Перспективы развития порошковой металлургии

Благодаря структурным особенностям продукты порошковой металлургии более термостойки, лучше переносят воздействие циклических колебаний температуры и напряжения, а также ядерного облучения, что очень важно для материалов новой техники.

Порошковая металлургия имеет и недостатки, тормозящие ее развитие:

- сравнительно высокая стоимость металлических порошков;

- необходимость спекания в защитной атмосфере, что также увеличивает себестоимость изделий порошковой металлургии;

- трудность изготовления в некоторых случаях изделий и заготовок больших размеров;

- сложность получения металлов и сплавов в компактном состоянии;

- необходимость применения чистых исходных порошков для получения чистых металлов.

Недостатки порошковой металлургии и некоторые ее достоинства нельзя рассматривать как постоянно действующие факторы: в значительной степени они зависят от состояния и развития как самой порошковой металлургии, так и других отраслей промышленности. По мере развития техники порошковая металлургия может вытесняться из одних областей и, наоборот, завоевывать другие. Развитие дугового, электроннолучевого, плазменного плавления и электроимпульсного нагрева позволили получать не достижимые прежде температуры, вследствие чего удельный вес порошковой металлургии в производстве несколько снизился. Вместе с тем прогресс техники высоких температур ликвидировал такие недостатки порошковой металлургии, как, например, трудность приготовления порошков чистых металлов и сплавов: метод распыления дает возможность с достаточной полнотой и эффективностью удалить в шлак примеси и загрязнения, содержащиеся в металле до расплавления. Благодаря созданию методов всестороннего обжатия порошков при высоких температурах в основном преодолены и трудности изготовления беспористых заготовок крупных размеров.

В то же время ряд основных достоинств порошковой металлургии – постоянно действующий фактор, который, вероятно, сохранит свое значение и при дальнейшем развитии техники.

В социальном аспекте порошковая металлургия способствует снижению загрязнения окружающей среды газами, вредными выбросами, шлаками, то есть обеспечивает большую экологическую чистоту производства. Порошковая металлургия практически не имеет альтернативы при получении нового поколения керамических композиционных материалов.

Применение порошковой металлургии, ее развитие имеет важное значение для всего мира. Передовые страны мира такие как США и Япония ежегодно инвестируют и расширяют эту отрасль промышленности.

Производство спеченных металлов за период с 1964 по 1994 гг. в США возросло в 43,5 раза, а в Японии – почти в 114 раз. Тенденция к увеличению производства спеченных материалов сохраняется и в настоящее время.

Порошковая металлургия и в нашей стране представлена такими предприятиями как “Уральский завод твердых сплавов“, “Краснопахорский завод композиционных изделий из металлических порошков“ и многими другими. Неоспоримым доказательством полезности использования порошковых изделий является то, что в период кризиса эти предприятия не только выживают, но и расширяют производство.

При выборе технологий, которые будут взяты в будущее, несомненно порошковая металлургия будет стоять на одном из первых мест.

С увеличением масштабов выпуска и совершенствованием методов изготовления порошков будут решаться в первую очередь вопросы стоимости исходных материалов. При массовом производстве расходы, связанные с необходимостью изготовления индивидуальных приспособлений (пресс-форм) для каждого вида деталей сократятся до минимума. С исследованием и использованием на производстве получения чистых порошков распылением расплавленного железа решены такие проблемы как необходимость получения достаточно чистых исходных материалов. Ежегодный прирост производства порошковой металлургии может составлять до 5 %.

ЛЕКЦИЯ 2

КОМПОЗИЦИОННЫЕ АРМИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

План лекции.

 

1. Общие сведения.

2. Краткая характеристика композиционных материалов.

3. Упрочнители композиционных материалов (армирующие материалы).

3.1. Металлические упрочнители (проволоки).

3.2. Неметаллические упрочнители: борные, углеродные керамические волокна и стекловолокно.

4. Матричные материалы.

5. Способы объединения волокон и матрицы при получении МКМ.

6. Композиционные материалы на металлической основе.

7. Композиционные материалы на неметаллической основе.

8. Керамические композиционные материалы.

9. Углерод – углеродные композиционные материалы.

10. Практическое применение композиционных материалов. Новые разработки.

10.1. Алмазный композиционный термостойкий материал.

10.2. Новые высокотемпературные композиционные материалы.

10.3. Композиционные материалы в конструкции.

10.4. Новые композиционные материалы в ремонтном производстве.

10.5. Металлополимеры.

10.6. Возможности и области применения композиционных материалов.

 

Общие сведения.

Первым создателем композиционных материалов (КМ) была сама природа. Множество природных конструкций (стволы деревьев, кости человека и животных, зубы людей) имеют характерную волокнистую структуру. Они состоят из сравнительно пластичного матричного материала и более твердых и прочных веществ, имеющих форму волокон.

Принципы армирования для упрочнения создаваемого материала известны в технике с глубокой древности. Еще в Вавилоне использовали тростник для армирования глины при постройке жилищ, а в Древней Греции железными прутьями укрепляли мраморные колонны при постройке дворцов и храмов. В 1555-1560 гг. при постройке храма Василия Блаженного в Москве русские зодчие Барма и Постник использовали армированные железными полосками каменные плиты. Прообразом композиционных материалов является широко известный железобетон, представляющий собой сочетание бетона, работающего на сжатие, и стальной арматуры, работающей на растяжение, а также полученные в ХIХ веке прокаткой слоистые материалы.

Успешному развитию современных КМ содействовали разработка и применение в конструкциях волокнистых стеклопластиков волокон, обладающих высокой удельной прочностью (1940-1950 гг.). Открытие весьма высокой прочности, приближающейся к теоретической, нитевидных кристаллов и доказательства возможности использования их для упрочнения металлических и неметаллических материалов (1950-1960 гг.), разработка новых армирующих материалов – высокопрочных и высокомодульных непрерывных волокон бора, углерода, Al₂O₃, SiC и волокон других неорганических тугоплавких соединений, а также упрочнителей на основе металлов (1960-1970 гг.) привело к созданию новых конструкционных материалов – композиционных. Период 1974-1978 гг. явился началом нового этапа в развитии конструкционных композиционных материалов, армированных волокнами.

Композиционные материалы, представляют собой металлические или неметаллические матрицы (основы) с заданным распределением в них упрочнителей – армирующих материалов (волокон, дисперсных частиц и др.); при этом эффективно используются индивидуальные свойства составляющих композиции. По характеру структуры композиционные материалы подразделяются на волокнистые, упрочненные непрерывными волокнами и нитевидными кристаллами, дисперсноупрочненные материалы, полученные путем введения в металлическую матрицу дисперсных частиц упрочнителей, слоистые материалы, созданные путем прессования или прокатки разнородных материалов. К композиционным материалам также относятся сплавы с направленной кристаллизацией эвтектических структур.

Перспективные материалы – это комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твердыми частицами.

В неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу вводят тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такие композиционные материалы являются материалами будущего.

Комбинируя объемное содержание упрочнителей, можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемыми значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости, абразивной стойкости, а также создавать композиции с необходимыми магнитными, диэлектрическими, радиопоглощающими и другими специальными свойствами.

Волокнистые композиционные материалы, армированные нитевидными кристаллами и непрерывными волокнами тугоплавких соединений и элементов (SiC, Al₂O₃, бор, углерод и др.), являются новым классом материалов.