Композиционные и порошковые материалы

3.3. Спекание и  окончательная обработка заготовок 

Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В процессе спекания вследствие температурной подвижности  атомов порошков одновременно протекают  такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и др. Температура спекания обычно составляет 0,6–0,9 температуры плавления  порошка однокомпонентной системы  или ниже температуры плавления  основного материала для порошков, в состав которых входит несколько  компонентов. Процесс спекания рекомендуется  проводить за три этапа: I – нагрев до температуры 150–200° С (удаление влаги); II – нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц); III – окончательный  нагрев до температуры спекания. Время  выдержки после достижения температуры  спекания но всему сечению составляет 30–—90 мин. Увеличение времени и  температуры спекания до определенных значений приводит к увеличению прочности  и плотности в результате активизации  процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических  параметров может привести к снижению прочности за счет роста зерен  кристаллизации. 

Для спекания используют электрические печи сопротивления  или печи с индукционным нагревом. Для предотвращения окисления спекают  в нейтральных или защитных средах, а для повышения плотности  и прочности получаемые заготовки  повторно прессуют и спекают. Требуемой  точности достигают с помощью  отделочных операций: калибрования и  обработки резанием. 

Калибруют заготовки  дополнительным прессованием в специальных  стальных пресс-формах или продавливанием пруткового материала через калиброванное  отверстие. При этом повышается точность и уплотняется поверхностный  слой заготовки. 

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, нарезание  резьбы и т.д.) применяют в тех  случаях, когда прессованием нельзя получить детали заданных размеров и  форм. Особенностью механической обработки  является пористость металлокерамических  заготовок. Не рекомендуется применять  обычные охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок  перед обработкой также нежелательна, так как в процессе резания  масло вытекает из пор и, нагреваясь, дымит. 

При обработке резанием используют инструмент, оснащенный пластинками  из твердого сплава или алмаза. Для  сохранения пористости   при  обработке  необходимо  применять  хорошо  заточенный и доведенный инструмент. 
 

3.4. Технологические  требования, предъявляемые к конструкциям  деталей из

металлических порошков 

Технологический  процесс  изготовления деталей  из  металлических   порошков   характеризуется  отдельными   специфическими особенностями,   которые   необходимо   учитывать  при проектировании этих деталей. 

При   проектировании   деталей  с   высокими  требованиями по точности исполнительных размеров необходимо предусматривать припуск  на их дальнейшую механическую обработку. Наружные и внутренние резьбы следует  изготовлять обработкой резанием. В  конструкциях  деталей  необходимо   избегать   выступов,   пазов  и   отверстий,   расположенных   перпендикулярно   оси    прессования   (рис.4, а, 1).   Их  следует   заменять  соответствующими элементами,     расположенными     в     направлении     прессования (рис.4, б, 5), или изготовлять  обработкой резанием. Процесс прессования  деталей сопровождается значительной усадкой. Поэтому в их конструкциях нельзя допускать значительной разностенности (рис.4, а, 2), которая вызывает коробление и образова­ние трещин. 

При незначительной разностенности в процессе прессования  получают более равномерную плотность  по высоте детали (рис.4, б, 6). Длинные  тонкостенные конструкции (рис.4, а, 3) необходимо заменять на равнозначные по эксплуатационным показателям с учетом получения  равномерной плотности прессуемой детали (рис.4, б, 7). Толщина стенок должна быть не менее 1 мм. 
 

Рис.4. Примеры конструктивного  оформления металлокерамических деталей: а – нетехнологические конструкции; б – технологические конструкции 
 

Для свободного удаления заготовки пресс-форма должна иметь  незначительную конусность. При проектировании конических поверхностей необходимо исходить из удобства извлечения заготовки (рис.4, б, 8), обратная конусность недопустима (рис.4, а, 4). Радиусы перехода сопрягающихся  поверхностей должны быть не менее 0,2 мм. 
 
 

4. КОМПОЗИЦИОННЫЕ  МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧСКОЙ

МАТРИЦЕЙ 
 

Рис.5. Схема структуры (а) и армирования

непрерывными волокнами (б)

композиционных материалов 
 
 
 

Композиционные материалы  состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной  высокопрочным волокнами (волокнистые  материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в  основном металле (дисперсно-упрочненные  материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие или иную композицию,  получили название композиционные материалы (рис.5). 

4.1. Волокнистые композиционные  материалы. 

На рис.5 приведены   схемы   армирования   волокнистых   композиционных   материалов.  Композиционные материалы с волокнистым  наполнителем (упрочнителем) по механизму  армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины  волокна к диаметру l/d ≈ 10÷103, и  с непрерывным волокном, в которых l/d = ∞. Дискретные волокна располагаются  в матрице хаотично. Диаметр волокон  от долей до сотен микрометров. Чем  больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения. 

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно  армировать  также  непрерывными  волокнами,  сотканными  в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую  конечному материалу.  Нередко  волокна сплетают  в  трехмерные  структуры. 

Композиционные материалы  отличаются от обычных сплавов более  высокими значениями временного сопротивления  и предела выносливости (на 50–100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к  трещинообразованию.  Применение  композиционных  материалов  повышает жесткость конструкции при одновременном  снижении ее металлоемкости. 
 

Таблица1. Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Материал 

σВ 

σ-1 Е, ГПа 

σВ/γ Е/γ

МПа 

Бор–алюминий (ВКА–1А) 

1300 

600 

220 

500 

84,6 

Бор–магний (ВКМ–1) 

1300 

500 

220 

590 

100 

Алюминий–углерод (ВКУ–1) 

900 

300 

220 

450 

100 

Алюминий–сталь (КАС–1А) 

1700 

350 

110 

370 

24,40 

Никель–вольфрам (ВКН–1) 

700 

150 

– 

– 

– 
 
 

Прочность композиционных (волокнистых) материалов определяется свойствами волокон; матрица в основном должна перераспределять напряжения между  армирующими элементами. Поэтому  прочность и модуль упругости  волокон должны быть значительно  больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, возникающие  в композиции при нагружении, придают  ей прочность и жесткость в  направлении ориентации волокон. 

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют  борные (σВ = 2500÷3500 МПа, Е = 38÷420 ГПа) и  углеродные (σВ = 1400÷3500 МПа, Е = 160÷450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких  соединений (карбидов, нитридов, боридов  и оксидов), имеющих высокие прочность  и модуль упругости. Так, волокна  карбида кремния диаметром 100 мкм  имеют σВ = 2500÷3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко  используют в качестве волокон проволоку  из высокопрочных сталей. 

Для армирования  титана и его сплавов применяют  молибденовую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана. 

Повышение жаропрочности  никелевых сплавов достигается  армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна  используют и в тех случаях, когда  требуются высокие теплопроводность и электропроводимость. Перспективными упрочнителями для высокопрочных  и высокомодульных волокнистых  композиционных материалов являются нитевидные кристаллы из оксида и нитрида  алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σВ = 15000÷28000 МПа и Е = 400÷600 ГПа. 

В табл.1 приведены  свойства некоторых волокнистых  композиционных материалов. 

Рис.6. Зависимость  модуля упругости Е (а) и временного сопротивления σВ (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1)

и поперек (2) оси армирования  от объемного

содержания борного  волокна 
 

Композиционные материалы  на металлической основе обладают высокой  прочностью (σВ, σ-1) и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материалах уменьшают скорость распространения  трещин, зарождающихся в матрице, и практически полностью исключают  внезапное хрупкое разрушение. Отличительной  особенностью одноосных волокнистых  композиционных материалов являются анизотропия  механических свойств вдоль к  поперек волокон и малая чувствительность к концентраторам напряжения, 

На рис.6 приведена  зависимость σВ и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σВ, σ-1 и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица  может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности  раздела армирующее волокно —  матрица. Для предотвращения контакта между волокнами матрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15–20 %. 

Рис.7. Длительная прочность  бороалюминиевого композиционного  материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых  сплавов (а) и длительная прочность  никелевого композиционного материала  в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б) 
 

Матрица и волокно  не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного  материала. 

Анизотропия свойств  волокнистых композиционных материалов учитывается при конструировании  деталей для оптимизации свойств  путем согласования поля сопротивления  с полями напряжения. 

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов  непрерывными тугоплавкими волокнами  бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаропрочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис.7, а) с  повышением температуры. 

Основным недостатком  композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному  сдвигу и поперечному обрыву. Этого  недостатка лишены материалы с объемным армированием. 

4.2. Дисперсно-упрочненные  композиционные материалы. В отличие  от волокнистых композиционных  материалов в дисперсно-упрочненных  композиционных материалах матрица  является основным элементом,  несущим нагрузку, а дисперсные  частицы тормозят движение в  ней дислокаций. Высокая прочность  достигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии  между ними 100–500 нм и равномерном  распределении их в матрице.  Прочность и жаропрочность в  зависимости от объемного содержания  упрочняющих фаз не подчиняются  закону аддитивности. Оптимальное  содержание второй фазы для  различных металлов неодинаково,  но обычно не превышает 5–10об.%.