ЗАКЛЮЧЕНИЕ. ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И МЕТОДЫ ИХ УПРОЧНЕНИЯ

Порошковые сплавы представляют собой металлический порошок (железный, из цветных металлов, в некоторых случаях с добавкой графита или других примесей), спрессованный при высоком давлении и подвергнутый спеканию. Такой способ получения порошковых сплавов получил название порошковой металлургии. Порошковые сплавы называют также металлокерамическими ввиду сходства их изготовления с изготовлением керамических изделий.

Эти сплавы широко применяют в различных отраслях машиностроения благодаря высокой экономичности технологии их изготовления (по сравнению с методами литья и штамповки). Особенно эффективны порошковые сплавы на железной основе как заменители цветных металлов.

Иногда изделия из порошковых сплавов подвергают дополнительной обработке — калиброванию, горячей допрессовке, термической и химико-термической обработке.

Производство порошковых сплавов. В технологический процесс производства порошковых сплавов входят следующие этапы:

О получение порошков осуществляется различными способами — механическим измельчением железной и стальной стружки в шаровых, молотковых и вихревых мельницах; восстановлением из оксидов тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, железо и др.); распылением жидкого металла сжатым воздухом или паром (алюминия, меди, олова и т.д.); электролитическим осаждением (меди, олова, железа и проч.);

О подготовка шихты состоит в следующем: порошок подвергают очистке от загрязнений, сушке, дополнительному измельчению, отжигу (для снятия наклепа, улучшения однородности металлов в защитной или восстановительной атмосфере), классификации по размеру (с помощью набора стандартных сит), смешиванию (в специальных смесителях);

О прессование проводят в штампах — пресс-формах, при этом происходит механическое сцепление частиц порошка;

О спекание заготовок представляет собой специальный отжиг спрессованных заготовок, который проводят с целью повышения их механических свойств.

При спекании происходят восстановление оксидов на металлических частицах и образование прочного металлического контакта, снятие внутренних напряжений и искажений в кристаллической решетке, рекристаллизация, диффузия. В результате спекания малопрочные механические связи между частицами порошка заменяются более прочными межатомными связями.

Спекание осуществляют в печах с защитной атмосферой. Температура спекания заготовок, спрессованных из порошка одного металла, составляет примерно 75 % температуры плавления данного металла. Например, для железа эта температура равна 1100—1200 °С, для меди 800—900 °С, для молибдена 2100-2300 °С.

Спекание заготовок из порошков с большой разницей в температурах плавления ведут при температуре, превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкого компонента (например, температура спекания порошков железа и меди 1100—1200 °С, меди и олова 700—800 °С). При спекании образуется жидкая фаза.

Продолжительность спекания обычно составляет 1—3 ч.

Прессование и спекание иногда совмещают в одну операцию — горячее прессование. В этом случае применяют более низкое давление, составляющее 5—10 % давления обычного прессования, и более низкие температуры — на 10—30 % ниже температуры спекания холоднопрессованных заготовок.

Наиболее распространенными видами брака при спекании являются пережог, плохо пропеченная сердцевина, неравномерная плотность, усадочные макропоры, коробление, трещины, расслоение, несоответствие заданным свойствам и размерам.

Применение порошковых сплавов. В зависимости от назначения порошковые сплавы делят на антифрикционные, фрикционные, плотные, тугоплавкие, электротехнические и твердые.

Антифрикционные сплавы получают из порошков как черных, так и цветных металлов. Изменение режимов прессования и спекания дает сплавы различной степени пористости (объем пор составляет 20—30 % общего объема). Часто в сплавы вводят графит (1—3 %), заполняющий поры. При наличии пор, в которых удерживается смазка, и графита, являющегося твердой смазкой, подшипники отличаются малым износом, малым коэффициентом трения, потребляют меньше смазки, хорошо прирабатываются.

Пористыми подшипниковыми металлами и сплавами являются: пористое железо; железо—графит (1—2 %); железо- медь и железо—медь—графит с содержанием меди до 25 % и графита до 3 %; медь (88 %) — олово (10 %) — графит (2 %). Для пористых железографитных сплавов наиболее желательной структурой, обеспечивающей высокое качество подшипников, является перлит с графитом.

Фрикционные сплавы, применяемые для тормозных устройств, должны иметь высокий коэффициент трения, обладать износостойкостью, высокой теплопроводностью, хорошей прирабатываемостыо. В промышленности нашли применение фрикционные сплавы, состоящие из 60—75 % Си; 5—8 % РЬ; 5—10 % Sn; до 22 % Ni; до 22 % Fe; 0,5 % Si02; 4—8 % графита; до 0,3 % асбеста. Фрикционные сплавы отличаются невысокой прочностью, поэтому тонкий слой сплава соединяется (чаще всего спеканием под давлением) со стальной основой (диском, лентой).

Плотные сплавы, применяемые для деталей машин и измерительного инструмента, получают из порошков железа, стали, меди, бронзы, латуни. В данном случае упрощается технологический процесс, сокращается расход материала, снижается трудоемкость производства. Особенно целесообразно изготовление небольших фасонных деталей типа шестерен, колец, втулок, кулачков, шайб, рычагов и др. Измерительный инструмент (скобы, лекала, плитки и др.) изготовляют из железного порошка и подвергают цементации или применяют железографитные смеси без последующей цементации.

Тугоплавкие металлы и сплавы вольфрам, молибден, титан и др., применяемые в виде прутков, проволоки и листа, получают прессованием порошков в холодном состоянии в брикеты, спеканием в атмосфере водорода (вольфрам и молибден) или при высоком разрежении (титан). Спеченные заготовки проковывают в прутки, которые при необходимости протягивают в проволоку или прокатывают в листы. Высокая температура плавления затрудняет возможность получения этих металлов обычными металлургическими методами (плавка, литье и др.).

Вольфрам применяют для нитей накала в электрических лампах накаливания, для деталей радиоламп, электрических контактов, нагревателей и др.; молибден — для нужд электролампового и электровакуумного производства (подвески, сетки, аноды и др.). Методом порошковой металлургии получают также сплавы тугоплавких металлов, например сплавы вольфрама с молибденом для электровакуумной аппаратуры, сплавы вольфрам—молибден—никель для изделий, впаиваемых в стекло, идр.

Тугоплавкие металлы получают также методом горячего прессования. Карбиды тугоплавких металлов, главным образом вольфрама, служат основой при производстве твердых сплавов.

Электротехнические сплавы, применяемые для электрических контактов, магнитов, сердечников индукционных катушек, получают из порошков железа, вольфрама, бронзы и графита, железа и никеля и специальных сплавов.

Лучшее сочетание свойств — высокой красностойкости, жаропрочности, сопротивления электрической эрозии — достигается в порошковых сплавах из тугоплавких металлов (вольфрама и др.). Скользящие контакты для электродвигателей изготовляют из бронзографитных и меднографитных сплавов, постоянные магниты — из порошков А1— Ni—Си (сплав Алии), А1— Ni—Со—Си (сплав Алнико).

Порошковые магниты по магнитным свойствам не уступают литым, имеют мелкозернистую структуру и более высокие механические свойства.

Магнитно-мягкие изделия получают из порошка карбонильного железа или железа и никеля с высокими магнитными свойствами.

Все большее применение находят порошковые и гранулируемые материалы на основе легких металлов — алюминия, магния, титана. Порошки и гранулы из них получают путем распыления или разбрызгивания жидкого металла и затвердевания его либо на воздухе, либо в воде. Скорость кристаллизации гранул диаметром 1—4 мм составляет 103— 104 °С/с. Скорость кристаллизации волокон, чешуек толщиной 50—100 мкм методами высокоскоростного затвердевания расплава достигает 105-107 °С/с.

При высоких скоростях кристаллизации образуется мета- стабильная структура, существенно отличающаяся от равновесной структуры. Так, в сплавах алюминия с Mn, Si, Си, Ti, Zr и др. с увеличением скорости охлаждения:

  • 0 предотвращается образование первичных крупных интерме- таллидов;
  • 0 эвтектическая кристаллизация происходит со значительным переохлаждением, образуя тонкую квазиэвтектику;
  • 0 концентрация легирующего компонента в твердом растворе повышается более предельной растворимости его в равновесных условиях, что приводит к образованию однофазной структуры аномального (сверх нормы) пересыщенного твердого раствора.

Порошковая и гранульная металлургия позволяет получить новые нестандартные композиции сплавов, а у сплавов стандартного химического состава — новые свойства.

Сплавы САС имеют низкий коэффициент линейного расширения и высокий модуль упругости. Например, сплав САС содержит 25—30 % Si; 5—7 % Ni; 65—70 % А1, характеризуется довольно высокими твердостью и прочностью и может использоваться в качестве материала для отдельных деталей приборов, заменяя стали. Кроме того, такой высококремнистый силумин за счет порошковой металлургии становится хорошим деформируемым сплавом, благодаря чему и детали приборов из них изготовляют прессованием или штамповкой.

В высокопрочном наиболее легированном алюминиевом сплаве В95 в результате применения метода порошковой металлургии увеличена концентрация легирующих элементов. Временное сопротивление возрастает до 700—750 МПа, увеличиваются пластичность и прочность при повышенной температуре.

На основе алюминия получены сплавы, легированные компонентами, малорастворимыми в алюминии (хром, цирконий, ванадий и др.). За счет больших скоростей затвердевания удалось получить сплав с содержанием до 2 % Сг и 2 % Zr (вместо сотых долей процента), имеющий однородную структуру, высокую прочность в сочетании с высокой пластичностью и жаропрочностью.

Композиционные материалы представляют собой соединение высокопрочных, жаропрочных или особо жестких (высокомодульных) тонких волокон и полимерной, металлической или керамической матрицы, в которую эти волокна погружены и которая связывает их в монолитное тело.

По жесткости и удельной прочности, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам композиционные материалы значительно превосходят все известные конструкционные сплавы.

Свойства композиционных материалов определяются физико-механическими свойствами компонентов и прочностью связи между ними.

Композиционные материалы могут иметь металлическую или неметаллическую основу (матрицу). Во втором случае матрицей являются полимеры, углеродные и керамические материалы.

Свойства матрицы определяют технологию получения композиционных материалов и такие важные характеристики, как температура эксплуатации, сопротивление усталостному разрушению, плотность и удельная прочность.

Упрочнители (наполнители) равномерно распределены в матрице. По твердости, прочности и модулю упругости упрочнители, или, как их называют, «армирующие компоненты», должны значительно превосходить матрицу.

По форме армирующих компонентов композиционные материалы разделяют на: дисперсно-упрочненные, в которых армирующие компоненты присутствуют в виде частиц малого размера; волокнистые, в которых армирующие компоненты представляют собой волокна или пластины.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы в качестве наполнителей содержат дисперсные частицы тугоплавких фаз — оксидов, нитридов, боридов, карбидов (А1203, Si02, SiC, BN и др.). Эти тугоплавкие соединения имеют высокий модуль упругости, низкую плотность, не взаимодействуют с материалом матриц. Основную нагрузку в них воспринимает матрица, а дисперсные частицы-упрочнители препятствуют движению дислокаций, тем самым повышая прочность материала. Уровень достигнутой прочности зависит от общего объема частиц упрочнителей, равномерности их распределения, степени дисперсности и расстояния между ними.

По сравнению с волокнистыми композиционными материалами, дисперсно-упрочненные обладают большей изотропностью свойств.

Широкое применение в промышленности нашел дисперсно-упрочненный композиционный материал на алюминиевой основе САП (спеченная алюминиевая пудра). Для него характерны: высокая прочность, жаропрочность, коррозионная стойкость и термическая стабильность свойств.

САП состоит из алюминия и оксида алюминия. Оксид алюминия не растворяется в алюминии, равномерно распределен в алюминиевой матрице, тормозит движение дислокаций, в результате чего предотвращается ползучесть, уменьшается пластичность и повышается прочность сплавов.

В таблице приведены характеристики САП четырех марок.

Характеристики марок САП

Параметр

САП-1

САП-2

САП-3

САП-4

А1203, %

6-9

9-13

13-18

18-22

ств, МПа

300

350

400

450

МПа

220

280

320

370

8, %

7

5

3

1,5

По жаропрочности САП превосходит все алюминиевые сплавы, его используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 500 °С, когда требуются также высокая прочность и коррозионная стойкость. САП хорошо обрабатывается давлением, резанием, удовлетворительно сваривается. Благодаря своим свойствам САП широко применяется в самолето- и судостроении, в атомных реакторах, в электротехнической и химической промышленности. Из САП изготовляют поршневые штоки, лопатки компрессоров, обмотки электродвигателей, теплообменники, вентили управляющей системы реактивных двигателей и др.

Волокнистые композиционные материалы (КМ) в качестве наполнителей содержат волокна или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавкие соединения (В, С, А1203, SiC и др.), а также проволоку из металлов и сплавов (Mo, W, Be, высокопрочной стали и т.д.). Эти материалы обладают значительной анизотропией. Свойства их зависят от схемы армирования. Наибольшая анизотропия наблюдается при армировании вдоль одной оси. При армировании вдоль двух перпендикулярных осей анизотропии почти не наблюдается. Нагрузку в волокнистых материалах в основном воспринимает упрочни- тель, а матрица служит средой для передачи напряжений. Поэтому их упрочнение зависит от прочности, толщины и длины волокна: чем тоньше и длиннее волокно, тем выше прочностные характеристики волокнистых материалов. Например, КМ алюминия с бериллиевой проволокой имеет удельную прочность около 48 (для сравнения: удельная прочность алюминиевого сплава типа дуралюминов составляет 15). Наиболее перспективными композиционными материалами являются: никель — графитовые волокна и алюминий — волокна бора.

Аморфные металлы. Аморфными называют металлы и металлические сплавы, у которых отсутствует дальний порядок в расположении атомов; иногда их называют металлическими стеклами или некристаллическими сплавами.

Для их приготовления используют различные методы, в основе которых лежит быстрый переход компонентов сплава из жидкого или газообразного состояния в твердое. При этом затвердевание происходит настолько быстро, что атомы вещества оказываются замороженными в тех положениях, которые они занимали в жидком состоянии.

Следствием такой аморфной структуры являются необычные магнитные, механические, электрические свойства и коррозионная стойкость аморфных металлических сплавов. Например, наряду с высокой магнитной мягкостью эти материалы проявляют исключительно высокие механическую твердость и прочность при растяжении, в ряде случаев имеют близкий к нулю коэффициент теплового расширения, а удельное электрическое сопротивление их в 3-4 раза выше, чем у железа и сплавов Fe—Ni. Наконец, некоторые аморфные сплавы являются в высшей степени коррозионно-стойкими.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ