Реферат: 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

Пористые фильтры Керметы СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 15 17 I.КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционныематериалы— это искусственные материалы,получаемые сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентовявляется матрица (основа), другим — упрочнители (волокна, частицы). В качествематриц используют полимерные, металлические, керамические и углеродныематериалы. Упрочнителями служат волокна — стеклянные, борные, углеродные,органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов и др.) иметаллические проволоки, обладающие высокой прочностью и жесткостью. Присоставлении композиции эффективно используютсяиндивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционныхматериалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения ипрочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов, можно,в зависимости от назначения, получать материалы с требуемым и значениямипрочности, жаропрочности, модуля упругости или получать композиции снеобходимыми специальными свойствами, например магнитными и т. п.

Содержание упрочнителя вкомпозиционных материалах составляет 20-80 % по объему. Свойства матрицыопределяют прочность композиционного материала при сжатии и сдвиге. Свойстваупрочнителя определяют прочность.

Композиционные материалыимеют высокую прочность, жесткость, жаропрочность и термическую стабильность.Так, для карбоволокнитов d=650-1700МПа, а для бороволокнитов d=900-1750 МПа. Плотность композиционных материалов1,35- 1,8 г/см^3 Композиционные материалы являются весьма перспективнымиконструкционными материалами для многих отраслей машиностроения.

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

При обработке обычных полимерных карбоволокнитов винертной или восстановительной атмосфере получают графитированныекарбоволокниты или Карбоволокниты на углеродной матрице. Так, карбоволокнит науглеродной матрице типа КУП-ВМ по прочности и ударной вязкости в 5—10 разпревосходит специальные графиты: При нагреве в инертной атмосфере он сохраняетпрочность до 2200*C. Карбоволокниты с углеродной матрицей широко применяют приизготовлении химической аппаратуры.

Бороволокниты — это композиции из полимерногосвязующего и упрочнителя — борных волокон. Для получения бороволокнитов применяютмодифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты имеютвысокую прочность при сжатии, сдвиге, высокую твердость, тепло- иэлектропроводность. Бороволокниты водо- и химостойки. Изделия из бороволокнитовприменяют в космической и авиационной технике (лопатки и роторы компрессоров,лопасти винтов вертолетов и т. д.).

Органоволокниты — это композиции из полимерногосвязующего и упрочнителей из синтетических волокон. Упрочнителями служат эластичныеволокна, лавсан, капрон, нитрон и др. Связующими служат полиимиды, эпоксидные ифенолформальдегидные смолы. Органоволокниты имеют малую плотность, сравнительновысокую ударную вязкость. Органоволокниты применяют в авиационной технике,электропромышленности, химическом машиностроении и др.

Металлы,армированные волокнами — композиционные материалы с металлической матрицей и упрочнителями ввиде волокон. Упрочнителями служат волокна бора, углеродные волокна, нитевидныекристаллы тугоплавких соединений, вольфрамовая или стальная проволока.Матричный материал выбирают из учета назначения композиционного материала(коррозионная стойкость, сопротивление окислению и др.). В качестве матрициспользуют легкие и пластичные металлы, алюминий, магний и их сплавы.Количество упрочнителя составляет по объему 30-50%. Металлы, армированныеволокнами, применяются в авиационной и ракетной технике.

Использование композиционных материалов требует вряде случаев создания новых методов изготовления деталей и изменения принциповконструирования деталей и узлов машин.

II.ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫСплавы, изготовляемые из металлическихпорошков путем прессования и спекания без расплавления или с частичнымрасплавлением наиболее легкоплавкой составляющей их, называются порошковыми.

Несмотря на то, что объем производства порошковыхсплавов невелик и составляет всего 0,1% от общего объема производства металлов,они имеют очень большое значение в народном хозяйстве и область их применениячрезвычайно широка. При этом изготовление многих сплавов практически возможнотолько 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 снеметаллическими материалами. Многие детали из порошковых сплавов отличаютсялучшими качествами и дешевле, чем из обычных металлов.

Области применения и составы порошковых сплавовприведены в табл. 1.

Особенно велико значение порошковой металлургии вновых отраслях техники: атомной и химической промышленности, ракетной технике,реактивных двигателях, радио- и электротехнике, энергетической промышленности ив производстве особо жаропрочных сплавов.

III. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВАПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ

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

Производство порошков. Важнейшими методами производства порошков являются:

1) восстановление металлов изокислов;

2) механическое измельчение;

3) электролитическое осаждение;

4) распыление жидкого металла;

5) нагрев и разложение карбонилов.

Наибольшим распространением пользуются первые дваметода.

Восстановлениеметаллов из окислов широко применяется в производстве порошков тугоплавкихредких металлов, вольфрама и молибдена, а также кобальта, никеля и железа. Рудыредких металлов подвергаются сложной переработке и размолу для полученияпорошков окислов, которые восстанавливаются затем путем нагрева в газовойсреде водородом, генераторным газом или твердыми восстановителями—сажей,коксом, графитом. Иногда применяется комбинированное восстановлена путемнагрева вместе с твердым и газовым восстановителем. Восстановление из окисловпозволяет 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 нашаровых, молотковых и особенно на вихревых мельницах — наиболее выгоднымявляется использование металлической стружки. Шаровые мельницы применяются дляразмола 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, вкоторых измельчение производится ударами частиц металла друг о друга поддействием воздушных вихрей. Вихревое дробление применяется для производстважелезных порошков для пористых подшипников, стальных деталей и др. Некоторыеметаллы, например алюминий и магний, во избежание воспламенения измельчают взащитной атмосфере. Порошки, полученные путем механического измельчения, тверды,плохо прессуются и требуют отжига для снятия наклона.

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

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

Испытание порошков. Порошковая металлургия предъявляет ряд требований к форме и размерампорошков. Например, для некоторых деталей требуются порошки чешуйчатой формы,полученные на вихревых мельницах, а для фильтров, наоборот, — шарообразнойформы, полученные распылением. Прессуются лучше крупные порошки, особенно еслисреди них есть и мелкие частицы, а спекаются лучше мелкие. Зернистость порошковопределяется путем ситового анализа: порошок просеивают через ряд сит со всеболее мелкими отверстиями и взвешивают остатки с каждого сита. Форму зеренопределяют, рассматривая их под микроскопом с сетчатым окуляром. Насыпной веспорошка определяется весом 1 см3 свободно насыпанногопорошка. Он зависит от размера, формы и состояния поверхности его частиц иявляется очень важной его характеристикой.

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

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

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

В различных частях сечения порошок уплотняетсянеодинаково. При последующем спекании усадка может оказаться неоднородной, инедопрессованная часть будет плохо спекаться. Поэтому прессование проходитлучше при наличии деталей небольшой высоты. Вместе с тем порошок не может, подобножидкости, заполнить очень сложную фасонную форму; следовательно, из порошковыхсплавов можно изготовлять детали сравнительно не очень сложной формы.

Спекание.Для спекания порошковых сплавов применяют электропечи с металлическимсопротивлением, 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 причастичном сжигании газа. При спекании вольфрама, молибдена, твердых сплавов,магнитных и электротехнических материалов применяют водород. Температураспекания составляет примерно 2/3 температуры плавления металла, например длямеди 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 жидкойфазы. При спекании происходят следующие пиления: повышение температурыувеличивает подвижность атомов, происходит изменение контактной поверхности частиц, которая большей частью увеличивается; происходит снятие напряжений вместах контакта и рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерна черезконтактные поверхности; восстанавливаются окислы и удаляются адсорбированныегазы и жидкости, и результате контакт становится металлическим.

В случае многокомпонентных систем, кроме перечисленныхявлений, происходит образование твердых растворов, диффузия и образованиехимических соединений. При спекании порошков с большой разницей температурплавления, например порошков карбида вольфрама с порошком кобальта, образуетсяжидкая фаза, которая капиллярными силами стягивает нерасплавившиеся частицы. Врезультате получаются плотные детали. Иногда, например при производствемедновольфрамовых электродов, сначала прессуют и спекают порошковыйвольфрамовый каркас, потом пропитывают его расплавленной медью. Спекание обычносопровождается усадкой, которая тем больше, чем выше температура спекания ичем ниже давление прессования. Усадка изменяет размеры деталей; поэтомудетали, требующие высокой точности, например подшипники н зубчатые колеса,после спекания калибруют путем протягивания через сквозные прессформы. Усплавов, 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 рядупреимуществ начинает распространяется всё шире. При горячем прессованиитребуется более низкое давление, которое составляет всего 5—10% давленияобычного прессования. Порошок лучше заполняет форму, и горячее прессованиепозволяет получать детали более сложной формы и более точных размеров, нетребующих калибрования. Нагрев порошка производится электрическим током.

IV. ТВЕРДЫЕСПЛАВЫ

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

Металлокерамические или порошковые твердые сплавыприменяются при изготовлении пластинок для оснастки инструмента при обработкеметаллов резанием, волок при волочении проволоки, бурового инструмента и другихцелей, в том числе для износоустойчивых детален (клапанов насосов, работающихв коррозионной среде, наконечников пескоструйных аппаратов, разных направляющих)и измерительного инструмент.

Микроструктура. Качество и режущие свойства порошковых твердыхсплавов зависят от их микроструктуры. Исследование их микроструктуры дотравления обнаруживает пористость (рис.1, а; Х 100).

Микроструктура вольфрамокобальтового твердого сплава ВК 15 после травления насыщенным солянокислым раствором хлорного железа (рис.1б; X 1500) обнаруживает следующие две фазы:

-светлыеугловатые и шпалообразные зерна фазы WC;

-протравленныев темный цвет участки фазы твердого раствора WC в кобальте.

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

В общем, чем мельчечастички (зерна) и чем равномернее они распределены в микроструктуре, тем лучшережущие свойства и тем выше прочность металлокерамического (порошкового)вольфрамового твердого сплава данной марки. Крупные же зерна WC ухудшаютсвойства этих сплавов.

Микроструктура титановольфрамокобальтового сплава Т15K6после травления окислением на воздухе в электропечи при 400° С

Рис.1 Микроструктуратвердого сплава ВК15.

в течение 40 мин. (рис.2, а) состоит изтрех 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, затокарбид титана TiC растворяет очень много вольфрама, например, до 70% при комнатнойтемпературе и до 90% при высокой температуре.

Чем мельче и равномернее распределены светлые зернафазы WC (рис.2, б), тем лучше режущие свойства и прочность твердого сплаваТ15К6.

Зернатитановой фазы имеют округлую форму (рис.2, в);

онивыявляются путем травления в щелочном растворе K4Fe(CN)6. Хорошимрежущим свойствам сплава Т15К6 отвечает микроструктура из средних или крупныхзерен титановой фазы.

Избыток углерода в порошковых твердых сплавах вызываетпоявление в их микроструктуре графита, а при недостатке углерода

образуетсяn1-фаза(W4Co4C).

Присутствие графита, n1-фазы и других посторонних включений в микроструктурепорошковых твердых сплавов ухудшает их качество.

Механическиеи физические свойства. Предел прочности на изгиб и твердость порошковоготвердого сплава зависят от содержания в нем кобальта. Чем больше в твердомсплаве кобальта и

Рис.2. Микроструктуратвердого сплава Т15К6 (Х1500).

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

В случае уменьшения содержания кобальта и применениямелкозернистых карбидов, которые лучше растворяются в кобальте, вязкость ипредел прочности на изгиб снижаются, но твердость и износостойкостьувеличиваются.

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

Красностойкость твердых сплавов, т. е. способностьсохранять структуру и режущие свойства при высоких температурах, значительновыше красностойкости быстрорежущей стали. При этом чем меньше кобальта в сплавеи чем он мелкозернистее, тем выше крастостойкость.Титановольфрамовые сплавы обладают большей красностойкостью, чем однокарбидныевольфрамовые, что особенно важно при обработке стали. Кроме того, наличиекарбида титана снижает коэффициент трения и увеличивает износостойкостьдву-карбидных сплавов.

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

Область применения. При обработке чугуна и цветных сплавовпреимущественно применяют однокарбидные вольфрамовые твердые сплавы группы ВК.Сплавы ВК2 и ВКЗМ применяют для снятия легкой стружки на больших скоростяхрезания и для обработки самых твердых материалов — стекла, фарфора, пластмасси т. д. Сплав ВКЗМ отличается также высокой износостойкостью за счетмелкозернистости.

Сплав ВК6М применяют для скоростного, полуобдирочногои чистового точения. Сплавы ВК6 и ВК8 применяют для обдирочного точения и дляизготовления инструмента, подвергаемого в работе ударам и толчкам. Сплавы ВК6Ви ВК15 применяют для бурового инструмента и т. д.

При обработке некоторых марок стали получаетсянепрерывная сливная стружка, которая все время соприкасается с твердым сплавоми передает ему большее количество тепла. Здесь решающее значение приобретаеткрасностойкость, наименьший коэффициент трения и особенно слипаемость. Поэтомудля обработки стали преимущественно применяют титановольфрамовые твердые сплавыгруппы ТК.

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

У титанотанталовольфрамового сплава наивысшаяэксплуатационная прочность и сопротивление вибрациям и выкрашиванию, поэтому онприменяется для самого тяжелого чернового точения углеродистых и легированныхсталей.

В настоящее время почти половина всейобработки металлов однолезвийным инструментом производится с использованием порошковыхтвердых сплавов. Внедрение твердосплавного инструмента потребовало созданиястанков новых конструкций, позволяющих осуществлять высокие скорости резания —до 1000—2000 м/мин и выше.

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

Препятствие на пути полной замены быстрорежущей сталитвердыми сплавами, в которых дефицитный вольфрам используется в 10 разэффективнее, заключается в том, что по своей природе твердые сплавы пригодны не для всех случаев механическойобработки, а также вследствии сложности изготовления из них фасонного инструмента.

Применение порошковых твердых сплавов ограничиваетсяпластинками, которые припаивают медным припоем к стальной державке—так,например, изготовляют резцы.

Схема производства. Технологический процесс производстваметаллокерамических (порошковых) твердых сплавов состоит из ряда следующихопераций:

1. Сначалаполучают грубый порошок вольфрама путем восстановления вольфрамового ангидрида W03 в потокеводорода при 700—900° С или сажей при 1500° С. Полученный грубый порошоквольфрама измельчают в течение примерно 9 ч на шаровой мельнице ипросеивают.

2. Порошоквольфрама перемешивают с ламповой сажей.и карбонизируют в бумажных илиугольных патронах в течение 1 ч в электропечи при 1400° С в атмосфереводорода или окиси углерода.

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

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

3. Полученныепорошки карбидов и кобальта перемешивают в течение 24 ч и дольше вшаровой мельнице; затем их замешивают с клеем и подсушивают. В качестве клеяприменяют или раствор синтетического каучука в бензине или раствор парафина вчетыреххлористом углероде.

4. Хорошозамешанная и подсушенная смесь подвергается прессованию при давлении примерно10—40 кГ/мм2 (98—392 Мн/м2), причемтитановольфрамовые смеси требуют большего давления прессования, чемвольфрамовые.

5. Далеепроизводят предварительное спекание смеси при 900° С в течениепримерно 1 ч в атмосфере водорода для создания прочности, необходимойпри механической обработке. Предварительное спекание применяется не всегда.

6. Послепредварительного спекания полученный сплав разрезают и механическиобрабатывают на обычных металлорежущих, станках—фрезерных, строгальных,токарных и др.

7. Окончательноеспекание, в процессе которого образуется твердый сплав, проводят в атмосфере водородаили в засыпке из порошка магнезита или окиси алюминия — для вольфрамовыхсплавов в течение 2 ч примерно при 1400° С, а для титановольфрамовых втечение 1—3 ч при 1500° С. Качество спекания зависит отчистоты карбида титана: чем меньше в нем азота и кислорода, тем

лучшеидет спекание.

В результате спекания твердый сплав дает линейнуюусадку до 25%, становится чрезвычайно твердым и не поддается механическойобработке; твердые сплавы можно шлифовать зеленым карборундом «экстра» илиподвергать электроискровой обработке.

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

Кроме порошковых твердых сплавов, в машиностроенииприменяют и литые твердые сплавы, которые применяются или зернистыми или ввиде электродов. После наплавки они имеют структуру заэвтектического,легированного, белого чугуна и очень высокую твердость благодаря присутствиюбольшого количества

карбидови карбидной эвтектики.

Литыми твердыми сплавами наплавляют штампы, токарныецентры и сильно истирающиеся детали, что увеличивает в несколько

разих стойкость.

V. ПРОЧИЕПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ

Антифрикционные сплавы. Пористые, пропитываемые маслом подшипники оченьудобны в труднодоступных узлах трения и обеспечивают высокую износостойкостьпри малом коэффициенте трения. Кроме того, они могут заменять бронзу илипозволяют более экономно расходовать цветные металлы, но наличие пор снижаетих прочность и поэтому для тяжелонагруженных подшипников, например коренных ишатунных двигателей, они не применяются. Пористые подшипники изготовляют изжелезного или медного порошка. Если нет опасности ржавления, то подшипникиизготовляются из смеси железного порошка с графитом, который добавляется вколичестве 1—2%.

Пористость в таких подшипниках 20 — 30%. Послепрессования и спекания они пропитываются маслом, где коррозия возможна, тамприменяются

бронзовые подшипники.

Пористые бронзовые подшипники изготовляют из смесипорошков 88% Сu, 10% Sn и 2% графита. Пористые подшипники обладают хорошимиантифрикционными качествами, но менее прочны, чем сплошные, поэтому их нельзяприменять при больших нагрузках, например для шатунных и коренных подшипниковдвигателя.

Эти материалы отличаются способностью саморегулироватьподачу смазки.

Наконтактной поверхности трущейся нары образуется непрерывная пленка.

этимобеспечивается жидкое трение.

К антифрикционным автомобильным деталям та к жеотносятся 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 740и 715° С, т. е. производится отжиг на зернистый перлит. Содержание углеродапосле спекания не менее 0,8%. Наиболее желательной, обеспечивающей высокоекачество пористых железографитных подшипников структурой является перлит сграфитными включениями; в случае наличия у чих ферритной структуры они быстроизнашиваются, налипают на шейку вала и имеют высокий коэффициент трения. Цементитв структуре железографнтных подшипников, хотя и повышает их сопротивлениеизносу, но изнашивает и царапает шейку вала и также повышает коэффициенттрения.

Фрикционные материалы. К фрикционным материалам предъявляются следующиетребования: они должны иметь высокий коэффициент трения, обеспечивающийплавность торможения и минимальную пробуксовку и износостойкость как собственную»так н сопряженной стальной поверхности. Кроме того, они должны иметь хорошуюприрабатываемость, не заедать н обладать высокой теплопроводностью. Всем этимтребованиям может отвечать только порошковый сплав, представляющий целыйкомплекс различных материалов с различными свойствами.

По условиям эксплуатации фрикционные материалы могутработать:

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

2) при сухом трении, например тормозные накладкифрикционных механических прессов.

Фрикционные материалы изготовляются из порошков меди,олова, железа

идругих, образующих металлическую их основу, куда добавляются в небольшомколичестве порошки кремния, двуокиси кремния (SiO2), асбеста и пр. для повышения коэффициента трения, атакже порошка графита, талька, свинца и пр. для создания смазки на поверхностяхтрения,

Изменяя дозировку добавок, увеличивающих коэффициенттрения и добавок, его снижающих, можно получить необходимые фрикционныесвойства порошкового сплава, т. е. исключить пробуксовку обильно смазанныхтрущихся поверхностей при очень высокой износостойкости и фрикционногоматериала

и сопряженной с ним стали.

Например, в автомобильной промышленности для работы вмасле 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 стальнойленте. Соединение их со сталью производится двумя способами: спеканиемпорошкового сплава под давлением со сталью или приклеиванием.

В условиях сухого трения при торможении развиваетсяболее высокая температура и поэтому приходится применять вместо медной основыжелезную,

отличающуюсяболее высокой температурой плавления.

Пористые фильтры. Из шарообразных порошков бронзы или сплавов никеля с медью или чистогоникеля изготовляют металлические фильтры с объемом пор, достигающим 80% отобщего объема изделия. Такие фильтры применяют в химической промышленности, атакже в качестве топливных фильтров в двигателях.

Конструкционные материалы. Порошковая металлургия вданном случае

должнаупрощать технологический процесс, для сокращения расхода металла и снижениятрудоемкости производства. Например, детали простейшей формы:

небольшиешестерни, шайбы и т. д. из углеродистой или из легированной стали с успехомизготовляются методами порошковой металлургии. Порошковые сплавы такжеприменяются для производства прецизионных сплавов, т. е. сплавов с оченьнебольшими колебаниями в химическом составе, биметаллов и комплексных сплавовс разным составом поверхности и сердцевины, а также особо жаропрочных сплавов иматериалов для ракет н ядерных реакторов.

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

Порошковые сплавы позволяют соединить жаро- иизносостойкость вольфрама, молибдена, никеля и графита с высокойэлектропроводностью меди и серебра.

Из порошковых сплавов изготовляют электрическиеконтакты. Сопротивление контактов искре повышается при комбинации серебра сокисью кадмия. Высокая электропроводность серебра обеспечивается его чистотой,а также отсутствием элементов, которые могутобразовывать с серебром твердые растворы.

Порошковые сплавы применяют при изготовлении рядаэлектро- и радио-технических деталей из порошков альсифера, ферритона икарбонилььного железа.

Из порошковых сплавов изготавливают электроды длядуговой

сварки, из смеси графита с меднымпорошком изготовляют износостойкие щетки электродвигателей. Железные порошкиприменяют для изготовления полюсов электродвигателей постоянного тока.

Тугоплавкие металлы и тяжелые сплавы. Из порошковметодом восстановления из окислов получают металлы с очень высокой температуройплавления — вольфрам, молибден, тантал/ниобий и др. Сначала в потоке водородавосстанавливаются из окислов чистые металлы, получаемые в виде порошков. Ихпрессуют в брикеты и нагревают током. Далее производят ковку и прокатку. Всеэти операции с вольфрамом и молибденом производят в атмосфере водорода, а ститаном н танталом—в вакууме, так как последние очень сильно поглощают газы привысоких температурах. Если металл предназначен для нитей электроламп, в негодобавляют вещество, препятствующее росту зерна при высоких температурах,например окись тория.

Из порошков изготовляют также «тяжелый сплав» состава90% W, 7,5 Ni и 2,5% Си, имеющий удельный вес до 17 и высокиемеханические свойства, применяемый, например, в качестве противовесов там, гдепо условиям конструирования места для них мало.

Керметы.Керметами называются порошковые сплавы, являющиеся композициями керамическихматериалов с металлами и предназначаемые для детален, работающих при высокихтемпературах или в агрессивной коррозионной среде.

Керметы сочетают жаропрочность, коррозионнуюстойкость и твердость керамических материалов (карбидов, окислов, боридов,нитридов и силицидов) с вязкостью, теплопроводностью и стойкостью при переменетемпературы металлов.

Наиболее подходящим керамическим мат риалом дли этихсплавов в настоящее время является карбид титана TiC благодаряего жаропрочности, окалиностойкости и способности противостоять тепловомуудару, т. е. не разрушаться при внезапных и сильных изменениях температуры.

Связующим металлом для керметов берут жаропрочныйсплав из порошков никеля, кобальта н хрома, иногда с небольшим количествоммолибдена. Введение хрома повышает сопротивление ползучести и окалиностойкостькерметов.

Рис.3. Микроструктуракерметов (Х1000) (В. А. Хавекотт):

а-FS-9 б-FS-27.

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

До сих пор еще не созданокерметов с достаточной вязкостью и теплостойкостью. Возможно, что созданиепорошковых сплавов, удовлетворяющих всем требованиям конструкторов газовыхтурбин и реактивных двигателей, в значительной степени будет связано сусовершенствованием микроструктуры сплавов.

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

Более рациональным непонижающим жаропрочности керметов является создание у них наиболеемелкозернистой структуры.

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

Тонкие пленки Аl2Оз в микроструктуре САП, не коагулирующие даже приповышенных температурах, препятствуют процессам рекристаллизации и разделяютего структуру на мелкие участки, ограничивающие пути скольжения припластической деформации.

Легкие, прочные итеплоустойчивые сплавы САП применяются в атомной, авиационной и автомобильнойпромышленностях.

Преимущества и недостаткипорошковых сплавов. К числу особенностей порошковых сплавов относится ихчистота, точность дозировки, повторяемость состава, отсутствие литейныхдефектов: ликвации, раковин и т. д., а также возможность высокой производительности при изготовлении из нихмелких деталей простой формы, узкие пределы допусков и минимальная последующая механическая обработка деталей из них;наконец, в отдельных случаях преимуществами является экономия материалов (малыеотходы производства), сокращение трудоемкости процесса изготовления деталей,экономия инструмента. При этом наиболее экономичным является производстводеталей из железного порошка, получаемого из руды прямым восстановлением.

Несмотря на все эти достоинства, порошковые сплавы ещене заняли подобающего места в современном машиностроении, так как этомупрепятствует высокая цена порошков, высокая цена штампов для прессования,особенно для прессования крупных деталей и сложных по форме изделий, меньшаяпрочность и вязкость металлокерамических сплавов по сравнению с катаными,коваными и литыми, трудность обеспечения безупречной чистоты сплава в условияхмассового производства.

При конструировании деталей из порошковых сплавовнеобходимо учитывать следующие требования, определяемые условиями ихпрессования: не применять острых углов и пересечений; избегать больших и резких изменений сечений; внешние ивнутренние резьбы, купавки, углы, отверстия, перпендикулярные к направлениюпрессования, выполнять посредством механической обработки после прессования;принимать во внимание, что слишком длинные детали после прессования даютнеплотную центральную часть.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Андриевский Р. А. Пористые металлокерамическиематериалы. М.,

Металлургия, 1964.

3. Бальшин М. Ю. Порошковоеметалловедение. М., Металлургиздат 1948.

4. Борок Б. А. и Ольхов И. И, Порошковаяметаллургия. М… Металлургиздат,

1948,

5. Виноградов Г. А. и др. Прессование и прокаткаметаллокерамнческих

материалов. М., Машгиз, 1963.

6. Вопросы порошковой металлургии и прочностиматериалов. Вып. I—VI.

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

металлургия», АН УССР.