Иваненко В.В., Прусаков В.А., Липин В.А., Баймаков А.Ю.
Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, Санкт Петербург, Россия

Chips received at drilling of cast billets from bronze are rather valuable secondary raw material suitable for manufacturing of wearproof self-lubricating bearings. Experiments on creation of the self-lubricating bearings working in conditions of high loadings from this material took place. The bench tests of wear resistance of bearings based on chips have shown that their wear resistance on the average in 5-7 times above than made from cast materials.

В России и на Украине изготавливают различные, в т.ч. крупные, узлы трения промышленного оборудования, сельскохозяйственной техники, транспорта методом литья сплавов цветных металлов. При механической обработке отливок значительная часть металла переходит в стружку. Исследования показали, что эта стружка сама является весьма ценным вторичным сырьем, пригодным для изготовления износостойких самосмазывающихся подшипников.

Эксперименты проводились со стружкой, полученной при сверлении литых заготовок из бронзы БрОЦС 5-5-5. Ставилась задача разработать технологию производства подшипников для бытовой техники, стартеров и насосов автомобилей и сельскохозяйственных машин.
Проводились также опыты по созданию из этого материала самосмазывающихся подшипников, работающих в условиях высоких нагрузок.

Экспериментальные подшипники изготавливались прессованием и спеканием шихты на основе очищенной стружки, измельченной на специальной мельнице и отсеянной до крупности -1.5 мм. В состав шихты для прессования, кроме стружки, входил, в качестве пластификатора, стеарат цинка. Для снижения пористости и увеличения поверхности контакта между частицами добавлялся медный порошок крупностью 0.03-0.04 мм (10-12%). В отдельных случаях в шихту вводили до 7% порошка олова. В качестве твердой смазки подшипников в шихту иногда добавлялся измельченный графит в количестве 1-1.5%. Все указанные выше процентные содержания берутся от веса стружки.

Сначала изделия изготавливались по схеме: однократное двустороннее прессование при давлении 10 т/см² и спекание в течение 1 часа при 830^оС. При этом спеченная прессовка из стружки имела плотность 7.87 г/см³ и пористость 11.87%. При увеличении давления прессования до 15 т/см² происходило расслоение заготовки.

При давлении прессования 12.5 т/см², принятом в качестве оптимального, получена плотность изделия 8.18 г/см³ и пористость 8.40%.

Изучение микрошлифов, деталей изготовленных из бронзовой стружки показало, что в материале после первичного прессования и спекания образуется большое количество крупных пор. Плотность пор в поперечном сечении образцов составляет около 15-20х10³ шт./см², при этом среднее значение площади единичной поры составляет 0,09х10^-3 м², максимальная площадь поры может достигать 0,45х10^-3 м². Геометрические размеры вытянутых пор, образующиеся при первичном прессовании стружки составляют (0,10х0,45х1,0)х10^-3 м. Диаметр сферических и полусферических пор равен 0,015-0,02х10^-3 м.

Применение двукратного прессования при том же давлении позволило повысить плотность изделия до 8.87 г/см³, что всего на 0.06 г/см³ меньше плотности литой бронзы равной 8.93 г/см³. Пористость таких изделий составляет 0.67%.

Для изготовления деталей, работающих в условиях среднего и низкого давления (стартерные и трамблерные подшипники для автомобилей), допускающих значительную пористость может быть принята технология с однократным прессованием. Большая пористость позволяет использовать твердую смазку в виде графита или фторопласта ФН-4 с добавкой 20% MoS₂, что упрощает конструкцию и эксплуатацию узлов, уменьшает трение и увеличивает износостойкость.

Испытуемые образцы представляли собой полые цилиндры с наружным диаметром 16 мм и внутренним 12 мм при высоте 16 мм. В качестве показателя механической прочность рассматривали предельное давление при сжатии вдоль оси образца, вызывающее его разрушение.

Металлографические исследования показали, что происходят значительные изменения структуры в зоне контакта частичек стружки, а также зоне пор и в основном металле. Так, после спекания и медленного охлаждения деталей (автостартерных подшипников) микроструктура стружки и всей детали в целом из дендритной превратилась в равнооснокристаллическую со значительным количеством двойников. Разрушение показало, что имеет место «вязкий» излом. При отделении частичек стружки там, где диффузионное спекание не прошло до конца из-за зазора между частичками, наблюдалось образование капель свинца, а там, где зазор между прилегающими частичками отсутствует, наблюдалось выделение свинца по их границам, что приводило к спаиванию.

Микроанализ этих выделений и капель подтвердил, что это свинец. Тем самым подтвердился эффект жидкофазного спекания стружковых материалов.

Проведенные стендовые испытания износостойкости стружковых подшипников показали, что их износостойкость в среднем в 5-7 раз выше, чем сделанных из отливок. Аналогичные результаты получены и при производственных испытаниях этих подшипников, установленных на экскаваторах и погрузчиках.

Увеличение износостойкости стружковых подшипников объясняется наличием эффекта самосмазывания и повышенной стойкости самого материала к истиранию.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья