Антифрикционный порошок ПА-ЖГр3

Антифрикционный порошковый материал ПА-ЖГр3 — композиция на основе железа с повышенным содержанием углерода (графита), предназначенная для изготовления деталей узлов трения методами порошковой металлургии. Марка регламентирована ГОСТ 26802-86 «Материалы антифрикционные порошковые на основе железа. Марки». Среди родственных марок данного стандарта (ПА-ЖГр, ПА-ЖГр2) именно ПА-ЖГр3 отличается максимальной долей свободного графита, что определяет его наилучшие антифрикционные характеристики в группе нелегированных железографитовых материалов.

Расшифровка обозначения марки ПА-ЖГр3

Условное обозначение марки расшифровывается в соответствии с п. 6 ГОСТ 26802-86:

В нормативно-технической документации, выпущенной до введения ГОСТ 26802-86, этот материал обозначался иначе. Соответствие старых и действующих обозначений приведено в справочном приложении 3 стандарта:

При заказе или оформлении технической документации материал обозначается: ПА-ЖГр ГОСТ 26802-86 (общее обозначение группы железографитовых марок по стандарту).

Химический состав ПА-ЖГр3 по ГОСТ 26802-86

Химический состав регламентирован основной таблицей ГОСТ 26802-86. Материал ПА-ЖГр3 представляет собой двухкомпонентную систему «железо — углерод» без дополнительных легирующих элементов:

Важно: в составе ПА-ЖГр3 отсутствуют медь, никель, фосфор, сера, молибден и другие легирующие добавки. Содержание серы характерно для марок с буквой «К» в обозначении (ПА-ЖК, ПА-ЖДК, ПА-ЖГрК и др.), где компоненты введены в виде сульфидов металлов. Марка ПА-ЖГр3 к таким материалам не относится.

Углерод в составе выполняет двойную функцию. Часть углерода при спекании диффундирует в железную матрицу, образуя цементит (Fe₃C) и участвуя в формировании перлитной структуры, что повышает прочность и твёрдость. Нерастворившийся углерод остаётся в виде свободного графита, который выступает в роли твёрдой смазки, снижая коэффициент трения готовых изделий.

Физико-механические свойства антифрикционного материала ПА-ЖГр3

Свойства железографитового порошкового материала ПА-ЖГр3 определены основной таблицей и справочным приложением 1 ГОСТ 26802-86. Ниже приведены нормируемые и справочные характеристики.

Обязательные (нормируемые) показатели

Справочные показатели (приложение 1 ГОСТ 26802-86)

Все перечисленные значения являются минимально гарантированными. Фактические характеристики конкретной партии могут быть выше в зависимости от режимов прессования, спекания и пористости изделия.

Поправка на твёрдость при различной пористости

ГОСТ 26802-86 предусматривает формулу для определения минимально допускаемой твёрдости детали при конкретной пористости:

НВ_дет = НВ + К × (θ_max − θ)

где НВ — минимальная твёрдость по таблице стандарта (450 МПа для ПА-ЖГр3); К — поправочный коэффициент (для ПА-ЖГр3 составляет не менее 29,3); θ_max — максимальная пористость по стандарту (25 %); θ — фактическая максимальная пористость изделия, %. Таким образом, при снижении пористости изделия его твёрдость возрастает.

Микроструктура порошкового железографита ПА-ЖГр3

Микроструктура ПА-ЖГр3 по ГОСТ 26802-86 аналогична марке ПА-ЖГр2 и включает следующие структурные составляющие:

Перлитная матрица обеспечивает прочность и износостойкость. Свободный графит, распределённый по объёму материала, работает как твёрдая смазка, снижая коэффициент трения. Поры необходимы для пропитки маслом и создания резервуара смазки при эксплуатации. Соотношение перлита и феррита влияет на баланс между прочностью и пластичностью изделий.

Технология изготовления изделий из ПА-ЖГр3

Производство деталей из антифрикционного железографита ведётся стандартными методами порошковой металлургии. Технологический процесс включает несколько последовательных этапов.

Приготовление шихты

Исходные компоненты — железный порошок и графитовый порошок — смешиваются в механических смесителях до получения однородной механической смеси заданного состава. Качество смешивания напрямую влияет на равномерность распределения графита в готовом изделии, а следовательно — на стабильность антифрикционных свойств.

Формование (прессование)

Подготовленная шихта засыпается в пресс-форму и уплотняется под давлением. Давление прессования выбирается в зависимости от заданной пористости будущего изделия. Прессовка приобретает форму и размеры, близкие к готовой детали, с учётом усадки при последующем спекании.

Спекание в защитной атмосфере

Сформованные заготовки спекают при температуре 1000–1150 °С в защитной или восстановительной атмосфере (водород, диссоциированный аммиак, эндотермический газ). Защитная среда предотвращает окисление железа и выгорание углерода. В процессе спекания происходит диффузионное взаимодействие между частицами: формируются межчастичные контакты, часть углерода растворяется в железе, образуя перлит и цементит, а нерастворившийся углерод остаётся в виде свободного графита.

Дополнительная обработка

После спекания изделия проходят ряд финишных операций:

• Калибрование — обеспечивает точные размеры и улучшает качество поверхности. Спечённая заготовка повторно обжимается в калибровочной пресс-форме;
• Пропитка маслом — заполняет открытые поры смазочным материалом. Проводится, как правило, вакуумным способом для максимального проникновения масла в поровое пространство. Пропитанное изделие приобретает способность к самосмазыванию;
• Механическая обработка — при необходимости деталь доводится до требуемых размеров и шероховатости поверхности на металлорежущих станках.

Условия эксплуатации и триботехнические характеристики

Рабочие режимы для материала ПА-ЖГр3 установлены рекомендуемым приложением 2 ГОСТ 26802-86. Марка входит в группу материалов, работающих в условиях ограниченной и обильной смазки.

Допустимые режимы нагружения

Стандарт особо отмечает, что материалы с повышенным содержанием графита (к которым относится ПА-ЖГр3 с 2,2–3,2 % C) работают на верхнем пределе указанных нагрузок. При этом допустимая скорость скольжения возрастает до 5 м/с, а износ и коэффициент трения снижаются по сравнению с марками ПА-ЖГр и ПА-ЖГр2. Превышение указанных режимов приводит к нестабильности коэффициента трения и потере работоспособности узла.

Коэффициент трения

Коэффициент трения железографитовых материалов группы ПА-ЖГр3 составляет 0,035–0,125 (по ГОСТ 26802-86, приложение 2). Конкретное значение зависит от количества смазки, скорости скольжения, нагрузки и содержания графита в материале. При увеличении содержания свободного графита коэффициент трения снижается.

Сравнение ПА-ЖГр3 с родственными марками по ГОСТ 26802-86

Для правильного выбора материала полезно сопоставить ПА-ЖГр3 с ближайшими аналогами — другими нелегированными железографитовыми марками:

Закономерность очевидна: с ростом содержания углерода прочностные характеристики снижаются, но улучшаются антифрикционные свойства. Марка ПА-ЖГр3 предназначена для узлов, где приоритетом является минимальный коэффициент трения и высокий ресурс в режимах ограниченной смазки и самосмазывания, а не максимальная механическая прочность.

Области применения железографитового материала ПА-ЖГр3

Согласно приложению 2 ГОСТ 26802-86, материал ПА-ЖГр3 используется для изготовления подшипников и деталей узлов трения в следующих отраслях:

• Тракторостроение и сельхозмашиностроение — подшипники скольжения узлов ходовой части, трансмиссий, навесного оборудования;
• Станкостроение — втулки и подшипники шпинделей, направляющих, подвижных узлов;
• Автомобилестроение — детали телескопических амортизаторов, редукторов лебёдок, узлы трения с ограниченным доступом для обслуживания;
• Приборостроение — подшипники механизмов точных приборов и аппаратов;
• Бытовая техника — подшипники электродвигателей, редукторов бытовых аппаратов.

Основное преимущество деталей из ПА-ЖГр3 — способность длительно работать в режиме самосмазывания благодаря маслу, удерживаемому в порах, и свободному графиту в структуре материала. По триботехническим свойствам спечённые железографитовые материалы приближаются к серым чугунам, при этом по износостойкости они превосходят оловянные бронзы, что позволяет использовать их в качестве замены в подшипниках скольжения.

Типовые формы поставки порошка ПА-ЖГр3

Антифрикционный порошковый материал ПА-ЖГр3 поставляется в виде готовой шихты (механической смеси железного и графитового порошков заданного состава), предназначенной для дальнейшего прессования и спекания на предприятии-потребителе. Фасовка — в герметичную тару, обеспечивающую защиту от увлажнения и загрязнения.

Кроме того, из порошка ПА-ЖГр3 изготавливают готовые спечённые изделия: подшипники скольжения, втулки, шестерни и другие детали узлов трения. Конкретные размеры и допуски оговариваются в нормативно-технической документации на конкретные изделия.

Нормативная документация и методы контроля

Контроль качества материала ПА-ЖГр3 осуществляется по методикам, указанным в разделе 7 ГОСТ 26802-86:

ГОСТ 26802-86 соответствует международному стандарту ИСО 5755/1 в части марок ПА-Ж и ПА-ЖД. Для марки ПА-ЖГр3 прямого международного аналога в ИСО 5755/1 не установлено.

Особенности выбора и эксплуатации деталей из ПА-ЖГр3

При проектировании узлов трения с применением ПА-ЖГр3 необходимо учитывать ряд особенностей:

Пористость и режим смазки. Диапазон пористости 15–25 % обеспечивает достаточный объём пор для удержания масла. Для изделий, работающих преимущественно в режиме самосмазывания, целесообразна пористость ближе к верхнему пределу (20–25 %). Для нагруженных деталей с обильной смазкой предпочтительна более низкая пористость (15–20 %), обеспечивающая большую прочность.

Ответный элемент пары трения. Железографитовые подшипники, как правило, работают в паре с валами из углеродистой или легированной стали. Твёрдость вала должна быть достаточной для предотвращения его износа парой трения.

Ограничения по скорости. Предельная скорость скольжения для общей группы железографитовых материалов составляет 2–3 м/с. Для ПА-ЖГр3 с повышенным содержанием графита допускается работа при скоростях до 5 м/с, однако при этом необходимо контролировать температурный режим узла.

Температурный режим. Рабочая температура деталей из ПА-ЖГр3 ограничивается стойкостью масляной пропитки и стабильностью структуры. При повышенных температурах масло выгорает из пор, что приводит к росту коэффициента трения и ускоренному износу.