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 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ		15
		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

Тип порошковых сплавов	Назначение	Исходные материалы
Антифрикционные	Для подшипников скольже­ния	Порошки железа и графита Порошки меди, олова и гра­фита
Фрикционные	Для тормозных дисков	Порошки меди, олова, свин­ца, графита, асбеста и пр. Порошки железа, свинца, графита и асбеста
Пористые	Для фильтров	Бронзовая дробь
Плотные	Для деталей машин из стали и жаропрочных и окалино-стойких сплавов	Порошки железа и различ­ных металлов
Тугоплавкие	ДЛЯ проволоки ДЛЯ ламп контактов и деталей при­боров	Порошки вольфрама, мо­либдена и других туго-плавких металлов
Электротех­нические	Для контактов н постоянных магнитов	Порошки меди, вольфрама и др. Порошки железа, алюминия, никеля и кобальта.
Твердые сплавы	Для режущего инструмента. Волок, буры	Порошки карбида воль­фрама, карбида титана, кобальта

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, отсутствие литейных дефектов: ликвации, раковин и т. д., а также возможность высокой производительности при изготовлении из них мелких деталей простой формы, узкие пределы допусков и минимальная последующая меха­ническая обработка деталей из них; наконец, в отдельных случаях преимуществами является экономия материалов (малые отходы производства), сокращение трудоемкости процесса изготовления деталей, экономия инструмента. При этом наиболее экономичным является производство деталей из железного порошка, получае­мого из руды прямым восстановлением.

Несмотря на все эти достоинства, порошковые сплавы еще не заняли подобающего места в современном машиностроении, так как этому препятствует высокая цена порошков, высокая цена штампов для прессования, особенно для прессования крупных де­талей и сложных по форме изделий, меньшая прочность и вязкость металлокерамических сплавов по сравнению с катаными, коваными и литыми, трудность обеспечения безупречной чистоты сплава в ус­ловиях массового производства.

При конструировании деталей из порошковых сплавов необхо­димо учитывать следующие требования, определяемые условиями их прессования: не применять острых углов и пересечений; избегать больших и резких изменений сечений; внешние и внутренние резьбы, купавки, углы, отверстия, перпендикулярные к направлению прес­сования, выполнять посредством механической обработки после прессования; принимать во внимание, что слишком длинные детали после прессования дают неплотную центральную часть.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Айзенкольб Ф. Порошковая металлургия. М., Металлургиздат 1959.

2. Андриевский Р. А. Пористые металлокерамические материалы. М.,

Металлургия, 1964.

3. Бальшин М. Ю. Порошковое металловедение. М., Металлургиздат 1948.

4. Борок Б. А. и Ольхов И. И, Порошковая металлургия. М.. Металлургиздат,

1948,

5. Виноградов Г. А. и др. Прессование и прокатка металлокерамнческих

материалов. М., Машгиз, 1963.

6. Вопросы порошковой металлургии и прочности материалов. Вып. I—VI.

Киев, АН УССР, 1956—1959, в настоящее время журнал «Порошковая

метал­лургия», АН УССР.

7. Киффер Р., Шварцкопф П. Твердые сплавы. М., Металлург­издат, 1957.

8. Порошковая металлургия. М. Металлургиздат, 1954.

9. Раковский В. С. и др. Твердые сплавы в машиностроении. М., Машгиз,

1955.

10.Федорченко И. М., Андриевский Р. Л. Основы порошковой

металлургии. Киев, AИ УССР, 1963.