Композиционные и порошковые материалы

Композиционные и порошковые материалы

Министерство образования Российской Федерации

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Кафедра ТКМиМ

РЕФЕРАТ

на тему: «Композиционные и порошковые материалы»

Выполнил:

НР 00-1

Проверил: Теплоухов О.Ю.

Тюмень – 2001

Содержание
1. Основы порошковой металлургии 3

1.1. Способы получения и технологические свойства порошков

3

1.2. Металлокерамические материалы

3
2. Конструкционные порошковые материалы

5
3. Изготовление металлокерамических деталей

7

3.1. Приготовление смеси

7

3.2. Способы формообразования заготовок и деталей

7

3.3. Спекание и окончательная обработка заготовок

9

3.4. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталей из металлических порошков

9
4. Композиционные материалы с металлической матрицей

10

4.1. Волокнистые композиционные материалы

10

4.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

12
5. Композиционные материалы с неметаллической матрицей 13

5.1. Общие сведения, состав и классификация

13

5.2. Карбоволокниты

14

5.3. Карбоволокниты с углеродной матрицей

15

5.4. Бороволокниты

15

5.5. Органоволокниты

17

Литература
18

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: ?B=180ч300 МПа и твердость 60–120
НВ, а бронзиграфита: ?B=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 ?В, ?0,2, 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

[pic]

Рис.1. Схемы холодного прессования:

а – одностороннее; б – двустороннее

Заготовки и детали из металлических порошков формообразуют прессованием
(холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.

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.

[pic]

Рис.2. Схема гидростатического

прессования

Гидростатическое прессование. Это прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса заключается в том, что порошок 3, заключенный в эластическую резиновую или металлическую оболочку
2, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах 1 (рис.2). Давление жидкости достигает 3000 Mпа, что обеспечивает получение заготовок высокой прочти и плотности. При гидростатическом прессовании отпадает необходимость в применении дорогостоящих пресс-форм. Габаритные размеры изготовляемых заготовок зависят от конструкции герметизированной камеры.

Страницы: 1, 2