Материалы для изготовления деталей горных машин

Материалы для изготовления деталей горных машин

Статьи по теме
Искать по теме

Классификация материалов

Железо и его "производные"– сталь и чугун (см. Железо, сталь, чугун)–называют черными металлами. Все остальные металлы относятся к категории цветных. Золото, серебро, платина и другие благородные металлы тоже цветные. Все цветные металлы играют важную роль в промышленности.

Для изготовления деталей в машиностроении применяют различные материалы: сталь (Приложение 1), чугун, сплавы цветных металлов, пластмассы.

Черные металлы имеют наибольшее распространение. Это объясняется их высокой прочностью, жесткостью и сравнительно невысокой стоимостью. Основными недостатками черных металлов являются большой удельный вес и низкая коррозийная стойкость.

Цветные металлы входят в состав различных сплавов. Наибольшее применение в горном машиностроении получили медные сплавы (бронзы, латуни), обладающие антифрикционностью, антикоррозионностью. Однако эти металлы значительно дороже черных. Все более широкое применение получают пластмассы. Они обладают ценными свойствами: легкостью, прочностью, тепло- и электроизоляцией, стойкостью против действия агрессивных сред, фрикционностью или антифрикционностью, возможностью получать изделия сложной формы высокопроизводительными методами (литьем под давлением, штамповкой). Отрицательным свойством пластмасс является склонность их к так называемому старению, которое сопровождается постепенным изменением механических характеристик в процессе эксплуатации.[18]

Назначение материала определяется требованиями конструкции (конструкционные критерии – прочность, долговечность, коррозийные свойства и т.п.) и возможностью переработки в изделие (технологические критерии – коэффициент обрабатываемости резанием, сварки и обработки давлением и т.п.). Выбор материала с использованием классификации осуществляется по двум основным критериям. В общем случае классификация материалов включат в себя три основных разновидности материалов: металлические материалы, неметаллические материалы, композиционные материалы. По геометрическим признакам материалы и вещества принято классифицировать по виду полуфабрикатов: листы, профили, гранулы, порошки, волокна и т.п. Поскольку материал того или иного полуфабриката изготавливается по разной технологии, применяют разделение по структуре.

Металлические материалы принято классифицировать по основному компоненту. Различают черную и цветную металлургию. К материалам черной металлургии принадлежат стали, чугуны, ферросплавы и сплавы на основе железа, легированные цветными металлами в количестве превосходящим стали. К материалам цветной металлурги принадлежат важнейшие цветные металлы – алюминий, медь, цинк, свинец, никель, олово и сплавы на их основе. К металлическим материалам относятся и материалы порошковой металлургии. Неметаллические материалы различают по основным классам: резина, керамика, стекло, пластические массы, ситаллы. Композиционными материалы – сложные или составные материалы, состоящие из двух разнородных материалов (например: стекла и пластмассы – стеклопластики) принято классифицировать по типу структуры, материалу матрицы, назначению и способу изготовления.

Технические материалы принято классифицировать по назначению: материалы приборостроения, машиностроительные материалы, и более подробно, например стали для судостроения или мостостроения. В научном аспекте материалы разделяют по типу структуры: аморфные, кристаллические, гетерофазные. При выборе материала для той или иной детали или конструкции учитывают экономическую целесообразность его применения. Стоимость технического материала связана с затратами на его производство и уровнем запасов его в промышленном и государственном резервах, с содержанием в Земной коре веществ и элементов, необходимых для его производства. Поэтому так важно знание инженера о содержании элементов и веществ в земной коре. В последние годы в классификации машиностроительных материалов применяют параметры удельной прочности и энергрозатрат производства материалов. Они показывают, что наилучшими сочетаниями свойств для машин обладают титан и алюминий. Классификация известных материалов находит свое отражение в Государственных Стандартах (ГОСТ).

Характеристика стали, как материала для производства деталей для горных машин

Конструкционными называются стали, предназначенные для изготовления деталей машин (машиностроительные стали), конструкций и сооружений (строительные стали).

Углеродистые конструкционные стали подразделяются на стали обыкновенного качества и качественные.

Стали обыкновенного качества изготавливают следующих марок Ст0, Ст1, Ст2,..., Ст6 (с увеличением номера возрастает содержание углерода). Ст4 – углерода 0.18-0.27%, марганца 0.4-0.7%.

Стали обыкновенного качества, особенно кипящие, наиболее дешевые. Стали отливают в крупные слитки, вследствие чего в них развита ликвация и они содержат сравнительно большое количество неметаллических включений.

С повышением условного номера марки стали возрастает предел прочности (σв) и текучести (σ0.2) и снижается пластичность (δ,ψ). Ст3сп имеет σв=380ч490МПа, σ0.2=210ч250МПа, δ=25ч22%.

Из сталей обыкновенного качества изготовляют горячекатаный рядовой прокат: балки, швеллеры, уголки, прутки, а также листы, трубы и поковки.

Качественные углеродистые стали выплавляют с соблюдением более строгих условий в отношении состава шихты и ведения плавки и разливки. Содержание S<=0.04%, P<=0.035ч0.04%, а также меньшее содержание неметаллических включений.

Качественные углеродистые стали маркируют цифрами 08, 10, 15,..., 85, которые указывают среднее содержание углерода в сотых долях процента. Низкоуглеродистые стали (С<0.25%) 05кп, 08, 07кп, 10, 10кп обладают высокой прочностью и высокой пластичностью. σв=330ч340МПа, σ0.2=230ч280МПа, δ=33ч31%.

Стали без термической обработки используют для малонагруженных деталей, ответственных сварных конструкций, а также для деталей машин, упрочняемых цементацией.

Среднеуглеродистые стали (0.3-0.5% С) 30, 35,..., 55 применяют после нормализации, улучшения и поверхностной закалки для самых разнообразных деталей во всех отраслях промышленности. Эти стали по сравнению с низкоуглеродистыми имеют более высокую прочность при более низкой пластичности (σв=500ч600МПа, σ0.2=300ч360МПа,δ =21ч16%). В связи с этим их следует применять для изготовления небольших деталей или более крупных, но не требующих сквозной прокаливаемости.

Стали с высоким содержанием углерода (0.6-0.85% С) 60, 65,..., 85 обладают высокой прочностью, износостойкостью и упругими свойствами. Из этих сталей изготавливают пружины и рессоры, шпиндели, замковые шайбы, прокатные валки и т.д. [8]

Для изготовления деталей для горных машин, упрочняемых цементацией, применяют низкоуглеродистые (0.15-0.25% С) стали. Содержание легирующих элементов в сталях не должно быть слишком высоким, но должно обеспечить требуемую прокаливаемость поверхностного слоя и сердцевины.

Хромистые стали 15Х, 20Х предназначены для изготовления небольших изделий простой формы, цементируемых на глубину 1.0-1.5мм. Хромистые стали по сравнению с углеродистыми обладают более высокими прочностными свойствами при некоторой меньшей пластичности в сердцевине и лучшей прочности в цементируемом слое чувствительна к перегреву, прокаливаемость невелика. [4]

Сталь 20Х – σв=800МПа, σ0.2=650МПа, δ=11%, ψ=40%.

Легирование хромистой стали ванадием (0.1-0.2%) улучшает механические свойства (сталь 20ХФ). Кроме того, хромованадиевые стали менее склонны к перегреву. Используют только для изготовления сравнительно небольших деталей.

Хромоникелевые стали применяются для крупных деталей ответственного значения, испытывающих при эксплуатации значительные динамические нагрузки. Повышенная прочность, пластичность и вязкость сердцевины и цементированного слоя.

Стали малочувствительны к перегреву при длительной цементации и не склонны к перенасыщению поверхностных слоев углеродом

Сталь 12Х2Н4А – σв=1150МПа, σ0.2=950МПа, δ=10%, ψ=50%.

Хромомарганцевые стали применяют во многих случаях вместо дорогих хромоникелевых. Однако они менее устойчивы к перегреву и имеют меньшую вязкость по сравнению с хромоникелевыми.

При изготовлении деталей для горных машин очень часто применяют стали 18ХГТ и 25ХГТ.

Сталь 25ХГМ – σв=1200МПв, σ0.2=1100МПа, δ=10%, ψ=45%.

Хромомарганцевоникелевые стали. Повышение прокаливаемости и прочности хромомарганцевых сталей достигается дополнительным легированием их никелем.

Рессорно-пружинные стали предназначены для изготовления пружин, упругих элементов и рессор различного назначения. Они должны обладать высоким сопротивлением малым пластическим деформациям, пределом выносливости и релаксационной стойкостью при достаточной пластичности и вязкости.

Для пружин малого сечения применяют углеродистые стали 65, 70,75, 85. Сталь 85 – σ0.2=1100МПа, σв=1150МПа, δ=8%, ψ=30%.

Для изготовления тел качения и подшипниковых колец небольших сечений обычно используют высокоуглеродистую хромистую сталь ШХ15 (0.95-1.0% С и 1.3-1.65% Cr), а больших сечений – хромомарганцевую сталь ШХ15СГ (0.95-1.05% С, 0.9- 1.2% Cr, 0.4-0.65% Si и 1.3-1.65% Mn), прокаливающуюся на большую глубину. Стали обладают высокой твердостью, износостойкостью и сопротивлением контактной усталости. К сталям предъявляются высокие требования по содержанию неметаллических включений, так как они вызывают преждевременное усталостное разрушение. Недопустима также карбидная неоднородность.

Для изготовления деталей подшипников качения, работающих при высоких динамических нагрузках, применяют цементуемые стали 20Х2Н4А и 18ХГТ. После газовой цементации, высокого отпуска, закалки и отпуска детали подшипника из стали 20Х2Н4А имеют на поверхности 58-62 HRC и в сердцевине 35-45 HRC.

Для деталей, работающих на износ в условиях абразивного трения и высоких давлений и ударов, применяют высокомарганцевую литую аустенитную сталь 110Г13Л, содержащую 0.9-1.3% С и 11,5-14.5% Mn. Она обладает следующими механическими свойствами: σ0.2=250ч350МПа, σв=800ч1000МПа, δ=35ч45%, ψ=40ч50%.

Сталь 110Г13Л обладает высокой износостойкостью только при ударных нагрузках. При небольших ударных нагрузках в сочетании с абразивным изнашиванием либо при чистом абразивном изнашивании мартенситное превращение не протекает и износостойкость стали 110Г13Л невысокая.

Для изготовления лопастей гидротурбин и гидронасосов, судовых гребных винтов и других деталей, работающих в условиях изнашивания при кавитационной эрозии, применяют стали с нестабильным аустенитом 30Х10Г10, 0Х14АГ12 и 0Х14Г12М, испытывающим при эксплуатации частичное мартенситное превращение.[2]

Полимеры

Обязательным компонентом пластмассы является связующее вещество. В качестве связующих для большинства пластмасс используют синтетические смолы, реже применяют эфиры целлюлозы.

Другим важным компонентом пластмасс является наполнитель (порошкообразные, волокнистые и другие вещества). Наполнители повышают механические свойства, снижают усадку при прессовании и придают материалу те или иные специфические свойства.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного отношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

В основе термопластичных пластмасс лежат полимеры линейной или разветвленной структуры, иногда в состав полимеров вводят пластификаторы.

Неполярные термопластичные пластмассы – полиэтилен, полипропилен, полистирол и фторопласт-4. Чем выше плотность и кристалличность полиэтилена, тем выше прочность и теплостойкость материала. Он химически стоек и при нормальной температуре нерастворим ни в одном из известных растворителей. Недостаток его подверженность старению.

Применяют для изготовления труб, пленок, литых и прессованных несиловых деталей.

Полипропилен является производной этилена. Это жесткий нетоксичный материал с высокими физико-механическими свойствами. Нестабильный полипропилен подвержен быстрому старению. Недостаток полипропилена его невысокая морозостойкость (от -10 до -20°С. ) [3]

Фторопласт-4 является аморфно-кристаллическим полимером. Разрушение материала происходит при температуре выше 415°С. Он стоек к воздействию растворителей, кислот, щелочей и растворителей, не смачивается водой. Недостатки хладотекучесть.

Применяют для изготовления труб, вентилей, кранов, насосов, мембран, уплотнительных прокладок, манжет и др.

Фторопласт-3 – полимер трифторхлортилена. Его используют как низкочастотный диэлектрик, кроме того, из него изготавливают трубы, шланги, клапаны, насосы, защитные покрытия металлов и др.

Органическое стекло – это прозрачный аморфный термопласт на основе сложный эфиров акриловой и метакриловой кислот. Материал более чем в 2 раза легче минеральных стекол, отличается высокой атмосферостойкостью, оптически прозрачен. Недостатки невысокая поверхностная твердость. [13]

Применяют для изготовления штампов, литейных моделей и абразивного инструмента.

Поливинилхлорид является аморфным полимером. Пластмассы имеют хорошие электроизоляционные характеристики, стойки к химикатам, не поддерживают горение, атмосферостойки, имеют высокую прочность и упругость. Изготавливают трубы, детали вентиляционных установок, теплообменников, строительные облицовочные плитки.

Полиэтилентерефталат – сложный полиэфир, в России выпускается под названием лавсан, за рубежом – майлар, терилен. Из лавсана изготавливают шестерни, кронштейны, канаты, ремни, ткани, пленки и др.

Ароматический полиамид – фенилон. Из фенилона изготавливают подшипники, зубчатые колеса, детали электрорадиопередатчиков.

Пластмассы с порошковым наполнителями (волокниты, асбоволокниты, стеловолокниты). Волокниты представляют собой композиции из волокнистого наполнителя в виде очесов хлопка, пропитанного фенолоформальдегидными связующими. Применяют для изготовления деталей работающих на изгиб и кручение. Асбоволокниты содержат наполнителем асбест, связующее фенолоформальдегидная смола. Из него получают кислотоупорные аппараты, ванны и трубы.[13]

Слоистые пластмассы (гетинакс, текстолит, древеснослоистые пластики, асботесолит) являются силовыми конструкционными о поделочными материалами. Листовые наполнители придают пластику анизотропность. Материалы выпускают в виде листов, плит, труб, заготовок, из которых механической обработкой получают различные детали

Чугуны в горном машиностроении

Микроструктура чугуна состоит из металлической основы (матрицы) и графитных включений. Свойства чугуна определяются свойствами металлической основы и характера включений графита.

Чугуны содержат следующие структурные составляющие:

– графит (Г);

– перлит (П);

– феррит (Ф);

– ледебурит (Л);

– фосфидную эвтектику

По микроструктуре различают:

– белый чугун I (Ц+Г);

– серый перлитный чугун II (П+Г);

– серый ферритный чугун III (Ф+Г);

– половинчатый чугун II а (П+Ц+Г);

– высокопрочный чугун IV (П+шаровидный графит).

Формирование микроструктуры чугуна зависит от его химического состава и скорости охлаждения (толщины) отливки. Структура металлической основы определяет твердость чугуна.

Углерод в составе чугуна может присутствовать в виде химического соединения – цементит Fe3C, графита или их смеси. По сравнению с металлической основой графит имеет низкую прочность. Места его залегания можно считать нарушениями сплошности металла. Чугун как бы пронизан включениями графита, ослабляющими его металлическую основу. По мере округления графитных включений (за счет модифицирования чугуна присадками SiCa, FeSi, Al, Mg) их отрицательная роль как надрезов металлической основы снижается и механические свойства чугуна растут.[1]

Кремний способствует графитизации чугуна. Изменяя его содержание и скорость охлаждения отливки, можно получить чугун различной структуры.

Марганец препятствует графитизации и нейтрализует вредное влияние серы, образуя с ней тугоплавкие соединения MnS.

Фосфор не оказывает существенного влияния на процесс графитизации. При повышенном содержании фосфора в структуре чугуна образуются твердые включения фосфидной эвтектики, которая повышает его литейные свойства.

Сера является вредной примесью. Она обусловливает ухудшение литейных свойств чугуна, увеличение усадки, повышение склонности к трещинообразованию, снижение температуры красноломкости чугуна.[16]

Серый чугун – это сплав системы Fe-C-Si, содержащий в качестве примесей марганец, фосфор, серу. Углерод в серых чугунах преимущественно находится в виде графита пластинчатой формы.

Структура отливок определяется химическим составом чугуна и технологическими особенностями его термообработки. Механические свойства серого чугуна зависят от свойств металлической матрицы, формы и размеров графитовых включений. Свойства металлической матрицы чугунов близки к свойствам стали. Графит, имеющий невысокую прочность, снижает прочность чугуна. Чем меньше графитовых включений и выше их дисперсность, тем больше прочность чугуна. Графитовые включения вызывают уменьшение предела прочности чугуна при растяжении. На прочность при сжатии и твердость чугуна частицы графита практически не оказывают влияния. Свойство графита образовывать смазочные пленки обусловливает снижение коэффициента трения и увеличение износостойкости изделий из серого чугуна. Графит улучшает обрабатываемость резанием.

По свойствам серые чугуны можно условно распределить на следующие группы:

– ферритные и ферритно-перлитные чугуны (марки СЧ 10, СЧ 15) применяют для изготовления малоответственных ненагруженных деталей машин;

– перлитные чугуны (марки СЧ 20, СЧ 25, СЧ 30) используют для изготовления износостойких деталей, эксплуатируемых при больших нагрузках: поршней, цилиндров, блоков двигателей;

– модифицированные чугуны (марки СЧ 35, СЧ 40, СЧ 45), получают добавлением перед разливкой в жидкий серый чугун присадок ферросилиция, такие чугуны имеют перлитную металлическую матрицу с небольшим количеством изолированных пластинок графита.[11]

Чугун с вермикулярным графитом отличается от серого чугуна более высокой прочностью, повышенной теплопроводностью. Этот материал перспективен для изготовления ответственных отливок, работающих в условиях теплосмен (блоки двигателей, поршневые кольца).

Модифицирование серого чугуна магнием, а затем ферросилицием позволяет получать магниевый чугун (СМЧ), обладающий прочностью литой стали и высокими литейными свойствами серого чугуна. Из него изготовляют детали, подвергаемые ударам, воздействию переменных напряжений и интенсивному износу, например коленчатые валы легковых автомобилей.[14]

Отличительной особенностью высокопрочного чугуна являются его высокие механические свойства, обусловленные наличием в структуре шаровидного графита, который в меньшей степени, чем пластинчатый графит в сером чугуне, ослабляет рабочее сечение металлической основы и, что еще важнее, не оказывает на нее сильного надрезающего действия, благодаря чему вокруг включений графита в меньшей степени создаются концентраторы напряжений. Чугун с шаровидным графитом обладает не только высокой прочностью, но и пластичностью.

Получение шаровидного графита в чугуне достигается модифицированием расплава присадками, содержащими Mg, Са, Се и другие редкоземельные металлы (РЗМ).

Химический состав и свойства высокопрочных чугунов регламентируются ГОСТ 7293-85 Чугун с шаровидным графитом для отливок. Марки. и маркируются буквами "В" – высокопрочный, "Ч" – чугун и числом, обозначающим среднее значение предела прочности чугуна при растяжении. Например, ВЧ 100 – высокопрочный чугун, предел прочности при растяжении 1000 МПа (или 100 кг/мм2).

Высокопрочный чугун с шаровидным графитом является наиболее перспективным литейным сплавом, с помощью которого можно успешно решать проблему снижения массы конструкций при сохранении их высокой надежности и долговечности.

Высокая твердость белого чугуна обеспечивает его высокую износостойкость, в том числе и при воздействии абразивных сред. Это свойство белых чугунов учитывается при изготовлении из них поршневых колец. Однако белый чугун применяют главным образом для отливки деталей с последующим отжигом на ковкий чугун.

Ковкий чугун получают путем отжига белого чугуна определенного химического состава, отличающегося пониженным содержанием графитизирующих элементов (2,4-2,9 % С и 1,0-1,6 % Si), так как в литом состоянии необходимо получить полностью отбеленный чугун по всему сечению отливки, что обеспечивает формирование хлопьевидного графита в процессе отжига.

Механические свойства и рекомендуемый химический состав ковкого чугуна регламентирует ГОСТ 1215-79 Отливки из ковкого чугуна. Общие технические условия.

Ковкий чугун используют для изготовления мелких и средних тонкостенных отливок ответственного назначения, работающих в условиях динамических знакопеременных нагрузок (детали приводных механизмов, коробок передач, тормозных колодок, шестерен, ступиц и т. п.). Однако ковкий чугун – малоперспективный материал из-за сложной технологии получения и длительности производственного цикла изготовления деталей из него.

В зависимости от назначения различают износостойкие, антифрикционные, жаростойкие и коррозионно-стойкие легированные чугуны.

Износостойкие чугуны, легированные никелем (до 5 %) и хромом (0,8 %), применяют для изготовления деталей, работающих в абразивных средах. Чугуны (до 0,6 % Сг и 2,5 % Ni) с добавлением титана, меди, ванадия, молибдена обладают повышенной износостойкостью в условиях трения без смазочного материала. Их используют для изготовления тормозных барабанов автомобилей, дисков сцепления, гильз цилиндров и др.

Жаростойкие легированные чугуны ЧХ 2, ЧХ 3 применяют для изготовления деталей контактных аппаратов химического оборудования, турбокомпрессоров, эксплуатируемых при температуре 600°С (ЧХ 2) и 700°С (ЧХ 3).

Жаропрочные легированные чугуны ЧНМШ, ЧНИГ7Х2Ш с шаровидным графитом работоспособны при температурах 500-600°С и применяются для изготовления деталей дизелей, компрессоров и др.

Коррозионно-стойкие легированные чугуны марок ЧХ 1, ЧНХТ, ЧНХМД, ЧН2Х (низколегированные) обладают повышенной коррозионной стойкостью в газовой, воздушной и щелочной средах. Их применяют для изготовления деталей узлов трения, работающих при повышенных температурах (поршневых колец, блоков и головок цилиндров двигателей внутреннего сгорания, деталей дизелей, компрессоров и т. д.).[1]

Антифрикционные чугуны используются в качестве подшипниковых сплавов, так как представляют группу специальных сплавов, структура которых удовлетворяет правилу Шарпи (включения твердой фазы в мягкой основе), способных работать в условиях трения как подшипники скольжения.

Для легирования антифрикционных чугунов используют хром, медь, никель, титан.

ГОСТ 1585-85 включает шесть марок антифрикционного серого чугуна (АЧС-1 – АЧС-6) с пластинчатым графитом, две марки высокопрочного (АЧВ-1, АЧВ-2) и две марки ковкого (АЧК-1, АЧК-2) чугунов. Этим стандартом регламентируются химический состав, структура, режимы работы, в нем также содержатся рекомендации по применению антифрикционных чугунов.

Различают перлитные и перлитно-ферритные антифрикционные чугуны. Антифрикционные перлитные чугуны (АЧС-1, АЧС-2) и перлитно-ферритный (АЧС-3) применяют при давлении в зоне контакта фрикционных пар до 50 МПа. Чугуны с шаровидным графитом АЧВ-1 (перлитный) и АЧВ-2 (перлитно-ферритный) применяют при повышенных нагрузках (до 120 МПа).

Керамика в изготовлении деталей горных машин

В настоящее время в мире наблюдается тенденция производства изделий из неметаллических и композиционных материалов, которые все шире заменяют металлы во многих отраслях промышленности. К концу предыдущего тысячелетия производство неметаллов превысило по объему производство черных металлов. Эта тенденция связана со снижением себестоимости продукции при одновременном повышении их срока службы, надежности и экологической чистоты. Особое место среди неметаллических материалов занимает керамика. Работы по керамическим материалам во всем мире резко интенсифицируются, расширяются области применения этих материалов и рост капиталовложений в разработку материалов, технологию их производства и изготовления. Большинство развитых стран (Япония, США, Германия, Швеция, Россия и др.) осуществляют национальные программы по керамике. Лидирующее место на мировом рынке керамики занимают Япония и США. Фактическое производство керамики неуклонно возрастает, каждые пять лет ее производство удваивается.

Керамика неорганический материал, получаемый отформованных масс в процессе высокотемпературного обжига.

Оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры. С повышением температуры прочность керамики понижается. Керамика из чистых оксидов, как правило, не

подвержена процессу окисления.

Бескислородная керамика. Материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900-1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300-1700°С (на поверхности образуется пленка кремнезема).[17]

Физико-механические свойства конструкционной керамики (КК) по сравнению со всеми видами металлов, которые в настоящее время применяются в качестве главных материалов для изготовления деталей машин, имеют такие отличительные характеристики, как высокую температуру плавления, твердость, легкость и т.д. Ее применяют для изготовления деталей, к которым предъявляются повышенные требования по жаростойкости, износостойкости, коррозийной стойкости, стойкости к воздействию химикатов и т.д. Сегодня многие институты Украины и Донецкой области работают над проблемами изготовления и применения изделий из КК в промышленности.[15]

Для приготовления керамик, используют исходные материалы, которые разделяются на две группы: природные и искусственные, получаемые химическим путём.

К первым относятся:

– глина, состоящая в основном из каолинита Al2O3•2SiO2•2H2O и других глинистых минералов (MgO, CaO, TiO2, Fe2O3, Na2O) в малых количествах;

– каолин – горная порода, состоящая из минерала каолинита;

– тальк – непластичный материал 3MgO•4SiO2•H2O с примесью Fe2O3, Al2O3, CaO, Na2O, Cr2O3;

– магнезит MgCO3;

– кварцевый песок – продукт разрушения горных пород, который содержит 99% SiO2, а остальное – Al2O3 и другие вещества;

– кальцит, или известковый мрамор (мел) CaCO3;

– плавиковый шпат CaF и ашарит 2MgO•B2O3•H2O, которые вводят в керамику в количестве 2 – 3 % для улучшения спекаемости керамики.

К искусственным относятся:

– глинозём Al2O3 – порошкообразная кристаллическая окись алюминия;

– углекислый барий BaCO3;

– двуокись титана TiO2;

– окись олова SnO;

– двуокись циркония Zr2O2;

– окись кальция CaO.

По способности гидролизироваться и образовывать с водой суспензию эти материалы подразделяются на: пластичные и непластичные. [7]

Одним из основных факторов, влияющих на долговечность, безопасность горных машин и оборудования, работающих в тяжелых условиях (высокие нагрузки, агрессивные среды), является работоспособность узлов пар трения, для которых, в свою очередь, определяющим фактором является правильный выбор материала и его обработки.

Материал для этих деталей должен обладать высокой прочностью, трещиностойкостью, износостойкостью, коррозионной стойкостью, технологичностью, экономичностью и экологичностью

В настоящее время в высокоразвитых странах мира и прежде всего в Японии и США, а также в Германии, Великобритании, России и Украине ведутся крупномасштабные исследования в области разработки керамических и композиционных материалов, значительно превосходящих по ряду свойств металлические сплавы и пластмассы.

Перспективность керамики обуславливают следующие факторы:

- возможность обеспечивать различные свойства деталей в соответствии с требованиями условий эксплуатации благодаря способности работать в условиях высоких давлений, температур, агрессивных сред;

- низкий коэффициент трения, пониженный удельный вес и, соответственно, меньшая масса изделий;

- прочные пористые керамики для фильтров позволяют решать важнейшие проблемы экологии;

- меньшая энергоемкость и более высокая экологичность процесса получения керамики по сравнению с металлическими материалами;

- экономия материала за счет полной или частичной отмены механической обработки, а следовательно сокращение станочного парка, производственных площадей;

- широкая доступность сырья.

Таблица 1

Применение конструкционных керамик [19]

Детали

Керамика

Фирма, страна

Детали двигателя: выхлопной клапан, гильза, головки поршней, гильза цилиндра, рычаг, ротор турбокомпрессора

Si3N4

SiС

Исудзу

Япония [2]

Детали насосов: клапана и уплотнения

SiC

Кёсер [3]

Япония

Подшипники высокооборотных машин (компрессоров, обрабатывающих центров), работающие при повышенной температуре и недостатке смазки

SiC

Si3N4

Seradyne США,

Toshiba Япония,

FAG Германия

SRF Швеция

Торцевые уплотнения погружных насосов и мешалок

ZrO2

Швеция

Детали дизельного двигателя: цилиндры (облицовка) и др.

ZrO2

Volkswagen

Германия

Торцевые уплотнения центробежных насосов для перекачки абразивосодержащих жидкостей горнодобывающих производств

Si3N4, SiC

Самосвязанный SiC,

ZrO2 частично стабилизированный.

Великобритания,

Россия

ГНЦ РФ НПП

"Технология"

Подшипники скольжения и подпятники центробежных насосов горнодобывающих производств

SiC

Si3N4

США

Россия [

Шаровые краны, вентили, заслонки

Аl2O3

Б6 (96% Аl2O3 )

Sonoda, Яп.

Россия

Детали поршневых двигателей: накладки поршня, вставки гильзы цилиндра, детали клапанного механизма

ZrO2

SiC, Si3N4,

Горячепрессованный Si3N4 с уплотняющий оксидами

Россия ГНЦ РФ НПП

"Технология"

Насадки для промывочных узлов буровых долот, горловины насосов

МВ-2 (30%WC,

40%TiC,

связка Ni,Mo)

Россия

Фильтры

Композиты на основе Al2O3, SiC

ГНЦ РФ НПП "Технология"

Плунжеры и кольца для шахтных насосов, торцевые уплотнения, подшипники скольжения Si3N4.

Al2O3, SiC;

Композиты,

содержащий МоО3, Si3N4

Россия [5]

Плунжеры маслостанции

ZrO2 + 3%

Y2O3

Россия

Основным недостатком керамики является высокая хрупкость, которая ограничивает ее применение. Поэтому основные способы совершенствования керамики направлены на повышение ее вязкости и трещиностойкости:

- Трансформационное упрочнение. Эффект упрочнения связан с полиморфным превращением метастабильной тетрагональной решетки оксида циркония в стабильную кубическую (устойчивую при всех температурах). В матрицу из кубического ZrO2 вводят порошки частичностабилизированного ZrO2 (ЧСЦ) тетрагональной модификации t- ZrO2.

- Старение. Для ЧСЦ керамики проводят термическую обработку – старение: после спекания при 1800оС быстро охлаждают и повторно нагревают до1300оС, что приводит к изменению размеров выделений t- ZrO2,изменяя их размер можно влиять на эффективность упрочнения. Оптимальные свойства достигаются при размере частиц не более 100 нм.

- Реакционное спекание. Один из реагентов вначале находится вне спекаемого тела, а затем диффундирует внутрь пористой заготовки. Позволяет сохранить размеры заготовки (отсутствие усадки). Один из вариантов – самоcвязанный карбид кремния SiC: заготовка из прессованного SiC пропитывается жидким кремнием.

- Горячее изостатическое прессование. Совмещение давления и спекания позволяет получить практически беспористую керамику с небольшим содержанием активных добавок. Прочность горячепрессованного нитрида кремния Si3N4 гораздо больше, чем реакционноспеченного за счет существенно меньшего содержания пор.

- Созданием композиционных структур. Такие структуры получают например введением в керамическую матрицу дисперсных частиц или введением в керамическую матрицу Si3N4, состоящую из равноосных зерен анизотропных элементов, например, удлиненных зерен Si3N4. Такие самоармированные керамические материалы имеют трещиностойкость в 2 раза больше, чем горячепрессованный Si3N4 (более 10 МПа * м 1/2)

- Применение ультрадисперсных порошков. Наибольшие значения прочности при изгибе (до 2000 МПа) и трещиностойкости до 15 МПа * м1/2 достигнуты при спекании заготовок из ультрадисперсных порошков ( размер зерна менее 1 мкм). Из нанопорошков диоксида циркония, легированного 3% оксида иттрия, изготовили плунжеры маслостанции СНТ-32, эксплуатационные испытания которых показали увеличение срока службы до 20 раз Прогнозируется дальнейшее улучшение свойств корундовой керамики при использовании особотонкодисперсных порошков с размером частиц менее 0,01мкм [19].

- Обработка поверхности изделий различными методами, включая нанесение керамических покрытий и синтез металлокерамического защитного слоя на поверхности трения. Керамические покрытия гораздо экологичнее, чем гальванические, применение которых требует тщательной очистки и обезвреживания кислотно-щелочных, хромосодержащих и, особенно, цианосодержащих вод.

Применение силикатно-керамической композиции форсан, вводимой между трущимися поверхностями с помощью масла или пластичной смазки, в процессе эксплуатации на поверхности трения образует слой металлокерамики, составляющий с поверхностью детали единое целое. Полученное покрытие имеет аномально низкий коэффициент трения (0,003 – 0,005) и обладает отличными защитными свойствами от фреттинг-коррозии [19].

- Стендовые и промышленные испытания деталей горных машин и оборудования из керамик на основе нитрида и карбида кремния, изготовленных по прогрессивным технологиям.

Основные свойства современных и перспективных конструкционных керамик приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные свойства конструкционных керамик [19]

Материал

Прочность при

изгибе, МПа

Трещиностой-

кость, МПа.м ½

 Si3N4

Композиционный материал

(КМ) на основе Si3N4, армированный SiC (35%)

450 – 600

600 – 1200

3 – 5

9 – 11

 SiC

Самосвязанный SiC, полученный горячим изостатическским прессованием КМ на основе SiC, армированный волокнами SiC

 400

250

500

800

До 450

2,5 – 7

4

4

5,5 – 7

10

Al2O3

КМ на основе Al2O3 упроч-ненный дисперсными части-

цами ZrO2 (до 30%)

 450

500

1500

1,0 – 2,5

4

До 15

КМ трансформац. упрочнен-

ный на основе ZrO2 частично стабилизирированный MgO

 до 690

7 – 15

 КМ на основе ZrO2 +30% ZrO2 (дисперсная фаза)

До 1500

15

Керамика – перспективный материал для будущих разработок. Некоторые различия в составе и обработке керамики влияют на изменение ее прочностных характеристик. Работы по применению керамических материалов для деталей горных машин, безусловно, должны быть продолжены.

Выводы

Исходя из сегодняшних требований к уровню качества металла,целесообразно возобновить наши разработки технологических процессов получения экономнолегированных высокопрочных сталей для обеспечения потребности заводов, выпускающих горношахтное оборудование. Улучшение качества металлургической продукции (сортового и листового проката, стального и чугунного литья) достигается за счет управления процессом кристаллизации металлургических расплавов путем внепечной обработки модифицирующими и микролегирующими добавками с использованием редких, редкоземельных (РЗМ) и щелочно-земельных металлов (ЩЗМ).

Для совершенствования качества деталей горных машин используют специальные покрытия. Такие как: покрытие хромом, которое повышает износоустойчивость деталей очень полезна вакуумная обработка(насыщение деталей озотом).

Полиуретан наиболее пригоден для изготовления фасонных литых деталей (вместо изношенных) и запчастей машин (колес, втулок, валов, роликов и т.п.), для восстановления фрагментов изношенной части деталей, узла машины (желобов, труб, лотков, трактов, каналов) в обогатительных установках, и для восстановления защитного покрытия лопаток рабочих колес и корпуса насосов, перекачивающих соленые, кислые и т.п. воды и растворы при подземной и открытой добыче полезных ископаемых, на металлургических, машиностроительных и ремонтных заводах.

В настоящее время полиуретановые системы апробированы и успешно внедрены на Магнитогорском горно-металлургическом комбинате: они используются при изготовлении плит для защиты коксового тракта, для восстановления изношенной рабочей поверхности сеток грохотов и нанесения покрытия на рабочую поверхность барабана магнитного сепаратора, при изготовлении рабочих колес на насосы НПВ1-5 (срок службы колес увеличился в 3–3.5 раза). Кроме того, на комбинате полиуретан применяется для восстановления проточной части в корпусах водяных насосов, для изготовления натяжных, поддерживающих и опорных роликов в агрегатах продольной резки листового металла, при ремонте внутренних поверхностей редукторов, имеющих скрытые трещины, что позволяет полностью устранить утечки масла, а также при восстановлении внутреннего уплотнительного слоя на газовых задвижках..

Литература

Учебники и монографии

1. Арзамасов Б.Н. Материаловедение- М.: Машиностроение.1976 -384 с.

2. Бондаренко В.А Технологические процессы машиностроительного производства. Оренбург.: ОГУ, 1996- 409 с.

3. Брацихин Е.А. Технология пластических масс- М.: Машиностроение 1982 – 412с.

4. Дальский А.М. Технологии конструкционных материалов-М.: Машиностроение 1987. – 512 с.

5. Иванов С.Л., Кувшинкин С.Ю., Технология конструкционных материалов: курс лекций – Спб.: СПБГГИ. 2001 – 74 с.

6. Колесов И.М. Основы технологии машиностроения: Учебник для вузов.- 2-е изд.,испр..- М.: ВШ.2001. -591 с.

7. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П.. Материаловедение. М.: Машиностроение. 1990 – 493 с.

8. Мальцев И.М. Курс лекций по атериаловедению- Нижний Новгород: НГТУ. 2008 103с.

9. Направленное формирование свойств изделий машиностроения/ А.С. Васильев, А.М. Дальский, Ю.М. Золотаревский, А.И. Кондаков; Под ред. А.И. Кондакова.- М.: Машиностроение, 2005 – 352с.

10. Проников А.С. Надежность машин. – М.: Машиностроение, 1978.- 592 с.

11. Солнцев Ю.П. Справочник. Металлы и сплавы.- М.:Машиностроение. 2007.- 224с.

12. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т./ Под ред. А.М. Дальского – М.: Машиностроение Т.1.- 2003. – 912 с.

13. Сулейманов Е.В. Химическое материаловедение – Нижний Новгород: ННГУ.2008 – 221с

14. Термическая обработка в машиностроении.Справочник под ред. Лахтина Ю.М., Рахштадта А.Г.-М.: Машиностроение. 2000. – 783 с.

15. Гусев В.В., Калофатова Л.П., Молчанов А.Д. Использование технической керамики и ситаллов в узлах трения

16. Весенин Н.Б.Перспективы применения конструкционной керамики в горном машиностроении

Приложение 1

Углеродистая и легированная конструкционная сталь

Марка стали

σe, МПа

σm, МПа

HB

Применение

Сталь углеродистая обыкновенного качества

Ст2

340

220

133

Заклепки, болты, валики, оси, не испытывающие больших напряжений

Ст3

380

240

132

Болты, гайки, тяги, крюки, шатуны, оси, валики, свариваемые детали

Ст4

420

260

152

Валы, оси

Ст5

500

280

160

Ответственные болты, оси, валы, пальцы, зубчатые колеса

Ст6

600

310

200

Шпонки, детали кулачковых и фрикционных муфт, пластины цепей, тормозные ленты, зубчатые колеса, валы

Сталь углеродистая качественная конструкция

10

333

206

137

Детали, изготовляемые штамповкой в холодном состоянии, свариваемые, а также детали, подлежащие цементации, в частности шайбы, трубки, вилки

15

373

226

143

Детали, изготовляемые ковкой и штамповкой в горячем состоянии, штамповкой в холодном состоянии (с вытяжкой), детали, подлежащие цементации, свариваемые детали, болты, винты, гайки, ключи, рычаги, фланцы

20

412

245

156

То же, что из стали 15, а также кованые и штампованные тяги, крюки, рычаги, серьги

25

451

275

170

То же, что из стали 20, а также оси, валы, соединительные муфты, болты, шпильки, гайки, винты и шайбы, не испытывающие высоких напряжений

30

490

294

179

Детали, изготовляемые ковкой и штамповкой в горячем состоянии оси, валы, тяги

35

490

260

187

Кованые тяги, оси, валы, зубчатые колеса, ответственные болты, гайки

40

530

265

190

Оси, коленчатые валы, зубчатые колеса, фланцы

45

580

290

200

Зубчатые колеса и рейки, муфты, валы, фрикционные диски, болты, шпильки

50

590

310

210

Оси, валы, зубчатые колеса, неответственные пружины

Отливки из углеродистой стали

35Л

40Л

45Л

50Л

55Л

490

520

540

569

589

274

294

314

333

343

>143

>147

>153

>174

155-217

Зубчатые колеса, работающие в тяжелых эксплуата­ционных условиях, валы, оси и т. д.

Сталь легированная конструкционная

зохгс

981-795

835-637

229-215

Ответственные зубчатые колеса, штампованные и сварные узлы

35Х

934-686

736-441

241-190

Зубчатые колеса, кулачковые муфты

40Х

981-686

785-441

241-190

Валы, зубчатые колеса, оси, коленчатые валы, упорные кольца

40ХН

981-736

785-550

250-220

Валы, зубчатые колеса, шлицевые валики