Где используется и где применяется порошковые материалы в металлургии
Области применения порошковых материалов
Порошковые материалы по назначению можно условно разделить на антифрикционные, фрикционные, электротехнические, конструкционные, инструментальные. В некоторых случаях принадлежности порошковых материалов к той или другой группе условны, так как материал по определенным признакам может одновременно принадлежать к нескольким названным выше группам.
Порошковые антифрикционные материалы
Антифрикционные материалы -- материалы, используемые в несущих или направляющих узлах, и обладающие повышенной износостойкостью и низким коэффициентом трения.
Антифрикционные порошковые материалы широко используются в машиностроении (в том числе в сельскохозяйственном машиностроении), приборостроении, промышленности (пищевой, фармацевтической и других её отраслях) в узлах, работающих в самых разных условиях эксплуатации.
Антифрикционные материалы в зависимости от условий работы должны обладать следующими свойствами:
1. хорошей начальной прирабатываемостью, т. е. время, необходимое для снижения коэффициента трения между подшипником и валом до заданной величины, должно быть минимальным;
2. высокими триботехническими свойствами (коэффициент трения должен быть ? 0,3 (в том числе при наличии смазки -- < 0,1), Pv (в зависимости от режима работы) -- от 20 до 40,0 МПа · м/с при скорости скольжения (v) от 2 до 200 м/с и нагрузках (Р) от 45 до 0,2 МПа);
3. способностью выдерживать нагрузку, скорость и температуру без разрушения и изменения формы и функциональных свойств;
4. способностью образовывать самосмазывающиеся или легко притирающиеся продукты истирания коллоидного характера (пленку), которые могут предохранить шейку вала от износа даже при затрудненной смазке;
5. меньшей твердостью, чем у шейки вала, причем твердость должна снижаться как можно меньше в процессе нагрева;
6. высокой теплопроводностью для хорошего отвода теплоты, получаемой при трении;
7. достаточной выносливостью или сопротивлением усталости;
8. достаточной вязкостью (в случае ударной нагрузки);
9. хорошими технологическими свойствами;
10. микропористостью или микрокапиллярностью, способствующей удержанию смазки на поверхности;
11. хорошими антикоррозионными свойствами.
Материалами, обладающими этими свойствами, долгое время являлись литые материалы на основе меди, главным образом, оловянистые бронзы. Однако они не всегда соответствуют эксплуатационным характеристикам современных машин и механизмов.
В настоящее время существует значительное количество порошковых антифрикционных материалов, которые используются в изделиях общего машиностроения, работающих в обычных условиях, и в изделиях специального назначения, эксплуатирующихся в сложных условиях.
Широкое распространение в производстве получили пористые подшипники скольжения на основе порошков железа и меди, изготавливаемые по традиционной для порошковой металлургии технологии.
Пористые антифрикционные материалы на основе железа являются самыми распространёнными. Они успешно конкурируют с литыми сплавами типа баббитов и бронз.
металлургия порошковый электротехнический инструментальный
Фрикционные материалы
В настоящее время большинство машин и механизмов оснащено фрикционными устройствами определенного назначения. Движение машины, ее остановка и маневрирование, изменение режима эксплуатации механизма и его управление невозможны без применения фрикционных тормозных либо передаточных устройств, работа которых во многом определяет технические характеристики машин и механизмов.
В связи с жесткими условиями работы тормозных устройств современных машин фрикционные материалы должны иметь:
1. высокую фрикционную теплостойкость, т. е. сохранение устойчивого значения коэффициента трения и незначительного износа в широком диапазоне температур;
2. достаточную стойкость к истиранию. Уровень требуемой износостойкости устанавливается в зависимости от условий эксплуатации и находится в пределах от 0,01…0,02 до 0,10…0,15 мкм за рабочий цикл;
3. достаточную коррозионную стойкость и способность не коррозировать с сопряженными деталями.
Кроме того, элементы фрикционной пары не должны схватываться (свариваться) как в процессе торможения, так и после него. Для таких материалов существенным является полное использование трущихся поверхностей, т. е. получение максимально возможной контактной поверхности. При этом видимая площадь трения должна составлять не менее 80 % номинальной, а поверхности трения должны быть гладкими (без задиров).
Особые требования предъявляются к фрикционным материалам и в отношении физико-механических свойств, т. е. фрикционные материалы должны обладать высокой механической прочностью при рабочих температурах. В процессе эксплуатации не должно происходить скалывания и расслоения, образования глубоких трещин и выкрашивания компонентов материала, которые могут нарушить нормальную работу узла.
В настоящее время наиболее полно всем этим требованиям отвечают порошковые фрикционные материалы, которые состоят из металлических и неметаллических компонентов. Металлические компоненты придают материалу прочность, неметаллические -- повышают коэффициент трения и уменьшают склонность к заеданию. Благодаря таким особенностям, эти материалы могут работать при высоких нагрузках и скоростях проскальзывания и характеризуются более высокой износостойкостью, чем другие фрикционные материалы.
Применение порошковых материалов во фрикционных узлах обеспечивает плавность их включения, стабильность коэффициента трения и повышенную долговечность.
Для работы в масле применяют разнообразные порошковые фрикционные материалы, в которых в качестве металлической связки используют медь, легированную, в основном, оловом или алюминием.
Для работы в тяжелых условиях эксплуатации (трение без смазки) применяют порошковые фрикционные материалы на основе железа. Эти материалы характеризуются более высокими фрикционными и механическими свойствами по сравнению с материалами на основе меди.
Основные области применения порошковых фрикционных изделий можно классифицировать следующим образом:
· а) передаточные устройства, работающие в сухую, - слабонагруженные (тракторы, станки и другие), средненагруженные (чеканочные и штамповочные прессы, промышленный транспорт, тормоза для работы без смазки), тяжелонагруженные (самолеты);
· б) сцепления, работающие со смазкой, - средненагруженные (автоматические трансмиссии, станки, управления тракторов) и тяжелонагруженные (силовые трансмиссии в тракторах).
Следует отметить, что в гидротрансмиссиях автомобилей БелАЗ применяют порошковые фрикционные диски с накладками из материала на основе меди. Максимальное давление в этих узлах достигает 10 МПа, а максимальная скорость - 60 м/с. В колесных тормозах автогрейдеров применение порошковых фрикционных дисков позволило увеличить срок службы тормозов в 10 раз.
Новые фрикционные материалы на основе порошковых материалов применяются в тормозах и предохранительных муфтах тракторов «Беларус». Срок службы узлов при этом увеличился до 8…10 тыс. часов.
Электротехнические материалы
Порошковые материалы применяются в электротехнике, электромашиностроении, автоматике и телемеханике, радиотехнике, радиоэлектронике и других отраслях промышленности. На основе порошковых материалов изготавливают различные детали со специальными свойствами.
В электротехнической промышленности широко применяют различные типы разрывных и скользящих контактов. Несмотря на имеющееся в настоящее время большое количество разработанных материалов для электрических контактов различного назначения, проблема создания высоконадежных электрических контактов полностью еще не решена. Требования, предъявляемые к материалу контактов, непрерывно возрастают и изменяются. Материалы должны быть стойкими (термически, химически и механически), иметь малое электрическое сопротивление (в том числе и контактное), обладать высокими теплопроводностью и эрозионной стойкостью при воздействии электрической дуги, сопротивляемостью свариваемости при замыкании и размыкании контактов.
Технологические приемы производства электрических контактов методом порошковой металлургии разнообразны и обеспечивают возможность получения изделий не только требуемого химического состава, но и заданной структуры, определяющей оптимальное сочетание их свойств.
Разрывные электрические контакты используют для замыкания электрических цепей в высоко- и низковольтных (в том числе и слаботочных) электрокоммутирующих аппаратах и приборах. Наиболее подходящими для применения в этих контактах являются следующие материалы: вольфрам, молибден, тантал и рений. Их свойства удовлетворяют многим требованиям, предъявляемым к контактным материалам: высокая температура плавления, повышенные прочностные характеристики, требуемые значения критических сил тока и напряжения, электроэрозионная стойкость, сопротивление свариваемости, а оксиды этих материалов летучи и электропроводны.
Однако данные металлы обладают малой электропроводностью и низкой теплопроводностью, а также высоким контактным сопротивлением. Этих недостатков лишены серебро, медь, золото, платина и другие металлы платиновой группы. Они имеют высокие электропроводность и теплопроводность, коррозионную стойкость, низкое контактное сопротивление. Эти металлы используют в промышленности как контактные материалы, хотя они и являются остродефицитными и дорогостоящими. Поэтому для изготовления разрывных контактов чаще всего применяют композиционные материалы.
По составу разрывные контакты делят на следующие:
1. металлические - одно- (Ag, W, Mo, Au, Pt и другие), двух- (Ag-Ni, Ag-Mo, Ag-W, Cu-W, Cu-Mo, Au-W, Au-Mo, Fe-Cu и другие), трех- и более компонентные (Ag-Ni-Cd; Ag-Ni-Cu; W-Cu-Ni; W-Ag-Ni; Fe-Cu-Bi; Ag-Pd-Au; Ag-Pd-Ni; Ag-Ni-Cd-Те);
2. металлографитовые (Ag-С; Сu-С);
3. металлооксидные (Ag-CdO; Ag-CuO; Ag-ZnO; Ag-ZrО2; Ag-Ta2О5; Ag-HfО2; Ag-Cr2O3; Ag-CdO-Al2O3; Ag-Ni-CdO; Ag-Cu-CdO и др.);
4. металлокарбидные, металлоборидные или металлонитридные (Ag- WC; W-WC; Cu-Ni-WC; Me-TiC; TiB2; TiN или Me- ZrB2, ZrN и др.).
Скользящие электрические контакты представляют собой пару трения, в которой, наряду с низким контактным сопротивлением, должен обеспечиваться и низкий коэффициент трения. При этом контактная пара не может состоять из однотипных материалов, так как в этом случае в условиях эксплуатации может происходить схватывание трущихся поверхностей. Твердость материалов, составляющих контактную пару, также должна быть различной. Желательно, чтобы материал токонесущего элемента был более твердым, чем материал подвижного контакта. Для улучшения антифрикционных свойств материала при сохранении его твердости и прочности в состав материала вводят твердые смазки (дисульфид молибдена, сульфид цинка, фтористый кальций, графит, селениды некоторых редких металлов и другие) или легкоплавкие металлы (например, галлий), которые становятся жидкими при работе контактной пары. Скользящие контакты применяют в виде пластин, стержней, цилиндров, проволочек и т. п. В качестве основы материала скользящего контакта чаще всего используют медь или серебро.
Наиболее распространенным методом получения таких материалов является прессование и спекание шихты из порошка меди с различными углеродосодержашими материалами. Многие металлографитовые щетки изготавливают из смесей порошков меди и природного графита. Большая часть щеток (кроме графита) содержит и другие углеродистые составляющие, которые вводят для повышения прочности, улучшения износостойкости и снижения контактного сопротивления. Такими добавками являются пек, сажа или коксовая мелочь, резина.
Магнитно-мягкие материалы широко применяют в электро- и радиотехнике, автоматике и телемеханике, радиоэлектронике, приборостроении. Изготовление магнитно-мягких изделий литьем трудоемко, а потери материала составляют до 60…80 %. При этом себестоимость магнитно-мягких спеченных деталей на 30…60 % ниже себестоимости тех же деталей, изготовленных из компактного материала путем обработки на металлорежущих станках.
В промышленности наиболее применяемыми магнитно-мягкими материалами являются чистое железо, сплавы железа с никелем (типа пермаллоя), с кремнием и алюминием (типа альсифера), с хромом или алюминием и др. Сплавы типа пермаллоя получают из механической смеси порошков, а также из порошков, полученных путем совместного осаждения карбонилов железа и никеля.