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. 

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.