид меди 3,5	6,4-6,2	18-25
ЖГр2Дс3,5	94,5	1,8	-	То же	-	18-25
Х23Н18КБ	-	-	-	Сульфидирование	-	19-20

Продолжение табл. 13.

Прочность, МПа			НВ, МПа	Допустимая рабочая температура, ◦С
при растяжении	при изгибе	при сжатии
90-200	160-200	640-690	340-500	70-80
95-460	-	-	637-785	70-80
78-348	98-590	390-785	540-1275	80-100
69-275	80-440	490-680	295-1420	100-150
226-255	356-456	-	785-960	100-150
147-186	196-319	490-550	245-736	100-180
84-147	142-231	-	412-569	100-180
190-270	330-390	600	600-1500	250
300	300-400	750-900	900-1200	180-200
125-380	-	860	600-1500	100-120
140	180	800	500-700	100
100	-	450	900-1200	100-200
180-200	-	800	900-1200	100-200
300-250	-	900	700-1200	150-200
200	-	-	460-1000	200
-	190-198	880-900	-	-

Железографитовые материалы, содержащие сернистый цинк (до 4%), медь, серу, сульфиды, олово и т. п., могут работать при давлениях до 10-20 МПа и скоростях скольжения до 5-9 м/с. В табл. 13 приведены составы и свойства широко применяемых в промышленности порошковых антифрикционных материалов на железной основе.

При введении в состав порошковых антифрикционных изделий на железной основе графита, сульфидов, фторидов, фторопласта, оксидов и других соединений, выполняющих роль твердых смазок, увеличиваются антифрикционные свойства изделий и продолжительность их срока службы. Пропитка пористых антифрикционных изделий маслами (при наличии в них твердых смазок) обеспечивает надежность работы узла трения не только при нормальных условиях, но и в условиях ограниченной смазки, повышенных температур, в присутствии агрессивных и инертных жидких и газовых сред, а также в вакууме.

Материалы на основе железа (пористое железо, железографит) в основном используются для изготовления изделий, работающих в присутствии смазки, которая, повышая их работоспособность, одновременно увеличивает коррозионную стойкость. Для работы при температурах выше 150-200 °С в условиях повышенных скоростей скольжения и высоких нагрузок, а также в условиях трения без смазки применяются материалы на основе высоколегированного железографита и сульфидизированного железографита, сульфидизированных антикоррозионных сталей.

Технология изготовления антифрикционных порошковых деталей не имеет существенного отличия от общей технологии изготовления порошковых изделий. После спекания для получения заданных размеров и чистоты поверхности они могут подвергаться калиброванию и механической обработке, а для повышения эксплуатационных свойств — термической и химико-термической обработкам.

Температура спекания антифрикционных изделий определяется их составом и, прежде всего, содержанием в исходной порошковой смеси графита. При содержании графита до 1,0-1,5% температура спекания колеблется в интервале 1100-1200 °С, и при содержании графита более 1,5% — в интервале 1050-1150°С. Введение в антифрикционные изделия твердых смазывающих веществ может производиться как в виде порошков при приготовлении порошковой смеси (из дисульфидов металлов, нитридов, боридов, сульфидов, графита, серы, оксидов и т. п.), так и в поры спеченных изделий путем их пропитки. Например, пропитка серой производится при температуре 120-130°С; после этого осуществляется отжиг при температуре 300-450 °С в течение 40-60 мин, при котором происходит образование сульфидов соответствующих металлов.

Минеральные жидкие смазки вводятся в поры после спекания путем пропитки изделий в масле при 100-120°С в течение 2-4 ч. При пористости 25-30% количество впитываемого масла составляет 3,0-3,5% по массе.

Микроструктура железографитовых антифрикционных изделий в зависимости от содержания углерода в смеси и активности диффузионных процессов при спекании может быть ферритно-перлит-ной, перлитно-цементитной и перлитной. Наиболее приемлемой структурой является перлитная с массовой долей связанного углерода около 1% и свободного графита — около 1,5%. При такой структуре допускаются наиболее высокие скорости и нагрузки при наименьшем износе подшипников. Пластинчатый перлит, представляя собой твердые включения пластин цементита в феррите, образует на поверхности трения зубчатый микрорельеф, по впадинкам которого хорошо поступает смазка.

При ферритной структуре допускаются более низкие нагрузки и скорости. Недостатками ее являются 0ыстрый износ и налипание материала втулки на сопряженную деталь, что увеличивает коэффициент трения и приводит к закрытию пор в детали.

Перлитно-цементитная структура повышает износостойкость и коэффициент трения, вызывает большой износ сопряженной детали. В связи с этим в структуре антифрикционных изделий не допускается повышенное содержание свободного цементита;

Особенно повышаются прочностные свойства антифрикционных изделий при легировании их медью, никелем и другими элементами. Например, сульфидирование втулок из антикоррозионных сталей путем пропитки серой и последующего их спекания в боросодержащих засыпках обеспечивает их работу в качестве антифрикционных изделий при температурах 550-600 °С и давлении выше 10 МПа.

Антифрикционные свойства изделий зависят от условий работы и от присутствия в них смазки. При удовлетворительной смазке коэффициент трения железографитовых материалов находится в пределах 0,005-0,09, при ограниченной смазке - 0,02 - 0,125. В качестве порошковых уплотнительных материалов, устраняющих зазоры в турбинах, насосах, компрессорах и т. п., применяются порошковые материалы на основе железа, алюминия, никеля и других металлов.