АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА, НИКЕЛЯ И УГЛЕРОДА
АНТИФРИКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ КАРБИДА ВОЛЬФРАМА, НИКЕЛЯ И УГЛЕРОДА
Вольфрамоникелевые композиционные материалы типа ВН8 Гр2, ВН20 Гр6 и др., содержащие до 6% масс. углерода, выпускаемые по ТУ 88 Украины 90.1067–89, нашли широкое применение в производстве элементов торцевых уплотнений и узлов трения, работающих в сложных условиях динамического нагружения, высоких контактных давлений и скоростей.
Важным обстоятельством для обеспечения благоприятных условий длительной эксплуатации высоконагруженных узлов трения является наличие в составе и структуре таких материалов углерода, выполняющего роль твердой смазки, и обеспечивающего низкий коэффициент трения. Основной сложностью технологии получения композиционных материалов такого состава является достижение равномерного распределения углерода по всему объему образца, что влияет, в конечном итоге, на физико-механические характеристики получаемых изделий.
В настоящее время разработана технология получения аналогов материалам ВН8 Гр2, ВН20 Гр6 и др. с улучшенными физико-механическими и служебными свойствами, позволяющяя организовать опытное и мелкосерийное производство порошковых смесей, получивших название ВНС8–2, ВНС20–6 и т. д., для изготовления антифрикционных изделий.
В таблице 1 представлен химический состав вольфрамоникелевых композиционных материалов ВН20 Гр2, ВН20 Гр4 и композиционных порошковых материалов, полученных по новой технологии, а в таблице № 2 приведены их некоторые физико-механические характеристики. В структуре спеченного вольфрамоникелевого композиционного материала ВНС20–2 частицы углерода имеют размер менее 0,5 мм, которые распределены достаточно равномерно и образуют конгломераты значительно меньших размеров, которые также равномерно распределены по всему объему образца. Это, по нашему мнению, и приводит к более высоким значениям предела прочности при изгибе и твердости HRA, значения которых приведены в таблице 2.
Значительный интерес при выборе антифрикционных материалов для проектирования узлов трения имеет величина трения покоя двух тел при их микросмещениях относительно друг друга. Известно, что внешние условия (нагрузка, скорость, шероховатость, температура) влияют на величину трения покоя не меньше, чем природа трущихся тел, меняя его в несколько раз.
Было проведено определение неполной силы трения (трения покоя) новых антифрикционных порошковых твердых сплавов на основе карбида вольфрама, никеля и углерода при изменении внешних условий.
Исследования проводились на установке УИТП, кинематическая схема которой показана на рис. 1.
Величина нагружения испытуемой пары трения фиксировалось с помощью образцового динамометра ДОСМ3–02, а усилие сдвига измерялось электронным блоком динамометра АЦД/1 Р.
Расчет коэффициента трения покоя определялся по формуле:
К о = Р 1 /Р 2 ,
где Р 1 — сила сопротивления при относительном перемещении одного тела по поверхности другого под действием внешней силы (усилие сдвига), кг;
Р 2 — нормальная сила, прижимающая тела друг к другу (усилие нагрузки), кг.
В таблице 3 представлены значения коэффициента трения покоя пар трения в зависимости от величины нагрузки, времени выдержки под нагрузкой и шероховатости поверхности. Показано, что коэффициент трения покоя практически не зависит от времени выдержки под нагрузкой в интервале значений времени от 5 до 60 минут.
В таблице 4 приведены значения коэффициента трения покоя пар трения в зависимости от величины нагрузки, и шероховатости поверхности при времени выдержки под нагрузкой 15 минут.
В ходе проведенных исследований рассчитаны зависимости коэффициента трения покоя от величины нагрузки и времени выдержки под нагрузкой для различных пар трения.
Полученные данные позволяют сделать вывод о том, что вольфрамоникелевые композиционные материалы типа ВНС8–2, ВНС20–6 и др., могут быть рекомендованы в качестве антифрикционных материалов при изготовлении торцевых уплотнений и узлов трения взамен композиционных материалов ВН8 Гр2, ВН20 Гр6 и др., выпускаемых по ТУ 88 Украины 90.1067–89.
В настоящее время разработаны и согласованы с заинтересованными предприятиями ТУ «Изделия антифрикционные из порошковых твердых сплавов», которые распространяются на детали подшипниковых узлов из предлагаемых порошковых композиционных материалов, изготовленных по новой технологии.
Таблица 3. Зависимость К0от величины нагрузки и времени выдержки под нагрузкой
|
№ п/п |
Пара трения |
S = 26 кг/см3 |
S = 52 кг/см3 |
S = 78 кг/см3 |
R, мкм |
|||
|
т, мин |
К0 * 10-2 |
т, мин |
К0 * 10-2 |
т, мин |
К0 * 10-2 |
|||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
|
1 |
ВН20Гр2 ВН20Гр 4 |
5 |
2.3 |
5 |
1,6 |
5 |
1.9 |
4.2-5 (5кл) 14-18 (Зкл) |
|
15 |
2.0 |
15 |
1,8 |
15 |
1.9 |
|||
|
30 |
2.1 |
30 |
1,8 |
30 |
1.8 |
|||
|
60 |
2.1 |
60 |
1.8 |
60 |
1.8 |
|||
|
2 |
ВНС20-2 ВНС 20-4 |
5 |
1,2 |
5 |
1,2 |
5 |
1.3 |
0.51-0,78 <7-8кл) 0.46-032 (8кл) |
|
15 |
1,2 |
15 |
1.1 |
15 |
1.3 |
|||
|
30 |
1,3 |
30 |
1.2 |
30 |
1.3 |
|||
|
60 |
1.3 |
60 |
1.1 |
60 |
1.3 |
|||
|
3 |
ВНС20-2 ВНС20-2 |
5 |
1.2 |
5 |
1.4 |
5 |
1.3 |
0,51-0.78 (7-8кл) |
|
15 |
1.2 |
15 |
1.4 |
15 |
1.4 |
|||
|
30 |
1.1 |
30 |
1.0 |
30 |
1.2 |
|||
|
60 |
1.1 |
60 |
1.3 |
60 |
1.2 |
|||
|
4 |
ВНС20-4 ВНС20-4 |
5 |
1.6 |
5 |
1.5 |
5 |
1.3 |
0.46-0,52 (8кл) |
|
15 |
1.5 |
15 |
1.4 |
15 |
1.3 |
|||
|
30 |
1,5 |
30 |
1.3 |
30 |
1.3 |
|||
|
60 |
1,5 |
60 |
1.3 |
60 |
1.3 |
|||
|
5 |
ВНС20-6 ВНС20-6 |
5 |
1.9 |
5 |
2.0 |
5 |
1.6 |
0.66-0,78 (7-8кл) |
|
15 |
1.8 |
15 |
1,9 |
15 |
1.7 |
|||
|
30 |
1,8 |
30 |
2.3 |
30 |
1.8 |
|||
|
60 |
2.0 |
60 |
2.3 |
1.8 |
||||
|
6 |
ВНС8-2 ВНС8-2 |
5 |
1.9 |
5 |
1.7 |
5 |
1.5 |
032-0.78 (7-8кл) |
|
15 |
1.9 |
15 |
1.6 |
15 |
1.6 |
|||
|
30 |
1,8 |
30 |
1.7 |
30 |
1.6 |
|||
|
60 |
1.9 |
60 |
1.6 |
60 |
1.6 |
|||
|
7 |
ВНС8-4 ВНС8-4 |
5 |
1.6 |
5 |
1.6 |
5 |
1.4 |
038-0.66 (7-8кл) |
|
15 |
1.6 |
15 |
1.6 |
15 |
1.5 |
|||
|
30 |
1,9 |
30 |
1.6 |
30 |
1.7 |
|||
|
60 |
2.0 |
60 |
1.5 |
60 |
1.7 |
|||
|
Таблица № 1. Химический состав материалов |
|
|||||||||||
|
№ п/п |
Обозначение материала |
Состав, в об.%, ± 3% |
|
|||||||||
|
Карбид вольфрама |
Никель |
Углерод |
|
|||||||||
|
1 |
ВН 20Гр2 |
62 |
28 |
10 |
|
|||||||
|
2 |
ВН 20Гр4 |
54 |
26 |
20 |
|
|||||||
|
3 |
ВНС 20-2 |
62 |
28 |
10 |
|
|||||||
|
4 |
ВНС 20-4 |
54 |
26 |
20 |
|
|||||||
|
5 |
ВНС 20-6 |
49 |
24 |
27 |
|
|||||||
|
6 |
ВНС 8-2 |
76 |
12 |
12 |
|
|||||||
|
7 |
ВНС 8-4 |
67 |
11 |
22 |
|
|||||||
|
Таблица 2. Физико-механические свойства материалов |
|
|||||||||||
|
№ п/п |
Обозначение материала |
Твердость по Роквеллу (НКА) |
Предел прочности при изгибе (оизг.), МПа(кг/мм2) не менее |
Плотность (У),г/см3 |
Коэффициент термического расширения (а* 10-6), град-1 |
|||||||
|
1 |
ВН20 Гр2 |
70,0 |
1078(110) |
11,7-12,2 |
- |
|||||||
|
2 |
ВН20 Гр4 |
50,0 |
539(55) |
10,3-10,9 |
- |
|||||||
|
3 |
ВНС 20-2 |
79,0-79,5 |
1176(120) |
11,5-12,8 |
5,65-6,88 |
|||||||
|
4 |
ВНС 20-4 |
71,0-75,0 |
1078(110) |
11,2-11,3 |
5,84-6,83 |
|||||||
|
5 |
ВНС 20-6 |
56,5-57,0 |
588(60) |
9,03-9,6 |
5,85-6,92 |
|||||||
|
6 |
ВНС 8-2 |
85,0-87,0 |
980(100) |
13,2-13,4 |
4,82-5,81 |
|||||||
|
7 |
ВНС 8-4 |
68,0-72,0 |
490(50) |
9,6-10,3 |
6,45-8,83 |
|||||||
|
Таблица 4.Зависимость К0 от величины нагрузки и шероховатости поверхности |
|
|||||
|
п/п |
Пара трения |
S = 26 кг/см3 |
S = 52 кг/см3 |
S = 78 кг/см3 |
R, мкм |
|
|
К0 * 10-2 |
К0 * 10-2 |
К0 * 10-2 |
||||
|
1 |
ВН20Гр2 ВН20Гр 4 |
1,64 |
1.6 |
1.25 |
0,87-0,89(7 кл ) 0.82-0,93(7 кл ) |
|
|
2 |
ВНС20-2 ВНС 20-4 |
1.3 |
1,21 |
1.15 |
0.13-0,14(10кл) 0,17-0.2(9кл) |
|
|
3 |
ВНС20-2 ВНС20-2 |
1.74 |
1.75 |
1.65 |
0,13-0.14(10 кл ) |
|
|
4 |
ВНС20-4 ВНС20-4 |
1.82 |
1,88 |
1.92 |
0.17-0.2 (9кл) |
|
|
5 |
ВНС20-6 ВНС20-6 |
1.93 |
2.0 |
1.78 |
0,27-0.34(8-9кл) |
|
|
6 |
ВНС8-2 ВНС8-2 |
1,70 |
1.69 |
1.65 |
0,13-0,14(10кл) |
|
|
7 |
ВНС8-4 ВНС8-4 |
2.36 |
2.22 |
2.02 |
0,26-0,34(8-9кл) |
|
|
8 |
ВНС20-4 ВНС8-2 |
1.86 |
1.79 |
1.78 |
0.17-0,20(9кл) 0,13-0,14(10кл) |
|