Композиционные и порошковые материалы

Коэффициент трения по чугуну (трение без смазочного материала) для материала на железной основе составляет 0,18–0,40, а на медной основе – 0,17–0,25. 

Фрикционные сплавы на медной основе применяют для условий  жидкостного трения в паре с закаленными  стальными деталями (сегменты, диски  сцепления и т.д.) при давлении до 400 МПа и скорости скольжения до 40 м/с с максимальной температурой 300–350°С. Типичным фрикционным материалом на основе меди является сплав МК5, содержащий 4% Fe, 7% графита, 8% Рb, 9% Sn, 0–2% Ni. 

Для работы в условиях трения без смазочного материала (деталей  тормозов самолетов, тормозных накладок тракторов, автомобилей, дорожных машин, экскаваторов и т.д.) применяют материалы  на железной основе. Наибольшее применение получил материал ФМК-11 (15% Cu, 9% графита, 3% асбеста, 3% SiO2 и 6% барита), фрикционные материалы изготовляют в виде тонких секторов (сегментов, полос) и крепят на стальной основе (для упрочнения). 

Широко применяют  порошковые материалы для фильтрующих  изделий. Фильтры в виде втулок, труб, пластин из порошков Ni, Fe, Ti, Al, коррозионно-стойкой  стали, бронзы и других материалов g пористостью 45–50% (размер пор 2–20 мкм) используют для очистки жидкостей  и газов от твердых примесей. 

В электротехнике и  радиотехнике применяют порошковые магниты на основе Fe–Ni–А1–сплава (типа алнико) и др. Свойства порошковых магнитов нередко выше свойств литых магнитов. 

Большое применение в машинах для контактной сварки, приборах связи получили контакты из порошковых материалов. Для этой цели применяют псевдосплавы тугоплавких  металлов (W и Мо) с медью (МВ20, МВ40, MB60, MB80), серебром (СМ30, СМ60, СМ80, СВ30, СВ50, СВ85 и др.) или с оксидом кадмия (ОК8, ОК12, ОК15) и др. Контакты отличаются высокой прочностью, электропроводимостью и электроэрозионной стойкостью. Токосъемники (щетки) изготовляют из порошков меди (или серебра) с графитом (углем). 

Все больше порошковая металлургия применяется для  изготовления специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, дисперсионно-упрочненных материалов на основе Ni, Ai, Ti и Cr. Методом порошковой металлургии получают различные  материалы на основе карбидов W, Мо и Zr. 

Спеченные алюминиевые  сплавы (САС) применяют тогда, когда  путем литья и обработки давлением  трудно получить соответствующий сплав. Изготовляют CAC с особыми физическими  свойствами. САС содержат большое  количество легирующих элементов (например, САС1: 25–30% Si, 5–7% Ni, остальное Аl). Из САС1 делают детали приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20–200°С, которые требуют сочетания  низкого коэффициента линейного  расширения и малой теплопроводности. 

В оптико-механических и других приборах применяют высокопрочные  порошковые сплавы системы А1–Zn–Mg–Си (ПВ90, ПВ90Т1 и др.). Эти сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и релаксационной стойкостью. Изделия  из этих сплавов подвергают термической  обработке по режимам Т1 и Т2 (см. c. 396). 

Применяют гранулированные  специальные сплавы c высоким содержанием Fe, Ni, Co, Mn, Сr, Zr, Ti, V и других элементов, мало растворимых в твердом алюминии. Гранулы – литые частицы диаметром  от десятых долей до нескольких миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью 104–106°С/с, что позволяет получить сильно пересыщенные твердые растворы переходных элементов в алюминии. При последующих технологических нагревах (400–450°С) происходит распад твердого раствора c об­разованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав. 

Все более широкое  применение получают компактные материалы (1–3% пористости) из порошков углеродистой и легированной стали, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана для  изготовления всевозможных шестерен, кулачков, кранов, корпусов подшипников, деталей автоматических передач  и других деталей машин. 

Изготовляют большое  количество порошковых конструкционных (СП10-1 ... СП10-4, СП30-1 ... СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП30Н3М-2, СП40Х-2, СП45Х3-2 и др.), мартенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5М3Т и др.), коррозионно-стойких (СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28 и др.) и других сталей. В маркировке сталей добавочно  введены буква «С», которая указывает  класс материала – сталь, и  буква «П» – порошковая. Цифра  после дефиса показывает плотность  стали в процентах. Стали подвергают термической обработке. 

Свойства сталей, полученных из порошков после термической  обработки, во многих случаях уступают свойствам сталей, полученных обычными металлургическими методами. Механические свойства порошковой стали зависят  от плотности и содержания кислорода. При пористости более 3% заметно уменьшаются  σВ, σ0,2, KCU, а порог хладноломкости t50 повышается даже при увеличении пористости более 2%. С повышением содержания кислорода  более 0,01% снижается KCU и повышается t50. 

Поэтому рекомендовать  порошковую технологию для высоконагруженных  стальных деталей нельзя. Вследствие более низких механических свойств, высокой стоимости исходного  материала и энергоемкости процесса спекания порошковая конструкционная  сталь может быть использована только для изготовления мало нагружаемых  изделий, главным образом сложной  формы. 

Сплавы на основе цветных металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4, БрПБ–2, БрПО10–2, БрПО10Ц3–3, ЛП58Г2-2 и  др.) нашли широкое применение в  приборостроении электротехнической промышленности и электронной технике. В марке сплавов первые буквы, указывают класс материала («Ал» – алюминий, «Б» – берилий, «Бр» – бронза, «Л» – латунь и т.д.), буква «П» – порошковый сплав  и число после дефиса – плотность  материала в процентах. Буквы («Д»  – медь, «Ж» – железо, «Г» –  марганец и др.) и цифры в марке  указывают состав сплава. Так же как обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных металлов обладают высокой теплопроводностью и  электропроводимостью, коррозионной стойкостью, немагнитны, хорошо обрабатываются резанием и давлением. 

Порошковая металлургия  позволяет увеличить коэффициент  использования металла и повысить производительность труда. 

Экономическая эффективность  достигается благодаря сокращению или полному исключению механической обработки. Вследствие высокой стоимости  пресс-форм изготовление деталей машин  методами порошковой металлургии эффективно только в массовом производстве. 

Применение порошковых материалов рекомендуется при изготовлении деталей простой симметричной формы (цилиндрические, конические, зубчатые), малых массы и размеров. Конструктивные формы детали не должны содержать  отверстий под углом к оси  заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов. Конструкция и форма  детали должны позволять равномерно заполнять полость пресс-формы  порошками, их уплотнение, распределение  напряжений и температуры при  прессовании и удалении изделия  из пресс-формы. 
 
 

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ  ДЕТАЛЕЙ 
 

3.1. Приготовление  смеси 

Процесс приготовления  смеси состоит из классификации  порошков по размерам частиц, смешивания и предварительной обработки. 

Порошки с размерами  частиц 50 мкм и больше разделяют  по группам просеиванием на ситах, а  более мелкие порошки – воздушной  сепарацией. В металлические порошки  вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеиновую кислоту и  др.), облегчающие процесс прессования  и получения заготовки высокого качества; легкоплавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные  летучие вещества для получения  детален с заданной пористостью. Для повышения текучести порошок  иногда предварительно грану­лируют. Подготовленные порошки смешивают  в шаровых, барабанных мельницах  и других смешивающих устройствах. 

Предварительную механическую или термическую обработку (например, отжиг) применяют для повышения  технологических свойств порошков. 
 

3.2. Способы формообразования  заготовок и деталей 

Рис.1. Схемы холодного  прессования:

а – одностороннее; б – двустороннее 
 

Заготовки и детали из металлических порошков формообразуют  прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой. 

Холодное прессование. В пресс-форму 2 засыпают определенное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1 (рис.1, а). В  процессе прессования увеличивается  контакт между частицами, уменьшается  пористость, деформируются или разрушаются  отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки обеспечивается силами механического  сцепления частиц порошка, электростатическими  силами притяжения и трения. С увеличением  давления прессования прочность  возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки  из-за влияния сил трения порошка  о стенки пресс-формы. Это является причиной получения заготовок с  различной прочностью и пористостью  по высоте. В зависимости от габаритных размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование. 

Односторонним прессованием (рис.1, а) изготовляют заготовки простой  формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением диаметра к  толщине стенки меньше трех, вследствие чего обеспечивается  равномерная  плотность получаемых  заготовок.  Двусторонним  прессованием (рис.1, б) получают заготовки сложной формы, при этом требуемое давление для  получения равномерной плотности  уменьшается на 30–40%. 

При извлечении детали из пресс-формы ее размеры увеличиваются. Величина упругого последействия в  направлении прессования составляет 0,3–0,5% и 0,1–0,2 – в направлении, перпендикулярном прессованию. Указанное необходимо учитывать при расчете исполнительных размеров пресс-форм. 

Давление прессования  составляет 200–1000 МПа в зависимости  от требуемой плотности, размеров, формы  прессуемой детали, вида прессуемого  порошка и других факторов. Использование  вибрационного прессования позволяет  резко (в 50–100 раз) уменьшить потребное  давление. Рабочие детали пресс-форм изготовляли из высоколегированных, инструментальных сталей и твердых сплавов. 

Горячее прессование. При таком прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки с целью  получения готовой детали. Горячим  прессованием получают детали из твердых  сплавов и специальных жаропрочных  материалов. Изготовляемые детали характеризуются  высокой прочностью, плотностью и  однородностью материала. При горячем  прессовании применяют графитовые пресс-формы. Высокая температура  порошка позволяет значительно  уменьшить необходимое давление. Горячее прессование имеет и  существенные недостатки: низкую производительность, малую стойкость пресс-форм (4–7 прессовок), необходимость проведения процессов  в среде защитных газов, которые  ограничивают применение данного способа. 

Рис.2. Схема гидростатического

прессования 
 

Гидростатическое   прессование.   Это   прессование  применяют для  получения  металлокерамических   заготовок,   к   которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса заключается  в том, что порошок 3, заключенный  в эластическую резиновую или  металлическую оболочку 2, подвергают равномерному и всестороннему обжатию  в специальных герметизированных  камерах 1 (рис.2). Давление жидкости достигает 3000 Mпа, что     обеспечивает    получение    заготовок    высокой    прочти и плотности.  При гидростатическом прессовании  отпадает необходимость в применении дорогостоящих пресс-форм. Габаритные размеры изготовляемых заготовок  зависят от конструкции герметизированной  камеры. 

Рис.3. Схема прокатки

порошков 
 

Выдавливание. Этим способом изготовляют прутки, трубы  и  профили  различного  сечения.   Процесс  получения  заготовок 

заключается в выдавливании порошка через комбинированное  отверстие пресс-формы. В порошок  добавляют пластификатор до 10–12% от массы порошка, улучшающий процесс  соединения частиц и уменьшающий  трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброван­ного отверстия пресс-формы. Полые профили выполняют с при­менением рассекателя. Металлокерамические профили получают выдавливанием на гидравлических и механических прессах. 

Прокатка. Этот способ – один из наиболее производительных и перспективных способов переработки  металлокерамических ма­териалов. Порошок непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками (рис.3, а). При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка порошка 2 в  ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс прокатки может  быть совмещен со спеканием и окончательной  обработкой полу­чаемых заготовок. В этом случае лента проходит через  проходную печь для спекания, а  затем поступает на прокатку, обеспечивающую заданную ее толщину. 

Прокаткой   получают   ленты  из  различных металлокерамических  материалов (пористых, твердосплавных, фрикционных и др.). За счет применения бункеров с перегородкой (рис.3, б) изготовляют  ленты из различных материалов (двухслойные). 

Прокаткой из металлических  порошков изготовляют ленты толщиной 0,02–3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет  получить прутки различного профиля, в  том числе и проволоку диаметром  от 0,25 мм до нескольких миллиметров.