Вдосконалення технології виготовлення матеріалів триботехнічного призначення із відходів машинобудівного виробництва

Встановлено, що в результаті особливої геометричної форми частинок порошку та їх підвищеної твердості, матеріали із порошку сталі ШХ15 мають високу пористість, що призводить до збільшення усадки при спіканні. Із зростанням температури спікання усадка збільшується, а пористість матеріалу незначно зменшується (табл. 1). Саме висока пористість та низькі механічні властивості спеченої сталі ШХ15 зумовлюють її інтенсивне зношування під час тертя. Введення 1% міді не впливає суттєво на зміну густини пресовки, а 3% міді покращує процес ущільнення порошку і підвищує густину пресовки (табл. 2).

 

 

 

Вплив тиску пресування і температури спікання на густину, мікроструктуру і механічні властивості спечених композитів досліджувався на початковій шихті: 94% порошок сталі ШХ15 – 2% графіту – 4% міді.

В результаті дослідження було встановлено, що введення графіту і міді в стальний порошок знижує пористість пресовки, збільшує твердість спечених зразків і усадку в процесі спікання, змінює фазовий склад і, в результаті, покращує механічні властивості. Температура спікання вказаного композиту несуттєво впливає на його механічні властивості.

Визначення допустимої границі нормального тиску під час тертя ковзання для спеченої сталі ШХ15 без змащування показало, що коефіцієнт тертя повільно зменшується із збільшенням нормального навантаження, у зв’язку із зменшенням модуля зсуву поверхневих шарів в результаті фрикційного нагрівання.

Величина зношування при збільшенні тиску зростає синхронно із зменшенням коефіцієнта тертя. Температура спікання при цьому не має суттєвого впливу на величину зношування.

Для композиту сталь ШХ15 – мідь – графіт коефіцієнт тертя послідовно зменшується із збільшенням номінального тиску під час тертя аналогічно спеченій сталі ШХ15 (рис. 6, а). Однак він є менший від коефіцієнта тертя спеченої сталі ШХ15 при однакових тисках, внаслідок наявності графіту і цементиту в структурі композиту. Саме наявність цих структурних складових і зменшення пористості, яка регулюється тиском пресування, підвищують зносостійкість композиту в порівнянні із зносостійкістю сталі ШХ15 (рис. 6, б).

а) б)

Рис. 6. Залежність коефіцієнта тертя (а) і величини зношування (б) композиту ШХ15 – 2% С – 4% Сu від тиску

Встановлено, що коефіцієнт тертя майже не залежить від тиску пресування, а інтенсивність зношування послідовно зменшується. Більш висока температура спікання дещо збільшує зносостійкість і практично не впливає на коефіцієнт тертя (рис. 7).

а) б)

Рис. 7. Вплив тиску пресування і температури спікання композиту 94% ШХ15- 2% С – 4% Сu на: а – коефіцієнт тертя; б – величину зношування

На основі результатів дослідження в цілях виявлення оптимального складу композитів на основі порошку сталі ШХ15 та його впливу на триботехнічні характеристики використаний метод математичного планування активного експерименту із врахуванням таких факторів: х1 – вміст порошку сталі ШХ15 в шихті, % (мас.) ; х2 – вміст міді в шихті, % (мас.). ; х3 – вміст графіту в шихті, % (мас.) ; х4 – величина тиску, МПа. В якості параметрів оптимізації вибрано Y1 – коефіцієнт тертя та Y2 – зношування, мкм/км.

Отримано рівняння регресій, що з високим ступенем адекватності описують залежність параметрів оптимізації від значень факторів, що варіюються:

Y1=0, 2925 + 0, 0175Х1 – 0, 0325Х2 – 0, 0125Х3 – 0, 0325Х4 – 0, 0375Х23.

Y2=1268, 75+406, 25Х1 + 218, 75Х4 -256, 25 Х12-331, 25Х13+306, 25Х23.

Оптимізовано склад композиційного порошкового матеріалу із порошку сталі ШХ15 з добавками міді та графіту (рис. 8) : основа – порошок сталі ШХ15, отриманий із шліфошламів, вміст графіту 1-3% та міді 3-8% із задовільними триботехнічними характеристиками, що не поступаються традиційним матеріалам.

а) б)

Рис. 8. Карта контурів рівня залежності (а) коефіцієнта тертя та (б) зношування від вмісту міді та порошку ШХ15 в композиті (вміст С-2%, тиск 3МПа)

Примітка. По горизонталі вказано інтервали варіації вмісту міді, % (мас.). По вертикалі вказано інтервали варіації вмісту порошку сталі ШХ15, % (мас.).

П’ятий розділ присвячений розробці технології отримання композиційних матеріалів триботехнічного призначення на основі раціонального поєднання структурних складових композиту.

Дослідження показали, що для композитів на основі порошку сталі ШХ15 з вмістом 3-8% міді та 1% графіту при малих степенях деформації (≈3%) напруження лінійно залежить від деформації і досягає величини ≈ 600 МПа. Найбільшу границю міцності при стисканні ≈3000 МПа має композиційний матеріал із вмістом порошку ШХ15 – 94%, міді – 5%, графіту – 1% (рис. 9).

 

 

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 вмістом вуглецю – 2% та вмістом порошку ШХ15 – 93%, міді – 5% при деформації 8% напруження складає 1200-1400 МПа (рис. 10). Це дає