 |
Порошковые металлические материалы
|
|
|
|
Металлические порошковые материалы (металлокерамика) — материалы, изготовляемые путем прессования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в вакууме или защитной атмосфере при (0,75...0,8) tпл.
Эти материалы могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.
Спекание — соединение мелкозернистых и порошкообразных материалов в куски при повышенных температурах.
При спекании происходят сложные физико-химические процессы (восстановление поверхностных оксидов, диффузия, рекристаллизация и др.) и образуется однородный твердый раствор.
Спекание позволяет получить однородный твердый раствор даже в том случае, если в равновесных условиях при плавлении использованные компоненты практически нерастворимы друг в друге.
Порошковые металлические материалы делят на компактные и пористые материалы.
Пористыми называют материалы, в которых после окончательной обработки сохраняется 10...30 % остаточной пористости.
Механические свойства изделий, полученных из металлических порошков, во многих случаях не уступают свойствам изделий, полученных обычными металлургическими методами, но сильно зависят от пористости и содержания кислорода.
Увеличение пористости и содержания кислорода заметно снижает ударную вязкость и прочность изделий.
Пористые материалы, главным образом, используются для изготовления фильтров и как антифрикционные материалы.
Для металлических порошковых материалов используют, как и для металлов, химико-термическую обработку (азотирование, хромирование, цианирование и др.), но процессы в этом случае протекают более активно ввиду наличия пористости и, следовательно, более развитой поверхности.
|
|
|
К достоинствам металлических порошковых материалов относят:
· увеличение коэффициента использования металла;
· повышение производительности; возможность получить сплавы с особыми физическими свойствами (литьем нельзя получить при требуемом химическом составе).
Недостатком металлических порошковых материалов является то, что при существующей технологии изделия из них должны быть простой симметричной формы, малых массы и размера.
Металлические порошковые материалы по назначению классифицируют на
· конструкционные,
· инструментальные (твердые) сплавы,
· сплавы специального назначения с особыми свойствами.
Конструкционные металлические порошковые материалы
Конструкционные металлические порошковые материалы по назначению классифицируются на материалы:
· антифрикционные,
· фрикционные,
· жаро-и высокопрочные,
· фильтрующие(фильтры, фазоразделители, распределители газовых и жидкостных потоков, глушители звуковых и механических колебаний, огнепреградители и др.),
· капиллярно-пористые(испарители, конденсаторы, капиллярные структуры тепловых труб, капиллярные насосы и др.),
· со специальными свойствами(пористые аноды, пластины аккумуляторных батарей, заменители костной ткани, катализаторы, каталитично-диффузионные мембраны и др.).
Антифрикционные металлические порошковые материалы имеют низкий коэффициент трения, легко прирабатываются, выдерживают значительные нагрузки и обладают хорошей износостойкостью. Подшипники из порошковых сплавов могут работать без принудительного смазывания за счет «выпотевания» масла, находящегося в порах. К антифрикционным металлическим порошковым материалам относятся железографит и бронзографит.
Железографит — пористый металлический порошковый антифрикционный материал, состоящий из железа (95...98 %) и графита (2...5 %); поры железографита заполнены маслом.
|
|
|
Добавка к железографитовым материалам серы (0,8...1,0 %) или сульфидов (3,5...4 %), образующих сульфидные пленки на трущихся поверхностях, уменьшает износ и прихватываемость сопряженных деталей, улучшает прирабатываемость.
Железографиты (например, ЖГр1, ЖгрЗ, ЖГр7, содержащие 1...7 % графита) используются для изготовления подшипников и втулок для различных узлов машин и механизмов.
Бронзографит — пористый металлический порошковый материал, содержащий частицы графита (1,5...3 %), равномерно распределенные между частицами бронзы (до 9 % Sn); поры бронзографита заполнены маслом. Бронзографиты (например, БрОГрЮ-2, БрОГр8-4) в основном используются для изготовления втулок для подшипников скольжения.
Наиболее существенной при эксплуатации изделий из антифрикционных порошковых сплавов является допустимая нагрузка:
· для железографитов она допускается до 1000... 1500 МПа,
· для бронзографитов — 400...500 МПа.
Фрикционые материалы — материалы, имеющие большой коэффициент трения и высокое сопротивление износу. Используются в тормозных устройствах.
Фрикционные металлические порошковые материалы по химическому составу принадлежат системе Fe — Сu. При этом основным компонентом может быть как железо, так и медь. Фрикционные порошковые материалы имеют повышенную хрупкость и низкую прочность.
Для упрочнения фрикционные материалы изготовляют в виде тонких секторов (сегментов, полос) и крепят на стальной основе.
Фрикционные металлические порошковые материалы на железной основе используются для изготовления деталей тормозов, тормозных накладок и др., эксплуатирующихся без смазочного материала.
Наибольшее применение получил материал ФМК-11 (15 % Сu, 9 % графита, 3 % асбеста, 3 % SiO2 и 6 % барита).
Фрикционные порошковые материалы на медной основе применяются для изготовления сегментов и дисков сцепления при жидкостном трении в паре с закаленными стальными деталями и обладают следующими потребительскими свойствами: нагрузка до 400 МПа; скорость скольжения до 40 м/с; tэ= 300...350 °С.
Жаропрочные и высокопрочные металлические порошковые материалы изготавливают на основе никеля, алюминия, титана, хрома, а также карбидов вольфрама, молибдена, циркония и других тугоплавких металлов. Эти материалы применяются для изготовления таких деталей, химический состав которых нельзя получить литьем.
|
|
|
Инструментальные металлические порошковые материалы — твердые сплавы, изготавливаемые из порошков прессованием и спеканием.
Инструментальные металлические порошковые материалы можно разделить на две группы по содержанию вольфрама и области применения: вольфрамовую и безвольфрамовую.
Инструментальные порошковые металлические материалы вольфрамовой группы изготавливают на основе карбидов вольфрама, титана и др. с кобальтовой связкой.
По природе карбидных частиц материалы вольфрамовой группы изготавливают (ГОСТ 3882—74) как:
· вольфрамовые (ВКЗ, ВК6, ВК8, ВК10);
· титановольфрамовые (Т30К4, Т15К6, Т14К8, Т5К10, Т5К12);
· титанотанталовольфрамовые(ТТ7К12, ТТ8К6, ТТ10К8-Б, ТТ20К9).
Потребительские свойства инструментальных металлических порошковых материалов вольфрамовой группы по твердости (HRA 73...75), величине модуля Юнга (Е = 500000 МПа) и температуре эксплуатации ( tэ= 620...720 °С) превосходят аналогичные показатели быстрорежущих сталей, однако уступают им по показателям прочности (σв = 900... 1000 МПа, σизг = 1400... 1650 МПа).
Инструментальные металлические порошковые материалы второй группы (безвольфрамовые) изготавливают на основе карбида титана TiC (сплав ТН-20) или карбонитрида титана Ti(NС) (сплав КНТ-16) с Ni и Мо. Никель и молибден образуют связывающую матрицу.
Среди металлических порошковых материалов специального назначения с особыми свойствами наиболее широкое распространение получили материалы следующих направлений использования:
· с высокими механическими и технологическими свойствами и релаксационной стойкостью,
· с низким коэффициентом линейного расширения и малой теплопроводностью,
· магнитные,
· с повышенной коррозионной и электрокоррозионной стойкостью.
Металлические порошковые материалы с высокими механическими и технологическими свойствами, а также обладающие релаксационной стойкостью изготавливают на основе системы из алюминия, цинка, магния и меди. Так, для деталей оптико-механических и других приборов применяют ПВ90, ПВ90Т1 и др. Эти сплавы имеют высокие механические свойства, хорошую обрабатываемость резанием и высокую релаксационную стойкость. Изделия из этих сплавов подвергают термической обработке.
|
|
|
Металлические порошковые материалы с низким коэффициентом линейного расширения и малой теплопроводностью делаются на базе алюминия с добавками кремния, никеля и других металлов. Их основное назначение — детали приборов, работающие в паре со сталью. Спеченные алюминиевые сплавы (САС) применяют в тех случаях, когда трудно получить сплав необходимого состава и свойств путем литья и обработки давлением.
Магнитодиэлектрики представляют собой композиции магнитных и изоляционных материалов.
Изоляционные материалы разделяют металлические частицы в магнитном и электрическом отношении и являются механической связкой.
В качестве изоляционных материалов применяют фенольные смолы, полихлорвинил, силикаты, каучук и др.
Содержание изоляционного компонента в магнитодиэлектриках составляет 5... 15 %.
Композиционные материалы с металлической матрицей
Композиционные материалы с металлической матрицей (металлокомпозиты) — материалы, состоящие из металлической (чаще Аl, Mg, Ni и их сплавы) матрицы, упрочненной высокопрочными волокнами (волокнистые материалы) или тугоплавкими тонкодисперсными частицами, не растворяющимися в металле матрицы (дисперсно-упрочненные материалы).
Композиционные материалы с металлической матрицей отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50... 100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/ρ) и пониженной склонностью к трещинообразованию и высокой жаропрочностью.
Металлические матрицы обладают высокой реакционной способностью в жидкофазном состоянии и высоким сопротивлением деформированию в твердофазном, что создает проблемы химической и механической совместимости.
Применение композиционных материалов с металлической матрицей повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости. Технология получения полуфабрикатов и изделий из таких материалов достаточно хорошо отработана.
Композиционные материалы с металлической матрицей как конструкционные материалы используются
· в авиации для высоконагруженных деталей (обшивки лонжеронов, панелей и др.) и двигателей (лопаток компрессоров и турбин и др.) самолетов,
· в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и др.,
|
|
|
· в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и др.),
· в промышленном и гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и др.).
В композиционных дисперсно-упрочненных материалах с металлической матрицей последняя является основным элементом, несущим нагрузку, и эффект упрочнения достигается за счет торможения движения дислокаций в ней дисперсными частицами упрочняющей фазы.
Высокая прочность достигается при размере частиц упрочняющей фазы 10...500 нм, среднем расстоянии между ними 100...500 нм и равномерном распределении их в матрице. Оптимальное содержание частиц для обеспечения прочности и жаропрочности в различных дисперсно-упрочненных материалах неодинаково, но их объемная доля обычно не превышает 5... 10 %.
Дисперсно-упрочненные металлокомпозиты могут быть получены на основе большинства применяемых в технике металлов и сплавов.
Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия — САП (спеченный алюминиевый порошок). В спеченном сплаве алюминий является матрицей ячеистого строения, в которой включены в качестве фазы-упрочнителя дисперсные частицы Аl2О3.
Содержание Аl2О3 в САП колеблется от 6...9 до 13...22 %. С увеличением содержания Аl2О3 прочность повышается, а относительное удлинение соответственно снижается. Оптимальное количество Аl2О3 – 20...22 %.
Плотность САП равна плотности алюминия. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы.
Пластичность этих сплавов удовлетворительная, что объясняется влиянием матрицы. САП не уступают алюминию по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и коррозионно-стойкие стали при температурах эксплуатации 250...500 °С.
Сплавы САП после спекания прокатывают в листы, прутки разного профиля или подвергают штамповке. Они используются в качестве жаропрочных для работы при температурах на 30…50°С выше, чем у деформируемых и литейных алюминиевых сплавав.
Большие перспективы у никелевых дисперсионно-упрочненных металлокомпозитов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с объемной долей 2...3 % двуоксида тория (ВДУ-1) или двуоксида гафния (ВДУ-2). Матрица этих сплавов — обычно γ-твердый раствор Ni + 20 % Cr, Ni + 15 % Mo, Ni + 20 % Сr и Мо.
Наибольшее применение получили сплавы ВДУ-1, ВДУ-2 и ВДУ-3 (матрица Ni + 20 % Сr, упрочненная оксидом тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. Так, сплав ВДУ-1 при температуре 1200 °С имеет σ100 = 75 МПа и σ1000 = 65 МПа.
Использование в качестве упрочняющих частиц стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), не растворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую прочность материала до 0,9...0,95 tпл.
Композиционные материалы с металлической матрицей и волокнистым упрочнителем
Металлокомпозиты с волокнистым упрочнителем в отличие от армированных пластиков имеют ряд особенностей:
· хорошую электро- и теплопроводность,
· влагостойкость,
· широкий диапазон рабочих температур,
· повышенную жесткость и прочность однонаправленных материалов в поперечном направлении и при сдвиге,
· своеобразие механизмов разрушения, а также особенности их деформирования при термомеханических воздействиях и др.
В металлокомпозитах с волокнистым упрочнителем матрица должна полностью окружать все волокна для предотвращения контакта между ними. Это достигается при содержании матрицы не менее 15..20 %. Матрица и волокна не должны между собой взаимодействовать, так как это может привести к понижению прочности материала.
Металлические волокна используют в тех случаях, когда требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. При этом сравнительно дешевое армирование осуществляют стальной проволокой.
Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные и углеродные волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Нередко в качестве волокон используют проволоку из высокопрочных сталей.
Для армирования титана и его сплавов применяют молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.
Для никелевых сплавов повышение жаропрочности достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой.
В алюминиевых, магниевых и титановых сплавах жаропрочность обеспечивается их армированием тугоплавкими непрерывными волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия. Особенностью таких волокнистых материалов является малая скорость разупрочнения во времени с повышением температуры.
Перспективными упрочнителями для волокнистых высокопрочных и высокомодульных композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др.
Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. В волокнистых одноосных композиционных материалах резко проявляется анизотропия физических свойств. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.
|
|
|
