Композиционные материалы. Порошковые материалы

Материаловедение. Занятие №23.

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 используютсяполиимиды, 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.

Порошковые материалы. 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.

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.

Производство порошков. Процесс производства порошковых сплавов заключается в получении порошка, составлении шихты, прессовании и спекании. 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 сплавов	Назначение	Исходные материалы
Антифрикционные	Для подшипников скольже­ния	Порошки железа и 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 стали и жаропрочных и окалино-стойких сплавов	Порошки железа и различ­ных металлов
Тугоплавкие	Для проволоки  ламп, контактов и деталей при­боров	Порошки вольфрама, мо­либдена и других тугоплавких металлов
Электротех­нические	Для контактов н постоянных магнитов	Порошки меди, вольфрама и др. Порошки железа, алюминия, никеля и кобальта.
Твердые сплавы	Для режущего инструмента. Волок, буры	Порошки карбида воль­фрама, карбида 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 пресс-форм 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 пресс-формах 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 пресс-формы 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 не расплавившиеся 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 пресс-формы. 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.

Антифрикционные сплавы. Пористые, пропитываемые маслом подшипники очень удобны в труднодоступных узлах трения и обеспечивают высокую изно­состойкость при малом коэффициенте трения. Кроме того, они могут заменять бронзу или позволяют более экономно расходовать цветные металлы, но нали­чие пор снижает их прочность и поэтому для тяжело нагруженных подшипни­ков, например коренных и шатунных двигателей, они не применяются. Пори­стые подшипники изготовляют из железного или медного порошка. Если нет опасности ржавления, то подшипники изготовляются из смеси железного по­рошка с графитом, который добавляется в количестве 1—2%. Пористость в таких подшипниках 20 - 30%. После прессования и спекания они пропитываются маслом, где коррозия возможна, там применяются бронзовые подшипники.

Пористые бронзовые подшипники изготовляют из смеси порошков 88% Сu, 10% Sn и 2% графита. Пористые подшипники обладают хорошими анти­фрикционными качествами, но менее прочны, чем сплошные, поэтому их нельзя применять при больших нагрузках, например для шатунных и коренных под­шипников двигателя. Эти материалы отличаются способностью саморегулировать подачу смазки. На контактной поверхности трущейся нары образуется непрерывная пленка, этим обеспечивается жидкое трение.

К антифрикционным автомобильным деталям так же относятся направляю­щие втулки клапана, шестерни масляного насоса и т. д., которые изготовляются из смеси порошков 96% Fe +2,5% Сu +1,5% графита; после прессования и спекания они отжигаются при температуре 740 и 715° С, т. е. производится от­жиг на зернистый перлит. Содержание углерода после спекания не менее 0,8%. Наиболее желательной, обеспечивающей высокое качество пористых железографитных подшипников структурой является перлит с графитными вклю­чениями; в случае наличия у чих ферритной структуры они быстро изнаши­ваются, налипают на шейку вала и имеют высокий коэффициент трения. Цемен­тит в структуре железографнтных подшипников, хотя и повышает их сопро­тивление износу, но изнашивает и царапает шейку вала и также повышает коэф­фициент трения.

Фрикционные материалы. К фрикционным материалам предъявляются следующие требования: они должны иметь высокий коэффициент трения, обеспечивающий плавность торможения и минимальную пробуксовку и износостой­кость как собственную» так н сопряженной стальной поверхности. Кроме того, они должны иметь хорошую прирабатываемость, не заедать н обладать высокой теплопроводностью. Всем этим требованиям может отвечать только порошковый сплав, представляющий целый комплекс различных материалов с различными свойствами.

По условиям эксплуатации фрикционные материалы могут работать:

1) в масляной ванне, например в автоматических коробках передач современных автомобилей с фрикционными дисками и тормозными лентами:

2) при су­хом трении, например тормозные накладки фрикционных механических прессов.

Фрикционные материалы изготовляются из порошков меди, олова, железа и других, образующих металлическую их основу, куда добавляются в небольшом количестве порошки кремния, двуокиси кремния (SiO2), асбеста и пр. для повышения коэффициента трения, а также порошка графита, талька, свинца и пр. для создания смазки на поверхностях трения. Изменяя дозировку добавок, увеличивающих коэффициент трения и до­бавок, его снижающих, можно получить необходимые фрикционные свойства порошкового сплава, т. е. исключить пробуксовку обильно смазанных трущихся поверхностей при очень высокой износостойкости и фрикционного материала и сопряженной с ним стали.

Например, в автомобильной промышленности для работы в масле при­меняется фрикционный сплав из следующих порошков; 60% Сu, 10% Sn, 4%

Fe, 7%Pb, 4%; графита, 8% пульвер-бакелита и 7% асбеста.

Фрикционные сплавы отличаются невысокой прочностью, поэтому они применяют» я в виде топкого слоя или на стальном диске, или на стальной ленте. Соединение их со сталью производится двумя способами: спеканием порошкового сплава под давлением со сталью или приклеиванием.

В условиях сухого трения при торможении развивается более высокая тем­пература и поэтому приходится применять вместо медной основы железную, отличающуюся более высокой температурой плавления.

Пористые фильтры. Из шарообразных порошков бронзы или сплавов никеля с медью или чистого никеля изготовляют металлические фильтры с объемом пор, достигающим 80% от общего объема изделия. Такие фильтры приме­няют в химической промышленности, а также в качестве топливных фильтров в двигателях.

Конструкционные материалы. Порошковая металлургия в данном случае должна упрощать технологический процесс, для сокращения расхода металла и снижения трудоемкости производства. Например, детали простейшей формы: небольшие шестерни, шайбы и т. д. из углеродистой или из легированной стали с успехом изготовляются методами порошковой металлургии. Порошковые сплавы также применяются для производства прецизионных сплавов, т. е. сплавов с очень небольшими колебаниями в химическом составе, биметал­лов и комплексных сплавов с разным составом поверхности и сердцевины, а также особо жаропрочных сплавов и материалов для ракет н ядерных реакторов.

Электротехнические сплавы. Особенно широко порошковые сплавы применяются в электротехнике. Постоянные магниты небольшого размера, полу­ченные из порошков Fe—Al—Ni сплавов (альни) или F'e—А1—Ni—Со сплавов (альнико), отличаются мелкозернистостью, в отличие от литых магнитов из этих сплавов, которые крупнозернисты. Кроме того, порошковые сплавы ли­шены литейных дефектов: раковин, ликвации и т. д. Это позволяет получить однородную плотность магнитного потока. Допуски в размерах постоянных магнитов из порошковых сплавов гораздо уже, что сводит до минимума их механическую обработку, которая ограничивается одним шлифованием.

Порошковые сплавы позволяют соединить жаро- и износостойкость вольф­рама, молибдена, никеля и графита с высокой электропроводностью меди и серебра.

Из порошковых сплавов изготовляют электрические контакты. Сопротивление контактов искре повышается при комбинации серебра с окисью кадмия. Высокая электропроводность серебра обеспечивается его чистотой, а также от­сутствием элементов, которые могут образовывать с серебром твердые растворы. Порошковые сплавы применяют при изготовлении ряда электро- и радио-технических деталей из порошков альсифера, ферритона и карбонильного железа.

Из порошковых сплавов так же изготавливают электроды для дуговой сварки, из смеси графита с медным порошком изготовляют износостойкие щетки электродвигателей. Железные порошки применяют для изготовления полюсов электродвигателей постоянного тока.

Тугоплавкие металлы и тяжелые сплавы. Из порошков методом восстановления из окислов получают металлы с очень высокой тем­пературой плавления — вольфрам, молибден, тантал/ниобий и др. Сначала в потоке водорода восстанавливаются из окислов чистые металлы, получаемые в виде порошков. Их прессуют в брикеты и нагревают током. Далее производят ковку и прокатку. Все эти опе­рации с вольфрамом и молибденом производят в атмосфере водорода, а с титаном н танталом—в вакууме, так как последние очень сильно поглощают газы при высоких температурах. Если металл предназначен для нитей электроламп, в него добавляют ве­щество, препятствующее росту зерна при высоких температурах, например окись тория. Из порошков изготовляют также «тяжелый сплав» состава 90% W, 7,5 Ni и 2,5% Си, имеющий удельный вес до 17 и высокие механические свойства, применяемый, например, в качестве проти­вовесов там, где по условиям конструирования места для них мало.

Керметы. Керметами называются порошковые сплавы, являю­щиеся композициями керамических материалов с металлами и пред­назначаемые для детален, работающих при высоких температурах или в агрессивной коррозионной среде. Керметы сочетают жаропрочность, корро­зионную стойкость и твердость керамических материалов (карбидов, окислов, боридов, нитридов и силицидов) с вязкостью, тепло­проводностью и стойкостью при перемене температуры металлов. Наиболее подходящим керамическим материалом дли этих спла­вов в настоящее время является карбид титана TiC благодаря его жаропрочности, окалиностойкости и способности противостоять тепловому удару, т. е. не разрушаться при внезапных и сильных изменениях температуры. Связующим металлом для керметов берут жаропрочный сплав из порошков никеля, кобальта н хрома, иногда с небольшим коли­чеством молибдена. Введение хрома повышает сопротивление пол­зучести и окалиностойкость керметов.

Задание: 1. Подготовить конспект лекции в печатном word-документе.

2. Предоставить схемы производства изделий из композиционных и порошковых материалов.

Срок выполнения 07.05.2020.