Технические науки/1. Металлургия

Жигуц Ю.Ю., Кундрик Т.Т., Косюк Л.І.

ДВНЗ «Ужгородський національний університет», Україна

ТЕРМІТНИЙ АНТИФРИКЦІЙНИЙ ЧАВУН

Вступ. Антифрикційні чавуни використовують для різних деталей, які працюють як пари тертя (наприклад, підшипники ковзання) у присутності змащувальних речовин, що запобігають безпосередньому контакту поверхням тертя. Враховуючи, що чавун в 3,3…18 разів дешевше, ніж інші антифрикційні матеріали (за виключенням гуми) він може бути перспективним при використанні.

Поставлена проблема. Ґрунтовне літературне і патентне дослідження, а також експериментальні і практичні дані свідчать, що чавун, як порівняно дешевий матеріал, не тільки може служити замінником бронзи і бабітів, але чавунні деталі виявляються й більш надійними у роботі. З точки зору теорії антифрікційності, властивості матеріалів розглядаються в основному з врахуванням їх взаємодії із матеріалом. Тому антифрикційні матеріали повинні забезпечувати: достатньо високу зносостійкість; хорошу припрацьовитість; високу статичну і динамічну міцність при підвищених температурах; хорошу змочуваність оливою і адгезійне утримування оливи на поверхні, високу міцність плівки оливи на поверхні металу; геометричну будову поверхні, яка повинна покращувати утримування і подачу оливи у зону тертя. Це далеко не повний перелік вимог, що висувається до антифрикційних матеріалів, але він свідчить про складність проблеми вибору антифрикційного матеріалу. Зрозуміло, що жоден з використовуваних на даний час матеріалів не задовольняє всім вищеназваним вимогам.

Саме тому слід ще раз звернути увагу, в цьому контексті, на унікальні властивості антифрикційного чавуну – високу зносостійкість, високі ливарні властивості і відносно малу собівартість. Це вимагає комплексного і систематичного дослідження властивостей і структури термітних антифрикційних чавунів, а також виявлення умов найбільш раціонального їх використання. На жаль, невисока припрацьовуваність чавунів приводить до обмеження допустимих швидкостей ковзання, а також питомих тисків у процесі експлуатації пари тертя одним з елементів якого є антифрикційний чавун.

Поєднуючи вищеозначені переваги термітних антифрикційних чавунів з металотермічними способами їх отримання, можна отримати оптимальні галузі їх застосування. До переваг металотермічних способів синтезу відносяться: автономність технологічного процесу, а саме незалежність від джерел електроенергії, складного обладнання. Крім того їм притаманна висока продуктивність, малий час горіння, незначні витрати на підготовку і організацію технологічного процесу синтезу, легкість переходу від експериментальних досліджень до промислової організації виробництва.

Метою роботи було розробити економічний антифрикційний матеріал, який синтезується термітними методами, тобто вміщує всі переваги синтезу металотермією і придатний для литва та ремонту деталей пар тертя.

Вихідні матеріали та методика розрахунку шихти. Металотермічні способи засновані на процесі горіння шихти, яка складається з залізної окалини (Fe₃O₄) і порошку алюмінію та феродомішків легуючих елементів, вуглецю та ін. Для покращення проходження процесу горіння у склад шихти додається 2…3% польового шпату (СаF₂) або просіяного битого скла.

Матеріали для компонування металотермічної суміші: ферохром ФХ65-7А ГОСТ 4757079; феросиліцій ФС65Ал3,5 ГОСТ 1415-78; порошок алюмінієвий ПА-3–ПА-6 ГОСТ 6058-73 та просіяне мливо алюмінієвої стружки; феромарганець ФМн70 ГОСТ 4761-80; феротитан ФТи30А ГОСТ 4761-80; порошок титановий хімічний ПТХ-1 ТУ 48-10-78-83; залізна окалина (ковальського і прокатного виробництв) з середнім хімічним складом (% за масою): 0,05 С; 0,10–0,35 Si; 0,10–0,35 Mn; 0,01–0,03 S; 0,01–0,03 P; 40–50 Fe₂O₃; 50–60 FeO та ін. Для визначення маси металевого зливка і виходу металу з шихти були проведені плавлення у металотермічному реакторі з різним процентним співвідношенням компонентів у суміші. Ініціювання процесу горіння проводилося спеціальним титановим запалом виготовленим з порошку титанового хімічного ПТХ-2 ТУ 48-10-78-83. Шихта попередньо розраховувалася за стехіометричним співвідношенням компонентів реакції, а у наступному враховували засвоєння окремих компонентів реакції за допомогою коефіцієнтів [2]. Після плавлення відділяли метал від шлаку, оцінюючи структуру шлаку, і проводили контрольне зважування, досліджувався синтезований зливок. Хімічний склад термітних антифрикційних чавунів показано в табл. 1.

Таблиця 1

Хімічний склад термітних антифрикційних чавунів, аналогів промисловим

Марка	Вміст елементів, мас. %
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Ti	Cu
АС4-1								-
АС4-2
АС4-3
АВ4-1						-	-	-
АК4-1							-	-	-

Експериментальні дослідження. При порівнянні поведінки чавунів при режимі експлуатації, то підвищення температури викликає у чавуні порівняно менші зміни сили тертя і коефіцієнта тертя ніж у бронз і бабітів. А зміна швидкості обертання у чавунів викликає зовсім інші якісні зміни, порівняно з іншими антифрикційними матеріалами. Так, якщо коефіцієнт тертя у бронз і бабітів монотонно зменшується із зростанням швидкості обертання, то цей показник для термітних чавунів після незначного зниження із зростанням швидкості обертання різко збільшується, особливо при досягненні швидкості 8м/с (рис. 1). Поєднання цих особливостей із врахуванням значної міцності та інших властивостей створює передумови для вирішення проблеми вибору відповідної марки чавуну для використання у парі тертя.

Рис. 1. Вплив температури на силу тертя для різних матеріалів: – бронзи; – бабіту; х – чавуну

Як правило, чавуни [1] поділяють на дві групи: 1) зносостійкий конструкційний чавун, призначений для деталей, що працюють в умовах тертя у присутності мастила при жорстких вимогах до щільності, міцності, теплостійкості і т.д. (використовується для таких деталей, як циліндри, поршні, станини, зубчасті колеса); 2) антифрикційний чавун призначений для деталей, що працюють в опорах – вузлах тертя.

Експериментальні дослідження дозволяють зробити прогноз, що термітні антифрикційні чавуни можуть працювати навіть при особливо великих навантаженнях (до 1500…300 МПа), значних колових швидкостях (до 5 м/с) та підвищених температурах (до 300°С) [3]. Дослідження службових властивостей термітних антифрикційних чавунів виявило залежності не тільки сили тертя від температури, але і впливу температури (рис. 2) та швидкості обертання на коефіцієнт тертя (рис. 3).

Рис 3. Вплив швидкості обертання на коефіцієнт тертя для: – бронзи; – бабіту; x – чавуна

Рис 2. Вплив температури на коефіцієнт тертя для: – бронзи; – бабіту; x – чавуну

Ці характеристики у порівнянні з бронзою і бабітом дозволяють правильно вибрати термітний матеріал і отримати найбільший економічний ефект від його застосування. Результати дослідження впливу на температуру у парі тертя питомого тиску, сили тертя, та колової швидкості зведено у табл. 2.

Таблиця 2

Режими роботи пари тертя деталей з термітного антифрикційного чавуну

№ з/п	Марка термітного чавуна аналога промислового	Питомий тиск (р), МПа	Колова швидкість (V), м/с	рv
1	АС4-1	0,6 95,0	2,5 0,2	1,5 20
2	АС4-2	1,0 60,0	3,0 0,75	3 -
3	АВ4-1	5,0 120,0	5,0 1,0	25 120
4	АК4-1	5,0 125,0	5,0 1,0	25 120

Висновки. 1. Розроблено технологію термітного синтезу антифрикційних чавунів, аналогів за хімічним складом промислових марок АС4-1, АС4-2 та АВ4-1, АК4-1. 2. Досліджено для антифрикційних чавунів вплив температури на силу тертя і коефіцієнт тертя, встановлено також вплив швидкості обертання на коефіцієнт тертя. 3. Визначено хімічний склад антифрикційних чавунів та склад шихти для їх синтезу. 4. Виявлено найоптимальніші умови застосування термітних антифрикційних чавунів та можливість заміни ними бронзи і бабітів.

Література:

1. Фролов К.В. Современная трибология: Итоги и перспективы/Фролов К.В. – М.: Издательство ЛКИ. – 2008. – 480 с.

2. Жигуц Ю.Ю. Сплави, синтезовані металотермією і СВС-процесами (монографія)/Жигуц Ю.Ю. – Ужгород: Ґражда. – 2008. – 276 с.

3. Zhiguts Yu. Special thermite cast irons/Zhiguts Yu., Kurytnik I.// Archives of foundry engineering. Polish Academy of Sciences. – 2008. – N2. – Vol. 8. – Р. 162-166.