Главная Учебники - Разные Лекции (разные) - часть 62
Министерство
образования
Российской
Федерации
Тюменский
государственный
нефтегазовый
университет
Кафедра
ТКМиМ
на
тему:
«Композиционные
и порошковые
материалы»
Выполнил:
НР
00-1
Проверил:
Теплоухов О.Ю.
Тюмень –
2001 Содержание
Основы
порошковой
металлургии
3
Конструкционные
порошковые
материалы
5
Изготовление
металлокерамических
деталей 7
Композиционные
материалы с
металлической
матрицей
10
Композиционные
материалы с
неметаллической
матрицей 13
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=180ч300
МПа и твердость
60–120 НВ, а бронзиграфита:
σB=30ч50
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:
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
Рис.3.
Схема прокатки
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
|