Композиционные и порошковые материалы

Содержание 

1.  Основы порошковой  металлургии                                                                  3

1.1. Способы получения  и технологические свойства порошков                                3

1.2. Металлокерамические  материалы                                                                              3 

2. Конструкционные  порошковые материалы                                                    5 

3.  Изготовление  металлокерамических деталей                                                           7

3.1. Приготовление  смеси                                                                                                     7

3.2. Способы формообразования  заготовок и деталей                                                              7

3.3. Спекание и  окончательная обработка заготовок                                                     9

3.4. Технологические  требования, предъявляемые к конструкциям  деталей из металлических порошков                                                                                                           9 

4.  Композиционные  материалы с металлической матрицей                                      10

4.1. Волокнистые композиционные  материалы                                                             10

4.2. Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы                                       12 

5.  Композиционные  материалы с неметаллической  матрицей                         13

5.1. Общие сведения, состав и классификация                                                               13

5.2. Карбоволокниты                                                                                                                        14

5.3. Карбоволокниты  с углеродной матрицей                                                                15

5.4. Бороволокниты                                                                                                              15

5.5. Органоволокниты                                                                                                          17

Литература                                                                                                                  18 
 

1. ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ  МЕТАЛЛУРГИИ 
 

1.1. Способы получения  и технологические свойства порошков 

Металлокерамика, или  порошковая металлургия – отрасль  технологии, занимающаяся производством  металлических порошков и деталей  из них. Сущность порошковой металлургии  заключается в том, что из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые затем подвергают термической обработке – спеканию. 

Порошковой металлургией можно получать детали из особо тугоплавких  металлов, из нерастворимых друг в  друге металлов (вольфрам и медь, железо и свинец и т. д.), пористые материалы и детали из них, детали, состоящие из двух (биметаллы) или  нескольких слоев различных металлов и сплавов. 

Металлические порошки  состоят из очень мелких частиц (0,5–500 мкм) различных металлов и их окислов. Порошки получают механическим и  физико-химическим путем. 

Для механического  измельчения твердых и хрупких  материалов применяют шаровые, вибрационные мельницы и бегуны. Порошки из пластичных и легкоплавких металлов и сплавов  получают различными способами, основанными  на  раздуве  жидкого материала  струей воды или газа. Механическим путем, как правило,   получают  порошки   из  отходов  основного   производства. 

К физико-химическим способам получения порошков относят  восстановление окислов металлов, электролиз и др. 

Окислы металлов можно восстанавливать газообразными  или твердыми   восстановителями.   Наибольшее   практическое   применение нашли газообразные углеродистые и углеводородистые соединения (природный  газ, доменный, углекислый газ) и водород. Электролизом водных растворов солей  получают тонкие и чистые порошки   различных   металлов  и  сплавов.   Порошки  из   редких металлов (тантала, циркония, титана и др.) получают электролизом расплавленных солей.  Режимы и технология изготовления порошков    физико-химическим   путем  приведены  в  справочной литературе. 

Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть, прессуемость и спекаемость. 

Текучесть — способность   порошка   заполнять   форму. Текучесть ухудшается с уменьшением  размеров частиц порошка и повышением влажности. Количественной оценкой  текучести является скорость вытекания  порошка через отверстие диаметром 1,5–4,0 мм в секунду. 

Прессуемость характеризуется  способностью порошка уплотняться  под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после  прессования. Прессуемость порошка  зависит от пластичности материала  частиц, их размеров и формы и  повышается с введением в его  состав поверхностно-активных веществ. 

Под спекаемостъю понимают прочность сцепления частиц в  результате термической обработки  прессованных заготовок. 
 

1.2. Металлокерамические  материалы 

Порошковой металлургией получают различные конструкционные  материалы для изготовления заготовок  и готовых деталей. Большое применение находят материалы со специальными свойствами. 

Из антифрикционных  металлокерамических материалов изготовляют  подшипники скольжения для различных  отраслей промышленности. В антифрикционных  материалах с пористостью 10–35% металлическая  основа является твердой составляющей, а поры, заполняемые маслом, графитом или пластмассой, выполняют роль мягкой составляющей. Пропитанные маслом пористые подшипники способны работать без дополнительной смазки в течение  нескольких месяцев, а подшипники со специальными «карманами» для запаса масла – в течение 2–3 лет. Во время  работы подшипника масло нагревается, вытесняется из пор, образуя смазочную  пленку па трущихся поверхностях. Такие  подшипники широко применяют в машинах  для пищевой промышленности, где  попадание смазки в продукцию  недопустимо. 

Для пористых антифрикционных  материалов используют железо-графитовые, железо-медно-графитовые, бронзо-графитовые, алюминиево-медно-графитовые и другие композиции. Процентный состав этих композиций зависит от эксплуатационных требований, предъявляемых к конструкциям деталей. 

Фрикционные материалы  представляют собой сложные композиции на медной или железной основе. Коэффициент  трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и  различных окислов. Для уменьшения износа в композиции вводят графит или свинец. Фрикционные материалы  обычно применяют в виде биметаллических  элементов, состоящих из фрикционного слоя, спеченного под давлением с  основой (лентой или диском). 

Коэффициент трения по чугуну без смазки для фрикционных  материалов на железной основе 0,4–0,6. Они  способны выдерживать температуру  в зоне трения до 500–600° С. Применяют  фрикционные материалы в тормозных  узлах и узлах сцепления (в  самолетостроении, автомобилестроении и т. д.). 

Из высокопористых материалов изготовляют фильтры  и другие детали. В зависимости  от назначения фильтры выполняют  из порошков  коррозионно-стойкой  стали, алюминия, титана, бронзы и других материалов с пористостью до 50%. Металлические  высокопористые материалы получают спеканием порошков без предварительного прессования или прокаткой их между вращающимися валками при  производстве пористых лент.  В порошки  добавляй вещества, выделяющие газы при  спекании. 

Металлокерамические твердые сплавы характеризуются  высокой твердостью, теплостойкостью  и износостойкостью. Поэтому, из них  изготовляют режущий и буровой  инструменты, а также наносят  на поверхность быстроизнашивающихся деталей и т.д. 

Основой  изготовления твердых сплавов   являются   порошки карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC). В качестве связующего материала  применяют кобальт. Процентное соотношение  указанных материалов выбирают в  зависимости от их назначения 

Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические  материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами. В качестве связующего для алмазных порошков применяют  металлические порошки (медные, никелевые  и др.) или сплавы. Наибольшей твердостью характеризуются материалы из карбидов бора (эльбор). 

Из жаропрочных  и жаростойких материалов изготовляют  детали, работающие при высоких температурах. Эти материалы должны иметь высокую  жаропрочность, стойкость против ползучести и окисления. Металлические сплавы на основе никеля, титана, тантала, вольфрама  и других элементов отвечают этим требованиям при работе до температур 850–900° С. 

При более высоких  температурах (до 3000° С) можно использовать тугоплавкие и твердые соединения типа окислов, карбидов, боридов и  др. Однако эти материалы имеют  высокую хрупкость и поэтому в чистом виде не могут быть использованы в качестве конструкционных  материалов  для  изготовления  различных  деталей. 

Применение    порошковой    металлургии    позволяет повысить пластичность этих хрупких тугоплавких соединений. В качестве металлической связки  выбирают  металлы и сплавы,  жаропрочность  которых  близка  жаропрочности тугоплавких соединений. Они должны не образовывать химических соединений, быть мало растворимыми в  тугоплавких соединениях, а также  иметь близкие значения коэффициентов  линейного расширения, теплопроводности и модуля упругости. 

Технология изготовления жаропрочных конструкционных материалов   характеризуется  отдельными   специфическими   особенностями. 

Порошковую металлургию  широко применяют для получения  материалов со специальными электромагнитными  свойствами (постоянные магниты, магнитодиэлектрики, ферриты и т.д.). 
 

2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ  ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ 
 

Порошковыми называют материалы, изготовляемые путем  прессования металлических порошков в изделия необходимой формы  и размеров и последующего спекания сформованных изделий в вакууме  или защитной атмосфере при температуре 0,75–0,8ТПЛ. Различают пористые и компактные порошковые материалы. 

Пористыми называют материалы, в которых после окончательной  обработки сохраняется 10–30% остаточной пористости. Эти сплавы используют главным образом для изготовления антифрикционных деталей (подшипников, втулок) и фильтров. 

Антифрикционные порошковые сплавы 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. 

Подшипники изготовляют  из сплавов железа и 1–7% графита (ЖГр1, ЖГрЗ, ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8–10% Sn и 2–4% графита (БрОГр10–2, БрОГр8–4 и др.). 

Структура металлической  основы железографитовых материалов должна быть перлитной, с массовой долей  связанного углерода ~1,0%. Такая структура  допускает наиболее высокие скорости и нагрузки при наименьшем износе подшипников. Добавка к железографитовым материалам серы (0,8–1,0%) или сульфидов (3,5–4,0%), образующих сульфидные пленки на трущихся поверхностях, улучшает прирабатываемость, уменьшает износ и прихватываемость сопряженных деталей. 

Коэффициент трения железографита по стали при смазке 0,07–0,09. Подшипники из железографита  применяют при допустимой нагрузке не более 1000–1500 МПа и максимальной температуре 100–200°С. Коэффициент трения бронзографита по стали без смазывания 0,04–0,07 и со смазыванием 0,05–0,007. Допустимая нагрузка 400–500 МПа и рабочая температура  не выше 200–250°С. 

Механические свойства железографита: σB=180÷300 МПа и твердость 60–120 НВ, а бронзиграфита: σB=30÷50 МПа, твердость 25–50 HВ. 

Спеченные материалы  на основе железа и меди используют и для фрикционных изделий (дисков, сегментов) в тормозных узлах. Фрикционные  изделия должны иметь высокий  коэффициент трения, достаточную  механическую прочность и хорошее  сопротивление износу. Для повышения  коэффициента трения в состав фрикционных  материалов вводят карбиды кремния, бора, тугоплавкие оксиды и т.д. Компонентами твердого смазочного материала служат графит, свинец, сульфиды и др.