Порошковые и композиционные материалы

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    |

|                                                              | |      |

|                                                              | |14    |

|Пористые фильтры                                              | |      |

|Керметы                                                         |15  | |

|                                                                |    | |

|СПИСОК  ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ                                |    | |

|                                                                |17  | |

 

 

                         I. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

 

 

      Композиционные материалы — это искусственные материалы, получаемые

сочетанием  компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов

является  матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В

качестве  матриц используют полимерные, металлические, керамические и

углеродные  материалы. Упрочнителями служат волокна - стеклянные, борные,

углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов

и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и

жесткостью. При составлении композиции эффективно используются

индивидуальные  свойства составляющих композиций. Свойства композиционных

материалов  зависят от состава компонентов, количественного соотношения и

прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов,

можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемым  и

значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать

композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и  т.

п.

      Содержание упрочнителя  в композиционных материалах составляет 20-80 %

по объему. Свойства матрицы определяют прочность композиционного материала

при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя  определяют прочность.

      Композиционные материалы  имеют высокую прочность, жесткость,

жаропрочность и термическую стабильность. Так, для карбоволокнитов d=650-

1700 МПа, а для бороволокнитов d=900-1750 МПа. Плотность композиционных

материалов 1,35- 1,8 г/см^3 Композиционные материалы являются весьма

перспективными конструкционными материалами для многих отраслей

машиностроения.

 

      Карбоволокниты (углепласты) - это композиции из полимерной  матрицы и

упрочнителей в виде углеродных волокон. Для полимерной матрицы  используются

полиимиды, эпоксидные и фенол формальдегидные  смолы. Карбоволокниты КМУ-2 и

КМУ-2л на основе полиимидов можно применять при температуре до 300°С Они

водо- и химостойки. Карбоволокниты содержат, наряду с угольными, стеклянные

волокна, что удешевляет материал. Карбоволокниты используют в химической,

судостроительной и авиационной  промышленности.

      При обработке  обычных полимерных карбоволокнитов  в инертной или

восстановительной атмосфере получают графитированные карбоволокниты или

Карбоволокниты на углеродной матрице. Так, карбоволокнит на углеродной

матрице типа КУП-ВМ по прочности и ударной вязкости в 5—10 раз превосходит

специальные графиты: При нагреве  в инертной атмосфере он сохраняет

прочность до 2200*C. Карбоволокниты с  углеродной матрицей широко применяют

при изготовлении химической аппаратуры.

 

      Бороволокниты —  это композиции из полимерного связующего и упрочнителя

- борных волокон. Для получения  бороволокнитов применяют модифицированные

эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты имеют высокую  прочность

при сжатии, сдвиге, высокую твердость, тепло- и электропроводность.

Бороволокниты водо- и химостойки. Изделия из бороволокнитов применяют  в

космической и авиационной технике (лопатки и роторы компрессоров, лопасти

винтов вертолетов и т. д.).

 

  Органоволокниты - это композиции  из полимерного связующего и  упрочнителей

из синтетических волокон. Упрочнителями  служат эластичные волокна, лавсан,

капрон, нитрон и др. Связующими служат полиимиды, эпоксидные и

фенолформальдегидные смолы. Органоволокниты  имеют малую плотность,

сравнительно высокую ударную  вязкость. Органоволокниты применяют в

авиационной технике, электропромышленности, химическом машиностроении и др.

 

  Металлы, армированные волокнами  - композиционные материалы с  металлической

матрицей и упрочнителями в  виде волокон. Упрочнителями служат волокна бора,

углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений,

вольфрамовая или стальная проволока. Матричный материал выбирают из учета

назначения композиционного материала (коррозионная стойкость, сопротивление

окислению и др.). В качестве матриц используют легкие и пластичные металлы,

алюминий, магний и их сплавы. Количество упрочнителя составляет по объему

30-50%. Металлы, армированные волокнами,  применяются в авиационной и

ракетной технике.

  Использование композиционных  материалов требует в ряде  случаев создания

новых методов изготовления деталей  и изменения принципов конструирования

деталей и узлов машин.

 

 

 

                            II. ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ

 

 

      Сплавы, изготовляемые  из металлических порошков путем  прессования и

спекания без расплавления или с частичным расплавлением наиболее

легкоплавкой составляющей их, называются порошковыми.

 

      Несмотря на то, что объем производства порошковых  сплавов невелик и

составляет всего 0,1% от общего объема производства металлов, они имеют

очень большое значение в народном хозяйстве и область их применения

чрезвычайно широка. При этом изготовление многих сплавов практически

возможно только 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 с неметаллическими материалами.

Многие детали из порошковых сплавов  отличаются лучшими качествами и

дешевле, чем из обычных металлов.

  Области применения и составы порошковых сплавов приведены в табл. 1.

  Особенно велико значение  порошковой металлургии в новых  отраслях техники:

атомной и химической промышленности, ракетной технике, реактивных

двигателях, радио- и электротехнике, энергетической промышленности и в

производстве особо жаропрочных  сплавов.

 

 

 

   III. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА  ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ

 

 

 

      Процесс производства  порошковых сплавов заключается  в получении

порошка, составлении шихты, прессовании  и спекании.

 

      Производство порошков. Важнейшими методами производства порошков

являются:

     1) восстановление металлов  из окислов;

     2) механическое измельчение;

     3)  электролитическое  осаждение;

     4)  распыление жидкого  металла;

     5)  нагрев и разложение  карбонилов.

      Наибольшим распространением пользуются первые два метода.

Восстановление металлов из окислов  широко применяется в производстве

порошков тугоплавких редких металлов, вольфрама и молибдена, а также

кобальта, никеля и железа. Руды редких металлов подвергаются сложной

переработке и размолу для получения  порошков окислов, которые

восстанавливаются затем путем  нагрева в газовой среде водородом,

генераторным газом или твердыми восстановителями—сажей, коксом, графитом.

Иногда применяется комбинированное  восстановлена путем нагрева вместе с

твердым и газовым восстановителем. Восстановление из окислов позволяет

получить очень мелкие и чистые порошки.

 

 

             Таблица 1.  Применение и состав  порошковых сплавов

 

|Тип порошковых    |Назначение            |Исходные материалы    |

|сплавов           |                      |                      |

|Антифрикционные   |Для подшипников       |Порошки железа и      |

|                  |скольжения            |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  |Порошки  железа и      |

|                 |стали и жаропрочных и |различных металлов    |

|                  |окалино-стойких       |                      |

|                  |сплавов               |                      |

|Тугоплавкие       |ДЛЯ  проволоки ДЛЯ ламп|Порошки вольфрама,    |

|                  |                      |молибдена и других    |

|                  |контактов и деталей   |туго-плавких  металлов |

|                  |приборов              |                      |

|Электротехнические|Для контактов  н       |Порошки меди,         |

|                  |постоянных магнитов   |вольфрама  и др.       |

|                  |                      |Порошки железа,       |

|                  |                      |алюминия, никеля и    |

|                  |                      |кобальта.             |

|Твердые сплавы    |Для режущего          |Порошки карбида       |

|                  |инструмента. Волок,   |вольфрама,  карбида    |

|                  |буры                  |титана, кобальта      |

 

 

      При механическом  измельчении — размоле на шаровых, молотковых и

особенно на вихревых мельницах  — наиболее выгодным является использование

металлической стружки. Шаровые мельницы применяются для размола 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, в которых

измельчение производится ударами  частиц металла друг о друга под  действием

воздушных вихрей. Вихревое дробление  применяется для производства железных

порошков для пористых подшипников, стальных деталей и др. Некоторые

металлы, например алюминий и магний, во избежание воспламенения измельчают

в защитной атмосфере. Порошки, полученные путем механического измельчения,

тверды, плохо прессуются и требуют отжига для снятия наклона.

      Электролитическое  осаждение применяется для производства  порошков

электроположительных металлов —  меди и некоторых других металлов, например,

титана, ванадия я других, а иногда также и железа.

      Распыление жидкого металла потоком сжатого воздуха, пара или инертного

газа сначала применяли для  производства порошков легкоплавких металлов —

алюминия, олова и свинца. В настоящее  время этим методом распыляют  также

расплавленные сталь и чугун.

 

      Испытание порошков. Порошковая металлургия предъявляет ряд требований

к форме и размерам порошков. Например, для некоторых деталей требуются

порошки чешуйчатой формы, полученные на вихревых мельницах, а для фильтров,

наоборот, — шарообразной формы, полученные распылением. Прессуются лучше

крупные порошки, особенно если среди  них есть и мелкие частицы, а спекаются

лучше мелкие. Зернистость порошков определяется путем ситового анализа:

порошок просеивают через ряд сит  со все более мелкими отверстиями  и

взвешивают остатки с каждого сита. Форму зерен определяют, рассматривая их

под микроскопом с сетчатым окуляром. Насыпной вес порошка определяется

весом 1 см3 свободно насыпанного порошка. Он зависит от размера, формы и

состояния поверхности его частиц и является очень важной его

характеристикой.

      При конструировании  прессформ необходимо знать насыпной  вес порошка,

который будет в них прессоваться, чтобы определить объем полости  матрицы и

ход пуансона. Перед прессованием порошки просеивают, подвергают смягчающему

или восстановительному отжигу и тщательно (длительно) перемешивают.

 

       Прессование.  Для прессования применяют большей  частью быстроходные

легко автоматизируемые эксцентриковые (кривошипные) прессы, а иногда и

тихоходные гидравлические прессы. Прессование производится в прессформах

при давлении от 10 до 100 кГ/мм2 (от 98 до 981 Мн/м2) в зависимости от

твердости порошка и формы изделия: чем тверже порошок, тем больше давление

прессования, при этом усадка получается от 2:1 до 6:1.

      Вследствие трения  порошка о стенки прессформы процесс прессования

получается прерывистым, ступенчатым, нагрузка и сжатие порошка меняются

скачками. Важнейшую роль при сильных  давлениях прессования играет

пластическая деформация частиц порошка, которая вызывает увеличение

поверхности соприкосновения (контактной поверхности) их между собой.

Прочность прессования объясняется  двумя причинами: атомарным схватыванием

на контактной поверхности —  «зацеплениями», переплетением неровностей  на

поверхности частиц порошка.

      В различных  частях сечения порошок уплотняется неодинаково. При

последующем спекании усадка может  оказаться неоднородной, и

недопрессованная часть будет  плохо спекаться. Поэтому прессование  проходит

лучше при наличии деталей небольшой  высоты. Вместе с тем порошок не может,

подобно жидкости, заполнить очень  сложную фасонную форму; следовательно, из

порошковых сплавов можно изготовлять  детали сравнительно не очень сложной

формы.

 

      Спекание. Для спекания  порошковых сплавов применяют  электропечи с

металлическим сопротивлением, 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 при частичном  сжигании газа. При спекании вольфрама,

молибдена, твердых сплавов, магнитных  и электротехнических материалов

применяют водород. Температура спекания составляет примерно 2/3 температуры

плавления металла, например для меди 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 жидкой фазы. При спекании

происходят следующие пиления: повышение температуры увеличивает  подвижность

атомов, происходит изменение контактной поверхности  частиц, которая

большей частью увеличивается; происходит снятие напряжений в местах

контакта и рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерна через контактные

поверхности; восстанавливаются окислы и удаляются адсорбированные газы и

жидкости, и результате контакт  становится металлическим.

      В случае многокомпонентных  систем, кроме перечисленных явлений,

происходит образование твердых  растворов, диффузия и образование  химических

соединений. При спекании порошков с большой разницей температур плавления,

например порошков карбида вольфрама  с порошком кобальта, образуется жидкая

фаза, которая капиллярными силами стягивает нерасплавившиеся частицы. В

результате получаются плотные  детали. Иногда, например при производстве

медновольфрамовых электродов, сначала  прессуют и спекают порошковый

вольфрамовый каркас, потом пропитывают  его расплавленной медью. Спекание

обычно сопровождается усадкой, которая  тем больше, чем выше температура

спекания и чем ниже давление прессования. Усадка изменяет размеры деталей;

поэтому детали, требующие высокой  точности, например подшипники н зубчатые

колеса, после спекания калибруют  путем протягивания через сквозные

прессформы. У сплавов, 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

ряду преимуществ начинает распространяется всё шире. При горячем

прессовании требуется более низкое давление, которое составляет всего 5—10%

давления обычного прессования. Порошок  лучше заполняет форму, и горячее

прессование позволяет получать детали более сложной формы и более  точных

размеров, не требующих калибрования. Нагрев порошка производится

электрическим током.

 

 

 

                             IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

 

 

 

      Определение и  классификация. Порошковым твердым  сплавом называется

сплав, состоящий из тончайших частиц (зерен) карбидов, например WC,

связанных твердым раствором WC в  кобальте. В СССР ГОСТ 3882-61

предусматривает две группы металлокерамических (порошковых) твердых сплавов

— вольфрамовые, состоящие из карбида  вольфрама и кобальта, и

титановольфрамовые, состоящие из карбида титана, карбида вольфрама  и

кобальта.

      Металлокерамические или порошковые твердые сплавы применяются при

изготовлении пластинок для  оснастки инструмента при обработке  металлов

резанием, волок при волочении  проволоки, бурового инструмента и  других

целей, в том числе для износоустойчивых детален (клапанов насосов,

работающих в коррозионной среде, наконечников пескоструйных аппаратов,

разных направляющих) и измерительного инструмент.

 

 

 

      Микроструктура. Качество  и режущие свойства порошковых  твердых сплавов

зависят от их микроструктуры. Исследование их микроструктуры до травления

обнаруживает пористость (рис.1, а; Х 100).

      Микроструктура вольфрамокобальтового  твердого сплава  ВК 15 после

травления насыщенным солянокислым раствором  хлорного железа (рис.1 б; X

1500) обнаруживает следующие две  фазы:

-светлые угловатые и шпалообразные зерна фазы WC;

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

      Светлые зерна WC являются очень  твердыми, в режущем инструменте  они

служат  элементарными режущими частичками, а твердый раствор WC в кобальте—

относительно  менее твердый, но более вязкий служит связкой (цементом),

соединяющей между собой зерна WC. Твердый раствор WC в кобальте лучше

протравливается легким окислением на воздухе в электрической  печи при 400°

С в течение 10 мин (рис.1, в; X 1500), но очертания WC выявляются здесь

менее четко.

      В общем, чем мельче частички (зерна) и чем равномернее они

распределены  в микроструктуре, тем лучше режущие  свойства и тем выше

прочность металлокерамического (порошкового) вольфрамового  твердого сплава

данной  марки. Крупные же зерна WC ухудшают свойства этих сплавов.

      Микроструктура титановольфрамокобальтового  сплава Т15K6 после

травления  окислением на воздухе в электропечи  при 400° С

 

 

                 Рис.1  Микроструктура твердого  сплава ВК15.

 

в течение 40 мин. (рис.2, а) состоит из трех 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, зато карбид титана TiC

растворяет  очень много вольфрама, например, до 70% при комнатной

температуре и до 90% при высокой температуре.

      Чем мельче и равномернее распределены  светлые зерна фазы WC (рис.2,б),

тем лучше режущие свойства и прочность твердого сплава Т15К6.

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

они выявляются путем травления в  щелочном растворе K4Fe(CN)6. Хорошим

режущим свойствам сплава Т15К6 отвечает микроструктура из средних или

крупных зерен титановой фазы.

      Избыток углерода  в порошковых твердых сплавах  вызывает появление в их

микроструктуре графита, а при  недостатке углерода

образуется n1-фаза (W4Co4C).

      Присутствие графита, n1-фазы и других посторонних  включений в

микроструктуре порошковых твердых сплавов ухудшает их качество.

Механические и физические свойства.  Предел прочности на изгиб и твердость

порошкового твердого сплава зависят  от содержания в нем кобальта. Чем

больше в твердом сплаве кобальта и

 

 

            Рис.2. Микроструктура твердого сплава Т15К6 (Х1500).

 

чем крупнее зерна карбидов, тем  выше предел прочности на изгиб, но тем ниже

твердость. Однако повышение содержания кобальта сверх 15% нарушает сплошной

каркас из зерен карбида и  резко снижает предел прочности на изгиб.

      В случае уменьшения  содержания кобальта и применения  мелкозернистых

карбидов, которые лучше растворяются в кобальте, вязкость и предел

прочности на изгиб снижаются, но твердость  и износостойкость увеличиваются.

      Удельный вес характеризует степень пористости сплава. Высокая

теплопроводность способствует отводу тепла от режущей кромки и увеличивает

стойкость инструмента.

      Красностойкость  твердых сплавов, т. е. способность  сохранять структуру

и режущие свойства при высоких  температурах, значительно выше

красностойкости быстрорежущей стали. При этом чем меньше кобальта в  сплаве

и чем он мелкозернистее, тем выше крастостойкость. Титановольфрамовые

сплавы обладают большей красностойкостью, чем однокарбидные вольфрамовые,

что особенно важно при обработке стали. Кроме того, наличие карбида титана

снижает коэффициент трения и увеличивает  износостойкость дву-карбидных

сплавов.

      Слипаемость или  сцепление твердого сплава с  обрабатываемым материалом

резко ухудшает обрабатываемость, особенно стальных деталей.

Титановольфрамовые твердые сплавы группы ТК отличаются меньшей

слипаемостью, которая начинается у них при более высоких  температурах, чем

у вольфрамовых ВК. Кроме того, чем  меньше в твердом сплаве кобальта, тем

меньше слипаемость.

 

      Область применения. При обработке чугуна и цветных  сплавов

преимущественно применяют однокарбидные  вольфрамовые твердые сплавы группы

ВК. Сплавы ВК2 и ВКЗМ применяют  для снятия легкой стружки на больших

скоростях резания и для обработки  самых твердых материалов — стекла,

фарфора, пластмасс и т. д. Сплав  ВКЗМ отличается также высокой

износостойкостью за счет мелкозернистости.

      Сплав ВК6М применяют  для скоростного, полуобдирочного  и чистового

точения. Сплавы ВК6 и ВК8 применяют  для обдирочного точения и для

изготовления инструмента, подвергаемого  в работе ударам и толчкам. Сплавы

ВК6В и ВК15 применяют для бурового инструмента и т. д.

      При обработке  некоторых марок стали получается  непрерывная сливная

стружка, которая все время соприкасается  с твердым сплавом и передает ему

большее количество тепла. Здесь решающее значение приобретает

красностойкость, наименьший коэффициент  трения и особенно слипаемость.

Поэтому для обработки стали  преимущественно применяют титановольфрамовые

твердые сплавы группы ТК.

      Сплав ТЗ0 К4 применяют  для снятия легкой стружки  при самых больших

скоростях резания, сплав Т15К6 —  для полуобдирочной и чистовой работы и для

скоростной обработки и сплав T5K12B – для  тяжелого чернового  точения,

требующего прочного инструмента.

      У титанотанталовольфрамового  сплава наивысшая эксплуатационная