Бронзографитовые и меднографитовые заготовки.

Бронзографитовые и меднографитовые заготовки — это изделия из пористых антифрикционных материалов, полученных методами порошковой металлургии. Основа бронзографита — оловянная бронза с равномерно распределёнными частицами графита. Основа меднографита — чистая медь с графитом. Оба материала относятся к классу спечённых металлокерамических композитов и предназначены для узлов трения, работающих в условиях ограниченной или полностью отсутствующей смазки.

Ключевое свойство этих материалов — открытая пористость. Поры заполняются маслом при пропитке, и в процессе работы масло постепенно подаётся в зону трения. Графит одновременно выполняет роль твёрдой смазки. Такая комбинация обеспечивает длительную работу подшипников скольжения, втулок, шайб и других деталей без принудительного подвода смазочного материала.

Что такое бронзографит и меднографит: принципиальные отличия

Несмотря на схожую технологию производства, бронзографит и меднографит — это разные материалы с разной матрицей и разными эксплуатационными характеристиками.

Бронзографит

Бронзографит — пористый спечённый материал на основе оловянной бронзы (медь — основа, олово — легирующий элемент) с включениями графита. Согласно ГОСТ 26719-85 «Материалы антифрикционные порошковые на основе меди. Марки», к бронзографитовым относятся марки: ПА-БрО, ПА-БрОГр, ПА-БрОГр2, ПА-БрОГр4 и ПА-БрОЖГр. Матрица — α-твёрдый раствор олова в меди. Олово повышает прочность и твёрдость материала, а графит обеспечивает самосмазывание.

Меднографит

Меднографит — спечённый композит, в котором матрицей является чистая медь (без олова), а графит присутствует в значительно большем количестве, чем в бронзографите. По ГОСТ 26719-85 к меднографитовым относится марка ПА-ДГр10 с содержанием углерода (графита) 9–11 %. Это электропроводящий антифрикционный материал с низкой пористостью (2–9 %). Основная область применения — токосъёмные элементы (щётки электромашин, контактные вставки токоприёмников), работающие одновременно на трение и на передачу электрического тока.

Химический состав и марки по ГОСТ 26719-85

ГОСТ 26719-85 устанавливает марки, химический состав и физико-механические свойства антифрикционных порошковых материалов на основе меди. Стандарт соответствует международному ИСО 5755/1 в части марок ПА-БрО, ПА-БрОГр и ПА-БрОГр2. Ниже приведены данные из таблицы стандарта.

Марка	Медь	Олово, %	Углерод (графит), %	Железо, %	Пористость, %	Твёрдость HB, МПа, не менее
ПА-БрО	Основа	9,5–10,5	до 0,25	—	18–27	350
ПА-БрОГр	Основа	9,5–10,5	0,5–1,0	—	15–28	250
ПА-БрОГр2	Основа	9,0–11,0	1,5–2,5	—	15–25	250
ПА-БрОГр4	Основа	9,0–11,0	3,0–4,5	—	10–25	200
ПА-БрОЖГр	Основа	7,5–8,5	0,5–1,0	19–21	18–28	200
ПА-ДГр10 (меднографит)	Основа	—	9,0–11,0	—	2–9	200

Кроме указанных, ГОСТ 26719-85 включает марки ПА-БрОХ (с хромом 9,5–10,5 %, олово 4,5–5,5 %, твёрдость не менее 800 МПа) и ПА-БрОХН (дополнительно легированную никелем 6,5–7,5 %, твёрдость не менее 900 МПа). Эти марки предназначены для тяжелонагруженных узлов и отличаются минимальной пористостью (4–20 %).

Технология производства порошковых заготовок

Бронзографитовые и меднографитовые заготовки получают методами порошковой металлургии. Технологическая цепочка включает несколько последовательных стадий.

Подготовка шихты

Исходными компонентами служат порошки: электролитический медный порошок (по ГОСТ 4960), порошок олова, графитовый порошок. Порошки дозируют в соответствии с требуемым составом и смешивают в смесителях до получения однородной шихты. Равномерность распределения графита в смеси — критически важный параметр, определяющий антифрикционные свойства готового изделия.

Прессование

Шихту засыпают в пресс-формы и формуют при давлении, как правило, от 200 до 600 МПа в зависимости от марки и требуемой пористости. Форма и размеры пресс-формы определяются конфигурацией будущей заготовки (втулка, кольцо, шайба, пластина и т. д.). На этапе прессования формируется «зелёная» (сырая) заготовка — прессовка, обладающая достаточной прочностью для транспортировки к печи.

Спекание

Прессовки спекают в защитной (восстановительной или инертной) атмосфере при температурах порядка 750–850 °C для бронзографитов. Во время спекания частицы меди и олова образуют твёрдый раствор (бронзовую матрицу), а графитовые включения сохраняют свою структуру. Между спечёнными частицами остаётся система открытых пор — именно они впоследствии заполняются маслом.

Калибровка и пропитка

После спекания заготовки проходят калибровку — повторное прессование для достижения заданных размеров и допусков. Затем выполняется вакуумная пропитка маслом: заготовки помещают в масляную ванну под вакуумом, воздух откачивается из пор, и масло заполняет их при восстановлении давления. Содержание масла в порах определяется пористостью и контролируется по ГОСТ 18898.

Физико-механические свойства бронзографита

Эксплуатационные характеристики бронзографита зависят от конкретной марки, пористости и условий пропитки. Ниже приведены справочные данные по основным свойствам, подтверждённые авторитетными источниками.

Коэффициент трения

Бронзографит по стали имеет коэффициент трения 0,04–0,06 при работе без смазки и 0,004–0,006 с применением масляной смазки. Эти значения характерны для пар трения «бронзографит — закалённая сталь» при нормальных условиях нагружения.

Механические характеристики по ГОСТ 26719-85

Марка	Твёрдость HB, МПа, не менее	Предел прочности при радиальном сжатии σр.с., МПа, не менее
ПА-БрО	350	140–180 (при пористости менее 22 %)
ПА-БрОГр	250	120–160 (при пористости менее 22 %)
ПА-БрОГр2	250	120–160 (при пористости менее 22 %)
ПА-БрОГр4	200	110
ПА-ДГр10	200	45

Из таблицы видна общая закономерность: с увеличением содержания графита твёрдость и прочность снижаются, но улучшаются антифрикционные свойства. Марка ПА-БрО (минимум графита) имеет наибольшую твёрдость и прочность, тогда как ПА-ДГр10 (максимум графита, без олова) — наименьшую.

Предельные рабочие параметры

Согласно справочным данным (БСЭ, Мегаэнциклопедия Кирилла и Мефодия), бронзографит в стандартном исполнении рассчитан на рабочую температуру до 75–80 °C. Максимально допустимое давление в зоне контакта составляет 6–8 МПа при скорости скольжения до 20 м/с. Произведение давления на скорость (параметр PV) является определяющим для выбора конкретной марки. Превышение допустимых режимов приводит к выдавливанию масла из пор, перегреву и ускоренному износу.

Роль пористости в работе заготовок

Пористость — ключевой технологический параметр, от которого зависит работоспособность детали. Она определяется по ГОСТ 18898 и указывается в процентах от общего объёма изделия.

Низкая пористость (2–9 %, как у ПА-ДГр10) означает малый запас масла, но высокую плотность и электропроводность. Такие материалы применяют там, где смазка подаётся извне или не требуется вовсе (токосъёмники).

Средняя и высокая пористость (15–28 %, как у бронзографитовых марок) обеспечивает большой объём масла в порах. Такие заготовки рассчитаны на длительную автономную работу без принудительной смазки — масло подаётся из пор за счёт капиллярного эффекта и нагрева в зоне трения.

Суженый интервал пористости для конкретной детали, а также дополнительные требования к микроструктуре устанавливаются в нормативно-технической документации на конкретное изделие (ГОСТ 26719-85, п. примечания к таблице).

Формы поставки бронзографитовых и меднографитовых заготовок

Заготовки из бронзографита и меднографита поставляются в различных формах, определяемых назначением конечного изделия:

• Втулки — наиболее распространённая форма. Используются как подшипники скольжения. Поставляются с указанием наружного диаметра, внутреннего диаметра и длины.
• Кольца и шайбы — применяются как упорные элементы, направляющие, распорные детали.
• Пластины и плитки — заготовки для последующей механической обработки, нарезки направляющих, изготовления вкладышей нестандартной формы.
• Цилиндрические заготовки (кругляк) — сплошные цилиндры для токарной обработки по чертежу заказчика.
• Фасонные изделия — заготовки сложной формы, получаемые прессованием в специальных пресс-формах (подпятники, сегменты, горновые уплотнения и другие нестандартные конфигурации).

Конкретные размеры и допуски определяются чертежом заказчика. Порошковая металлургия позволяет изготавливать изделия с минимальным припуском на обработку, что существенно снижает расход материала.

Области применения бронзографитовых заготовок

Бронзографитовые заготовки, пропитанные маслом, применяются в подшипниковых узлах, где затруднён или невозможен регулярный подвод смазки. Основные области:

Машиностроение и станкостроение

Втулки и подшипники скольжения для шпинделей, направляющих, распределительных механизмов. Узлы трения металлообрабатывающих станков, конвейерного оборудования, подъёмно-транспортных механизмов.

Автомобилестроение и транспорт

Втулки стартеров, генераторов, электродвигателей вентиляторов, стеклоподъёмников и других вспомогательных механизмов. Распорные втулки, шайбы в механизмах рулевого управления и подвески.

Приборостроение и бытовая техника

Подшипники малогабаритных электродвигателей вентиляторов, насосов, бытовых приборов. Бронзографитовые втулки особенно востребованы там, где требуется бесшумная работа и отсутствие обслуживания на протяжении всего срока службы изделия.

Электротехника

Меднографитовые заготовки (ПА-ДГр10) используются для изготовления токосъёмных щёток электрических машин, контактных пластин и вставок токоприёмников. Высокое содержание графита обеспечивает электропроводность и сухое скольжение по контактному кольцу или коллектору.

Критерии выбора марки для конкретного узла трения

Выбор марки бронзографитовой или меднографитовой заготовки определяется совокупностью эксплуатационных факторов. Инженеру-конструктору необходимо учитывать:

Нагрузку и скорость скольжения. Произведение удельного давления на скорость (PV) — главный параметр. Чем выше PV, тем жёстче требования к материалу. Для тяжёлых условий подходят марки ПА-БрОХ и ПА-БрОХН с пористостью 4–20 % и твёрдостью от 800–900 МПа.

Наличие смазки. Для полностью безсмазочных условий рекомендуются марки с повышенным содержанием графита (ПА-БрОГр2, ПА-БрОГр4). Для узлов с периодической смазкой достаточно ПА-БрО или ПА-БрОГр.

Температуру. Стандартные бронзографиты рассчитаны на рабочую температуру до 75–80 °C. При более высоких температурах масло теряет вязкость и может вытечь из пор, что приведёт к сухому трению и ускоренному износу.

Электропроводность. Если деталь должна передавать электрический ток (щётки, контакты), выбирают меднографит ПА-ДГр10.

Ответную поверхность. Вал или сопрягаемая деталь должны иметь твёрдость поверхности не менее 45–50 HRC и шероховатость Ra не более 0,63 мкм для обеспечения оптимальных условий трения.

Влияние графита на свойства спечённого композита

Графит в составе бронзографита и меднографита выполняет двойную роль. Во-первых, это твёрдая смазка — частицы графита при трении образуют на рабочей поверхности тонкую плёнку, снижающую коэффициент трения. Во-вторых, графит влияет на пористость и микроструктуру спечённого тела.

С увеличением содержания графита происходит следующее:

• снижается твёрдость и механическая прочность матрицы (что видно из таблицы ГОСТ 26719-85: от 350 МПа при минимуме графита до 200 МПа при максимуме);
• улучшается приработка пары трения;
• возрастает способность к самосмазыванию;
• снижается адгезия (схватывание) контактных поверхностей.

Оптимальное содержание графита подбирается в зависимости от баланса между прочностью и антифрикционными свойствами, необходимыми для конкретного узла трения.

Особенности механической обработки бронзографитовых заготовок

Детали из порошковых бронзографитовых заготовок, как правило, требуют минимальной доработки. Тем не менее в ряде случаев необходима токарная обработка, расточка, подрезка торцов или фрезерование масляных канавок.

При механической обработке спечённых заготовок следует учитывать:

• Пористый материал склонен к выкрашиванию кромок. Рекомендуется использовать острый инструмент с положительными передними углами и умеренные подачи.
• Применение СОЖ (смазочно-охлаждающей жидкости) допускается ограниченно, поскольку жидкость проникает в поры и может вытеснить масло или загрязнить его. После обработки с СОЖ требуется промывка и повторная пропитка маслом.
• Сухая обработка или обработка с минимальной подачей масляного тумана предпочтительна для сохранения масляной пропитки в порах.
• Запрессовка втулок в корпус должна выполняться без ударов, с контролем посадочных размеров, чтобы не деформировать пористую структуру и не нарушить внутренний диаметр.

Хранение и транспортировка заготовок

Пропитанные маслом бронзографитовые заготовки хранят в заводской упаковке при температуре не ниже +5 °C, в сухих закрытых помещениях, исключая воздействие прямых солнечных лучей и агрессивных сред. Контакт с растворителями и моющими средствами недопустим — они вымывают масло из пор. Срок хранения пропитанных изделий ограничен и определяется нормативной документацией производителя.

Непропитанные заготовки (без масла) менее требовательны к условиям хранения, однако их поры должны быть защищены от загрязнения пылью, абразивом и влагой. Перед установкой в узел такие заготовки подлежат обязательной вакуумной пропитке маслом.

Нормативная документация

Основные стандарты, регламентирующие свойства бронзографитовых и меднографитовых материалов:

• ГОСТ 26719-85 — Материалы антифрикционные порошковые на основе меди. Марки. Устанавливает химический состав, пористость, твёрдость, предел прочности при радиальном сжатии для марок ПА-БрО, ПА-БрОГр, ПА-БрОГр2, ПА-БрОГр4, ПА-БрОЖГр, ПА-БрОХ, ПА-БрОХН и ПА-ДГр10.
• ГОСТ 18898 — Изделия порошковые. Методы определения плотности, содержания масла и пористости.
• ГОСТ 25698 — Порошковые изделия. Методы определения твёрдости.
• ГОСТ 26529-85 — Материалы порошковые. Метод испытания на радиальное сжатие.
• ГОСТ 26614-85 — Материалы антифрикционные порошковые. Метод определения триботехнических свойств.

Помимо этих ГОСТов, конкретные изделия могут производиться по техническим условиям (ТУ) предприятий-изготовителей, в которых могут быть установлены дополнительные требования к микроструктуре, допускам размеров и содержанию масла.

Преимущества спечённых антифрикционных заготовок перед литой бронзой

Порошковые бронзографитовые заготовки имеют ряд эксплуатационных и технологических преимуществ по сравнению с деталями из литой оловянной бронзы (например, графитовой бронзы):

• Самосмазывание. Масло в порах обеспечивает автономную работу без принудительной смазки. Литая бронза этим свойством не обладает.
• Экономия металла. Порошковая технология позволяет получать заготовки, максимально приближённые к форме готовой детали (near-net-shape), с минимальными отходами при обработке.
• Воспроизводимость свойств. Контроль состава шихты, давления прессования и режима спекания обеспечивает стабильность характеристик от партии к партии.
• Немагнитность. Бронзографит не обладает магнитными свойствами, что важно для приборостроения и электротехники.
• Коррозионная стойкость. Медная матрица устойчива к атмосферной коррозии и воздействию масел.

Как правильно составить заявку на бронзографитовые заготовки

При заказе бронзографитовых или меднографитовых заготовок рекомендуется указывать только действительно критичные параметры с максимально широкими допусками. Чем больше ограничений и уже диапазоны значений, тем выше стоимость производства. Минимально необходимый перечень информации для заказа:

• Тип оборудования и название узла, в котором будет работать деталь.
• Чертёж или эскиз заготовки с размерами и допусками.
• Материал и твёрдость ответной детали (вала), шероховатость поверхности.
• Скорости рабочих движений (частота вращения или линейная скорость).
• Рабочая среда (воздух, масло, вода, пар, агрессивные жидкости).
• Диапазон рабочих температур.
• Наличие и тип смазки в узле.
• Нагрузки с указанием направления, величины и характера (постоянные, циклические).
• Контакт с пищевыми продуктами (если применимо).
• Марка ранее применявшегося материала (при замене).
• Минимальное количество изделий для первоначальной поставки.

Указание избыточных требований без реальной необходимости (например, узкий диапазон пористости или жёсткие допуски по составу) существенно удорожает изготовление. Технолог должен определить, какие параметры критичны для работоспособности узла, а какие могут варьироваться в широких пределах.