Порошковые и композиционные материалы

инистерство образования РФ

Тюменский Государственный Нефтегазовый Университет

Кафедра «Материаловедения»

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Материаловедение»

На тему:

Порошковые и композиционные материалы

Выполнил: студент группы ___________

Relax

Проверил:

Тюмень 2001

Содержание

|I. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ |3 |
|Композиционные материалы |3 |
|Карбоволокниты |3 |
|Бороволокниты |4 |
|Органоволокниты |4 |
|Металлы, армированные волокнами |4 |
|II. ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ |4 |
|III. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ |5 |
|Производство порошков |5 |
|Испытание порошков |6 |
|Прессование |6 |
|Спекание |7 |
|IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ |8 |
|Микроструктура |8 |
|Область применения |10 |
|Схема производства |11 |
|VI. ПРОЧИЕ ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ |12 |
|Антифрикционные сплавы |12 |
|Фрикционные материалы | |13 |
| | | |
| | |14 |
|Пористые фильтры | | |
|Керметы |15 | |
| | | |
|СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ | | |
| |17 | |

I. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционные материалы — это искусственные материалы, получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов является матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна - стеклянные, борные, углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. При составлении композиции эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемым и значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т. п.

Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет 20-80 % по объему. Свойства матрицы определяют прочность композиционного материала при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя определяют прочность.

Композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость, жаропрочность и термическую стабильность. Так, для карбоволокнитов d=650-
1700 МПа, а для бороволокнитов d=900-1750 МПа. Плотность композиционных материалов 1,35- 1,8 г/см^3 Композиционные материалы являются весьма перспективными конструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.

Карбоволокниты (углепласты) - это композиции из полимерной матрицы и упрочнителей в виде углеродных волокон. Для полимерной матрицы используются полиимиды, эпоксидные и фенол формальдегидные смолы. Карбоволокниты КМУ-2 и
КМУ-2л на основе полиимидов можно применять при температуре до 300°С Они водо- и химостойки. Карбоволокниты содержат, наряду с угольными, стеклянные волокна, что удешевляет материал. Карбоволокниты используют в химической, судостроительной и авиационной промышленности.

При обработке обычных полимерных карбоволокнитов в инертной или восстановительной атмосфере получают графитированные карбоволокниты или
Карбоволокниты на углеродной матрице. Так, карбоволокнит на углеродной матрице типа КУП-ВМ по прочности и ударной вязкости в 5—10 раз превосходит специальные графиты: При нагреве в инертной атмосфере он сохраняет прочность до 2200*C. Карбоволокниты с углеродной матрицей широко применяют при изготовлении химической аппаратуры.

Бороволокниты — это композиции из полимерного связующего и упрочнителя
- борных волокон. Для получения бороволокнитов применяют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты имеют высокую прочность при сжатии, сдвиге, высокую твердость, тепло- и электропроводность.
Бороволокниты водо- и химостойки. Изделия из бороволокнитов применяют в космической и авиационной технике (лопатки и роторы компрессоров, лопасти винтов вертолетов и т. д.).

Органоволокниты - это композиции из полимерного связующего и упрочнителей из синтетических волокон. Упрочнителями служат эластичные волокна, лавсан, капрон, нитрон и др. Связующими служат полиимиды, эпоксидные и фенолформальдегидные смолы. Органоволокниты имеют малую плотность, сравнительно высокую ударную вязкость. Органоволокниты применяют в авиационной технике, электропромышленности, химическом машиностроении и др.

Металлы, армированные волокнами - композиционные материалы с металлической матрицей и упрочнителями в виде волокон. Упрочнителями служат волокна бора, углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений, вольфрамовая или стальная проволока. Матричный материал выбирают из учета назначения композиционного материала (коррозионная стойкость, сопротивление окислению и др.). В качестве матриц используют легкие и пластичные металлы, алюминий, магний и их сплавы. Количество упрочнителя составляет по объему
30-50%. Металлы, армированные волокнами, применяются в авиационной и ракетной технике.
Использование композиционных материалов требует в ряде случаев создания новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования деталей и узлов машин.

II. ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ

Сплавы, изготовляемые из металлических порошков путем прессования и спекания без расплавления или с частичным расплавлением наиболее легкоплавкой составляющей их, называются порошковыми.

Несмотря на то, что объем производства порошковых сплавов невелик и составляет всего 0,1% от общего объема производства металлов, они имеют очень большое значение в народном хозяйстве и область их применения чрезвычайно широка. При этом изготовление многих сплавов практически возможно только из порошка, например, изготовление твердых металлокерамических сплавов, керметов, сплавов из тугоплавких металлов — вольфрам, молибден, тантал, ниобий — или композиций этих металлов с легкоплавкими металлами, или из металлов с неметаллическими материалами.
Многие детали из порошковых сплавов отличаются лучшими качествами и дешевле, чем из обычных металлов.
Области применения и составы порошковых сплавов приведены в табл. 1.
Особенно велико значение порошковой металлургии в новых отраслях техники: атомной и химической промышленности, ракетной технике, реактивных двигателях, радио- и электротехнике, энергетической промышленности и в производстве особо жаропрочных сплавов.

III. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ

Процесс производства порошковых сплавов заключается в получении порошка, составлении шихты, прессовании и спекании.

Производство порошков. Важнейшими методами производства порошков являются:

1) восстановление металлов из окислов;

2) механическое измельчение;

3) электролитическое осаждение;

4) распыление жидкого металла;

5) нагрев и разложение карбонилов.

Наибольшим распространением пользуются первые два метода.
Восстановление металлов из окислов широко применяется в производстве порошков тугоплавких редких металлов, вольфрама и молибдена, а также кобальта, никеля и железа. Руды редких металлов подвергаются сложной переработке и размолу для получения порошков окислов, которые восстанавливаются затем путем нагрева в газовой среде водородом, генераторным газом или твердыми восстановителями—сажей, коксом, графитом.
Иногда применяется комбинированное восстановлена путем нагрева вместе с твердым и газовым восстановителем. Восстановление из окислов позволяет получить очень мелкие и чистые порошки.

Таблица 1. Применение и состав порошковых сплавов

При механическом измельчении — размоле на шаровых, молотковых и особенно на вихревых мельницах — наиболее выгодным является использование металлической стружки. Шаровые мельницы применяются для размола хрупких металлов — чугуна, закаленной стали, бронзы, окислов и др. Молотковые мельницы применяются для получения порошков алюминия и бронзы.

С 1930 г. начали широко применять вихревые мельницы, в которых измельчение производится ударами частиц металла друг о друга под действием воздушных вихрей. Вихревое дробление применяется для производства железных порошков для пористых подшипников, стальных деталей и др. Некоторые металлы, например алюминий и магний, во избежание воспламенения измельчают в защитной атмосфере. Порошки, полученные путем механического измельчения, тверды, плохо прессуются и требуют отжига для снятия наклона.

Электролитическое осаждение применяется для производства порошков электроположительных металлов — меди и некоторых других металлов, например, титана, ванадия я других, а иногда также и железа.

Распыление жидкого металла потоком сжатого воздуха, пара или инертного газа сначала применяли для производства порошков легкоплавких металлов — алюминия, олова и свинца. В настоящее время этим методом распыляют также расплавленные сталь и чугун.

Испытание порошков. Порошковая металлургия предъявляет ряд требований к форме и размерам порошков. Например, для некоторых деталей требуются порошки чешуйчатой формы, полученные на вихревых мельницах, а для фильтров, наоборот, — шарообразной формы, полученные распылением. Прессуются лучше крупные порошки, особенно если среди них есть и мелкие частицы, а спекаются лучше мелкие. Зернистость порошков определяется путем ситового анализа: порошок просеивают через ряд сит со все более мелкими отверстиями и взвешивают остатки с каждого сита. Форму зерен определяют, рассматривая их под микроскопом с сетчатым окуляром. Насыпной вес порошка определяется весом 1 см3 свободно насыпанного порошка. Он зависит от размера, формы и состояния поверхности его частиц и является очень важной его характеристикой.

При конструировании прессформ необходимо знать насыпной вес порошка, который будет в них прессоваться, чтобы определить объем полости матрицы и ход пуансона. Перед прессованием порошки просеивают, подвергают смягчающему или восстановительному отжигу и тщательно (длительно) перемешивают.

Прессование. Для прессования применяют большей частью быстроходные легко автоматизируемые эксцентриковые (кривошипные) прессы, а иногда и тихоходные гидравлические прессы. Прессование производится в прессформах при давлении от 10 до 100 кГ/мм2 (от 98 до 981 Мн/м2) в зависимости от твердости порошка и формы изделия: чем тверже порошок, тем больше давление прессования, при этом усадка получается от 2:1 до 6:1.

Вследствие трения порошка о стенки прессформы процесс прессования получается прерывистым, ступенчатым, нагрузка и сжатие порошка меняются скачками. Важнейшую роль при сильных давлениях прессования играет пластическая деформация частиц порошка, которая вызывает увеличение поверхности соприкосновения (контактной поверхности) их между собой.
Прочность прессования объясняется двумя причинами: атомарным схватыванием на контактной поверхности — «зацеплениями», переплетением неровностей на поверхности частиц порошка.

В различных частях сечения порошок уплотняется неодинаково. При последующем спекании усадка может оказаться неоднородной, и недопрессованная часть будет плохо спекаться. Поэтому прессование проходит лучше при наличии деталей небольшой высоты. Вместе с тем порошок не может, подобно жидкости, заполнить очень сложную фасонную форму; следовательно, из порошковых сплавов можно изготовлять детали сравнительно не очень сложной формы.

Спекание. Для спекания порошковых сплавов применяют электропечи с металлическим сопротивлением, с угольными сопротивлениями в виде труб и высокочастотные. Спекание производится в защитной атмосфере. Для спекания медных сплавов, железа и фрикционных материалов применяют защитные атмосферы, получаемые при частичном сжигании газа. При спекании вольфрама, молибдена, твердых сплавов, магнитных и электротехнических материалов применяют водород. Температура спекания составляет примерно 2/3 температуры плавления металла, например для меди 800-850° С, для железа — 1050-1150° С.
Длительность спекания примерно 2—3 ч. Различаются два основных типа спекания — спекание однокомпонентной системы, спекание многокомпонентной системы с образованием или без образования жидкой фазы. При спекании происходят следующие пиления: повышение температуры увеличивает подвижность атомов, происходит изменение контактной поверхности частиц, которая большей частью увеличивается; происходит снятие напряжений в местах контакта и рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерна через контактные поверхности; восстанавливаются окислы и удаляются адсорбированные газы и жидкости, и результате контакт становится металлическим.

В случае многокомпонентных систем, кроме перечисленных явлений, происходит образование твердых растворов, диффузия и образование химических соединений. При спекании порошков с большой разницей температур плавления, например порошков карбида вольфрама с порошком кобальта, образуется жидкая фаза, которая капиллярными силами стягивает нерасплавившиеся частицы. В результате получаются плотные детали. Иногда, например при производстве медновольфрамовых электродов, сначала прессуют и спекают порошковый вольфрамовый каркас, потом пропитывают его расплавленной медью. Спекание обычно сопровождается усадкой, которая тем больше, чем выше температура спекания и чем ниже давление прессования. Усадка изменяет размеры деталей; поэтому детали, требующие высокой точности, например подшипники н зубчатые колеса, после спекания калибруют путем протягивания через сквозные прессформы. У сплавов, образующих жидкую фазу, усадка и процессе спекания составляет 5 - 25%, а у сплавов, не образующих жидкой фазы, 0,5—2,5%.

Горячее прессование, совмещающее прессование и спекание, благодаря ряду преимуществ начинает распространяется всё шире. При горячем прессовании требуется более низкое давление, которое составляет всего 5—10% давления обычного прессования. Порошок лучше заполняет форму, и горячее прессование позволяет получать детали более сложной формы и более точных размеров, не требующих калибрования. Нагрев порошка производится электрическим током.

IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Определение и классификация. Порошковым твердым сплавом называется сплав, состоящий из тончайших частиц (зерен) карбидов, например WC, связанных твердым раствором WC в кобальте. В СССР ГОСТ 3882-61 предусматривает две группы металлокерамических (порошковых) твердых сплавов
— вольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама и кобальта, и титановольфрамовые, состоящие из карбида титана, карбида вольфрама и кобальта.

Металлокерамические или порошковые твердые сплавы применяются при изготовлении пластинок для оснастки инструмента при обработке металлов резанием, волок при волочении проволоки, бурового инструмента и других целей, в том числе для износоустойчивых детален (клапанов насосов, работающих в коррозионной среде, наконечников пескоструйных аппаратов, разных направляющих) и измерительного инструмент.

Микроструктура. Качество и режущие свойства порошковых твердых сплавов зависят от их микроструктуры. Исследование их микроструктуры до травления обнаруживает пористость (рис.1, а; Х 100).

Микроструктура вольфрамокобальтового твердого сплава ВК 15 после травления насыщенным солянокислым раствором хлорного железа (рис.1 б; X
1500) обнаруживает следующие две фазы:
-светлые угловатые и шпалообразные зерна фазы WC;
-протравленные в темный цвет участки фазы твердого раствора WC в кобальте.

Светлые зерна WC являются очень твердыми, в режущем инструменте они служат элементарными режущими частичками, а твердый раствор WC в кобальте— относительно менее твердый, но более вязкий служит связкой (цементом), соединяющей между собой зерна WC. Твердый раствор WC в кобальте лучше протравливается легким окислением на воздухе в электрической печи при 400°
С в течение 10 мин (рис.1, в; X 1500), но очертания WC выявляются здесь менее четко.

В общем, чем мельче частички (зерна) и чем равномернее они распределены в микроструктуре, тем лучше режущие свойства и тем выше прочность металлокерамического (порошкового) вольфрамового твердого сплава данной марки. Крупные же зерна WC ухудшают свойства этих сплавов.

Микроструктура титановольфрамокобальтового сплава Т15K6 после травления окислением на воздухе в электропечи при 400° С

Рис.1 Микроструктура твердого сплава ВК15.

в течение 40 мин. (рис.2, а) состоит из трех фаз: угловатых светлых зерен фазы WC, окаймленных темной фазой (твердого раствора карбидов WC и TiС в кобальте и серой титановой фазы), твердого раствора WC в TiC.

Карбид вольфрама WC почти не рястворяет титана, зато карбид титана TiC растворяет очень много вольфрама, например, до 70% при комнатной температуре и до 90% при высокой температуре.

Чем мельче и равномернее распределены светлые зерна фазы WC (рис.2,б), тем лучше режущие свойства и прочность твердого сплава Т15К6.
Зерна титановой фазы имеют округлую форму (рис.2, в); они выявляются путем травления в щелочном растворе K4Fe(CN)6. Хорошим режущим свойствам сплава Т15К6 отвечает микроструктура из средних или крупных зерен титановой фазы.

Избыток углерода в порошковых твердых сплавах вызывает появление в их микроструктуре графита, а при недостатке углерода образуется n1-фаза (W4Co4C).

Присутствие графита, n1-фазы и других посторонних включений в микроструктуре порошковых твердых сплавов ухудшает их качество.
Механические и физические свойства. Предел прочности на изгиб и твердость порошкового твердого сплава зависят от содержания в нем кобальта. Чем больше в твердом сплаве кобальта и

Рис.2. Микроструктура твердого сплава Т15К6 (Х1500).

чем крупнее зерна карбидов, тем выше предел прочности на изгиб, но тем ниже твердость. Однако повышение содержания кобальта сверх 15% нарушает сплошной каркас из зерен карбида и резко снижает предел прочности на изгиб.

В случае уменьшения содержания кобальта и применения мелкозернистых карбидов, которые лучше растворяются в кобальте, вязкость и предел прочности на изгиб снижаются, но твердость и износостойкость увеличиваются.

Удельный вес характеризует степень пористости сплава. Высокая теплопроводность способствует отводу тепла от режущей кромки и увеличивает стойкость инструмента.

Красностойкость твердых сплавов, т. е. способность сохранять структуру и режущие свойства при высоких температурах, значительно выше красностойкости быстрорежущей стали. При этом чем меньше кобальта в сплаве и чем он мелкозернистее, тем выше крастостойкость. Титановольфрамовые сплавы обладают большей красностойкостью, чем однокарбидные вольфрамовые, что особенно важно при обработке стали. Кроме того, наличие карбида титана снижает коэффициент трения и увеличивает износостойкость дву-карбидных сплавов.

Слипаемость или сцепление твердого сплава с обрабатываемым материалом резко ухудшает обрабатываемость, особенно стальных деталей.
Титановольфрамовые твердые сплавы группы ТК отличаются меньшей слипаемостью, которая начинается у них при более высоких температурах, чем у вольфрамовых ВК. Кроме того, чем меньше в твердом сплаве кобальта, тем меньше слипаемость.

Область применения. При обработке чугуна и цветных сплавов преимущественно применяют однокарбидные вольфрамовые твердые сплавы группы
ВК. Сплавы ВК2 и ВКЗМ применяют для снятия легкой стружки на больших скоростях резания и для обработки самых твердых материалов — стекла, фарфора, пластмасс и т. д. Сплав ВКЗМ отличается также высокой износостойкостью за счет мелкозернистости.

Сплав ВК6М применяют для скоростного, полуобдирочного и чистового точения. Сплавы ВК6 и ВК8 применяют для обдирочного точения и для изготовления инструмента, подвергаемого в работе ударам и толчкам. Сплавы
ВК6В и ВК15 применяют для бурового инструмента и т. д.

При обработке некоторых марок стали получается непрерывная сливная стружка, которая все время соприкасается с твердым сплавом и передает ему большее количество тепла. Здесь решающее значение приобретает красностойкость, наименьший коэффициент трения и особенно слипаемость.
Поэтому для обработки стали преимущественно применяют титановольфрамовые твердые сплавы группы ТК.

Сплав ТЗ0 К4 применяют для снятия легкой стружки при самых больших скоростях резания, сплав Т15К6 — для полуобдирочной и чистовой работы и для скоростной обработки и сплав T5K12B – для тяжелого чернового точения, требующего прочного инструмента.

У титанотанталовольфрамового сплава наивысшая эксплуатационная прочность и сопротивление вибрациям и выкрашиванию, поэтому он применяется для самого тяжелого чернового точения углеродистых и легированных сталей.

В настоящее время почти половина всей обработки металлов однолезвийным инструментом производится с использованием порошковых твердых сплавов.
Внедрение твердосплавного инструмента потребовало создания станков новых конструкций, позволяющих осуществлять высокие скорости резания — до
1000—2000 м/мин и выше.

Инструмент из твердых сплавов затачивают на специальных кругах
(карборунд «экстра») или на кругах из искусственных (синтетических) алмазов, а доводят на пасте из карбида бора. При доводке твердых сплавов химическое воздействие пасты имеет большее значение, чем механическое.

Препятствие на пути полной замены быстрорежущей стали твердыми сплавами, в которых дефицитный вольфрам используется в 10 раз эффективнее, заключается в том, что по своей природе твердые сплавы пригодны не для всех случаев механической обработки, а также вследствии сложности изготовления из них фасонного инструмента.
Применение порошковых твердых сплавов ограничивается пластинками, которые припаивают медным припоем к стальной державке—так, например, изготовляют резцы.

Схема производства. Технологический процесс производства металлокерамических (порошковых) твердых сплавов состоит из ряда следующих операций:

1. Сначала получают грубый порошок вольфрама путем восстановления вольфрамового ангидрида W03 в потоке водорода при 700—900° С или сажей при
1500° С. Полученный грубый порошок вольфрама измельчают в течение примерно
9 ч на шаровой мельнице и просеивают.

2. Порошок вольфрама перемешивают с ламповой сажей .и карбонизируют в бумажных или угольных патронах в течение 1 ч в электропечи при 1400° С в атмосфере водорода или окиси углерода.

Полученный порошок карбида вольфрама размалывают и просеивают, как и порошок вольфрама.

Для титановольфрамового сплава карбонизации можно подвергнуть шихту из
ТiO2+ С + W и получить сразу оба карбида.

3. Полученные порошки карбидов и кобальта перемешивают в течение 24 ч и дольше в шаровой мельнице; затем их замешивают с клеем и подсушивают. В качестве клея применяют или раствор синтетического каучука в бензине или раствор парафина в четыреххлористом углероде.

4. Хорошо замешанная и подсушенная смесь подвергается прессованию при давлении примерно 10—40 кГ/мм2 (98—392 Мн/м2), причем титановольфрамовые смеси требуют большего давления прессования, чем вольфрамовые.

5. Далее производят предварительное спекание смеси при 900° С в течение примерно 1 ч в атмосфере водорода для создания прочности, необходимой при механической обработке. Предварительное спекание применяется не всегда.

6. После предварительного спекания полученный сплав разрезают и механически обрабатывают на обычных металлорежущих , станках—фрезерных, строгальных, токарных и др.

7. Окончательное спекание, в процессе которого образуется твердый сплав, проводят в атмосфере водорода или в засыпке из порошка магнезита или окиси алюминия — для вольфрамовых сплавов в течение 2 ч примерно при 1400° С, а для титановольфрамовых в течение 1—3 ч при 1500° С. Качество спекания зависит от чистоты карбида титана: чем меньше в нем азота и кислорода, тем лучше идет спекание.

В результате спекания твердый сплав дает линейную усадку до 25%, становится чрезвычайно твердым и не поддается механической обработке; твердые сплавы можно шлифовать зеленым карборундом «экстра» или подвергать электроискровой обработке.

Производство твердых сплавов требует особой чистоты, тщательного лабораторного контроле, соблюдения технологической дисциплины и всех тонкостей процесса. Качество и режущие свойства порошковых твердых сплавов зависят от технологии их производства не менее чем от их состава.

Кроме порошковых твердых сплавов, в машиностроении применяют и литые твердые сплавы, которые применяются или зернистыми или в виде электродов.
После наплавки они имеют структуру заэвтектического, легированного, белого чугуна и очень высокую твердость благодаря присутствию большого количества карбидов и карбидной эвтектики.

Литыми твердыми сплавами наплавляют штампы, токарные центры и сильно истирающиеся детали, что увеличивает в несколько раз их стойкость.

V. ПРОЧИЕ ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ

Антифрикционные сплавы. Пористые, пропитываемые маслом подшипники очень удобны в труднодоступных узлах трения и обеспечивают высокую износостойкость при малом коэффициенте трения. Кроме того, они могут заменять бронзу или позволяют более экономно расходовать цветные металлы, но наличие пор снижает их прочность и поэтому для тяжелонагруженных подшипников, например коренных и шатунных двигателей, они не применяются.
Пористые подшипники изготовляют из железного или медного порошка. Если нет опасности ржавления, то подшипники изготовляются из смеси железного порошка с графитом, который добавляется в количестве 1—2%.

Пористость в таких подшипниках 20 - 30%. После прессования и спекания они пропитываются маслом, где коррозия возможна, там применяются бронзовые подшипники.

Пористые бронзовые подшипники изготовляют из смеси порошков 88% Сu,
10% Sn и 2% графита. Пористые подшипники обладают хорошими антифрикционными качествами, но менее прочны, чем сплошные, поэтому их нельзя применять при больших нагрузках, например для шатунных и коренных подшипников двигателя.

Эти материалы отличаются способностью саморегулировать подачу смазки.
На контактной поверхности трущейся нары образуется непрерывная пленка. этим обеспечивается жидкое трение.

К антифрикционным автомобильным деталям та к же относятся направляющие втулки клапана, шестерни масляного насоса и т. д., которые изготовляются из смеси порошков 96% Fe +2,5% Сu +1,5% графита; после прессования и спекания они отжигаются при температуре 740 и 715° С, т. е. производится отжиг на зернистый перлит. Содержание углерода после спекания не менее 0,8%.
Наиболее желательной, обеспечивающей высокое качество пористых железографитных подшипников структурой является перлит с графитными включениями; в случае наличия у чих ферритной структуры они быстро изнашиваются, налипают на шейку вала и имеют высокий коэффициент трения.
Цементит в структуре железографнтных подшипников, хотя и повышает их сопротивление износу, но изнашивает и царапает шейку вала и также повышает коэффициент трения.

Фрикционные материалы. К фрикционным материалам предъявляются следующие требования: они должны иметь высокий коэффициент трения, обеспечивающий плавность торможения и минимальную пробуксовку и износостойкость как собственную» так н сопряженной стальной поверхности.
Кроме того, они должны иметь хорошую прирабатываемость, не заедать н обладать высокой теплопроводностью. Всем этим требованиям может отвечать только порошковый сплав, представляющий целый комплекс различных материалов с различными свойствами.

По условиям эксплуатации фрикционные материалы могут работать:

1)в масляной ванне, например в автоматических коробках передач современных автомобилей с фрикционными дисками и тормозными лентами:

2) при сухом трении, например тормозные накладки фрикционных механических прессов.

Фрикционные материалы изготовляются из порошков меди, олова, железа и других, образующих металлическую их основу, куда добавляются в небольшом количестве порошки кремния, двуокиси кремния (SiO2), асбеста и пр. для повышения коэффициента трения, а также порошка графита, талька, свинца и пр. для создания смазки на поверхностях трения,

Изменяя дозировку добавок, увеличивающих коэффициент трения и добавок, его снижающих, можно получить необходимые фрикционные свойства порошкового сплава, т. е. исключить пробуксовку обильно смазанных трущихся поверхностей при очень высокой износостойкости и фрикционного материала и сопряженной с ним стали.

Например, в автомобильной промышленности для работы в масле применяется фрикционный сплав из следующих порошков; 60% Сu, 10% Sn, 4%
Fe, 7% Pb, 4%; графита, 8% пульвер-бакелита и 7% асбеста.

Фрикционные сплавы отличаются невысокой прочностью, поэтому они применяют» я в виде топкого слоя или на стальном диске, или на стальной ленте. Соединение их со сталью производится двумя способами: спеканием порошкового сплава под давлением со сталью или приклеиванием.

В условиях сухого трения при торможении развивается более высокая температура и поэтому приходится применять вместо медной основы железную, отличающуюся более высокой температурой плавления.

Пористые фильтры. Из шарообразных порошков бронзы или сплавов никеля с медью или чистого никеля изготовляют металлические фильтры с объемом пор, достигающим 80% от общего объема изделия. Такие фильтры применяют в химической промышленности, а также в качестве топливных фильтров в двигателях.

Конструкционные материалы. Порошковая металлургия в данном случае должна упрощать технологический процесс, для сокращения расхода металла и снижения трудоемкости производства. Например, детали простейшей формы: небольшие шестерни, шайбы и т. д. из углеродистой или из легированной стали с успехом изготовляются методами порошковой металлургии. Порошковые сплавы также применяются для производства прецизионных сплавов, т. е. сплавов с очень небольшими колебаниями в химическом составе, биметаллов и комплексных сплавов с разным составом поверхности и сердцевины, а также особо жаропрочных сплавов и материалов для ракет н ядерных реакторов.

Электротехнические сплавы. Особенно широко порошковые сплавы применяются в электротехнике. Постоянные магниты небольшого размера, полученные из порошков Fe—Al—Ni сплавов (альни) или F'e—А1—Ni—Со сплавов
(альнико), отличаются мелкозернистостью, в отличие от литых магнитов из этих сплавов, которые крупнозернисты. Кроме того, порошковые сплавы лишены литейных дефектов: раковин, ликвации и т. д. Это позволяет получить однородную плотность магнитного потока. Допуски в размерах постоянных магнитов из порошковых сплавов гораздо уже, что сводит до минимума их механическую обработку, которая ограничивается одним шлифованием.

Порошковые сплавы позволяют соединить жаро- и износостойкость вольфрама, молибдена, никеля и графита с высокой электропроводностью меди и серебра.

Из порошковых сплавов изготовляют электрические контакты.
Сопротивление контактов искре повышается при комбинации серебра с окисью кадмия. Высокая электропроводность серебра обеспечивается его чистотой, а также отсутствием элементов, которые могут образовывать с серебром твердые растворы.

Порошковые сплавы применяют при изготовлении ряда электро- и радио- технических деталей из порошков альсифера, ферритона и карбонилььного железа.

Из порошковых сплавов изготавливают электроды для дуговой сварки, из смеси графита с медным порошком изготовляют износостойкие щетки электродвигателей. Железные порошки применяют для изготовления полюсов электродвигателей постоянного тока.

Тугоплавкие металлы и тяжелые сплавы. Из порошков методом восстановления из окислов получают металлы с очень высокой температурой плавления — вольфрам, молибден, тантал/ниобий и др. Сначала в потоке водорода восстанавливаются из окислов чистые металлы, получаемые в виде порошков. Их прессуют в брикеты и нагревают током. Далее производят ковку и прокатку. Все эти операции с вольфрамом и молибденом производят в атмосфере водорода, а с титаном н танталом—в вакууме, так как последние очень сильно поглощают газы при высоких температурах. Если металл предназначен для нитей электроламп, в него добавляют вещество, препятствующее росту зерна при высоких температурах, например окись тория.

Из порошков изготовляют также «тяжелый сплав» состава 90% W, 7,5 Ni и
2,5% Си, имеющий удельный вес до 17 и высокие механические свойства, применяемый, например, в качестве противовесов там, где по условиям конструирования места для них мало.

Керметы. Керметами называются порошковые сплавы, являющиеся композициями керамических материалов с металлами и предназначаемые для детален, работающих при высоких температурах или в агрессивной коррозионной среде.

Керметы сочетают жаропрочность, коррозионную стойкость и твердость керамических материалов (карбидов, окислов, боридов, нитридов и силицидов) с вязкостью, теплопроводностью и стойкостью при перемене температуры металлов.

Наиболее подходящим керамическим мат риалом дли этих сплавов в настоящее время является карбид титана TiC благодаря его жаропрочности, окалиностойкости и способности противостоять тепловому удару, т. е. не разрушаться при внезапных и сильных изменениях температуры.

Связующим металлом для керметов берут жаропрочный сплав из порошков никеля, кобальта н хрома, иногда с небольшим количеством молибдена.
Введение хрома повышает сопротивление ползучести и окалиностойкость керметов.

Рис.3. Микроструктура керметов (Х1000) (В. А. Хавекотт): а-FS-9 б-FS-27.

Микроструктура этих керметов (рис.3) состоит из светлых участков металлической связки, серых участков карбида титана и черных участков карбида хрома,

До сих пор еще не создано керметов с достаточной вязкостью и теплостойкостью. Возможно, что создание порошковых сплавов, удовлетворяющих всем требованиям конструкторов газовых турбин и реактивных двигателей, в значительной степени будет связано с усовершенствованием микроструктуры сплавов.

Из керметов изготовляются опытные лопатки и другие детали для реактивных двигателей и газовых турбин. Уменьшение количества карбида титана и увеличение металлической связки ведет к повышению вязкости кермета, но понижает его жаропрочность.

Более рациональным не понижающим жаропрочности керметов является создание у них наиболее мелкозернистой структуры.

К числу керметов относится и порошковый алюминиевый сплав САП, состоящий из 20% Аl2Оз и 80% А1, который по прочности при обыкновенной и особенно при повышенных температурах (до 500° С) значительно превосходит литые и деформируемые алюминиевые сплавы.

Тонкие пленки Аl2Оз в микроструктуре САП, не коагулирующие даже при повышенных температурах, препятствуют процессам рекристаллизации и разделяют его структуру на мелкие участки, ограничивающие пути скольжения при пластической деформации.

Легкие, прочные и теплоустойчивые сплавы САП применяются в атомной, авиационной и автомобильной промышленностях.

Преимущества и недостатки порошковых сплавов. К числу особенностей порошковых сплавов относится их чистота, точность дозировки, повторяемость состава, отсутств

Вернуться