Реферат: Композиционные и порошковые материалы

Реферат: 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: 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:
а – одностороннее; б – двустороннее

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
прессования

Рис.3. Схема прокатки
порошков

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 заготовок. В этом случае лента про­ходит через проходную печь для спекания, а затем поступает на прокатку, обеспечи­вающую заданную ее толщину.

Прокаткой получают ленты из различ­ных металлокерамических материалов (пори­стых, твердосплавных, фрикционных и др.). За счет применения бункеров с перегородкой (рис.3, б) изго­товляют ленты из различных материалов (двухслойные).

Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02–3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного про­филя, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 мм до несколь­ких миллиметров.

3.3. Спекание и окончательная обработка заготовок

Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В процессе спекания вследствие температурной подвижности атомов порош­ков одновременно протекают такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и др. Температура спекания обычно составляет 0,6–0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже темпе­ратуры плавления основного материала для порошков, в состав которых входит несколько компонентов. Процесс спекания реко­мендуется проводить за три этапа: I – нагрев до температуры 150–200° С (удаление влаги); II – нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц); III – окончательный нагрев до температуры спекания. Время выдержки после достижения температуры спекания но всему сечению составляет 30–—90 мин. Увеличение времени и тем­пературы спекания до определенных значений приводит к увели­чению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению проч­ности за счет роста зерен кристаллизации.

Для спекания используют электрические печи сопротивления или печи с индукционным нагревом. Для предотвращения окис­ления спекают в нейтральных или защитных средах, а для по­вышения плотности и прочности получаемые заготовки повторно прессуют и спекают. Требуемой точности достигают с помощью отделочных операций: калибрования и обработки резанием.

Калибруют заготовки дополнительным прессованием в спе­циальных стальных пресс-формах или продавливанием прутко­вого материала через калиброванное отверстие. При этом по­вышается точность и уплотняется поверхностный слой заго­товки.

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, на­резание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда прессова­нием нельзя получить детали заданных размеров и форм. Особен­ностью механической обработки является пористость металлокерамических заготовок. Не рекомендуется применять обычные охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок перед обработ­кой также нежелательна, так как в процессе резания масло вы­текает из пор и, нагреваясь, дымит.

При обработке резанием используют инструмент, оснащенный пластинками из твердого сплава или алмаза. Для сохранения пористости при обработке необходимо применять хорошо заточенный и доведенный инструмент.

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

Технологический процесс изготовления деталей из металлических порошков характеризуется отдельными специфическими особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании этих деталей.

При проектировании деталей с высокими требованиями по точности исполнительных размеров необходимо предусматривать припуск на их дальнейшую механическую обработку. Наружные и внутренние резьбы следует изготовлять обработкой резанием. В конструкциях деталей необходимо избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно оси прессования (рис.4, а, 1). Их следует заменять соответствующими элементами, расположенными в направлении прессования (рис.4, б, 5), или изготовлять обработкой резанием. Процесс прессования деталей сопровождается значительной усадкой. По­этому в их конструкциях нельзя допускать значитель­ной разностенности (рис.4, а, 2), которая вызы­вает коробление и образова­ние трещин.

При незначительной разностенности в процессе прес­сования получают более рав­номерную плотность по вы­соте детали (рис.4, б, 6). Длинные тонкостенные кон­струкции (рис.4, а, 3) необходимо заменять на рав­нозначные по эксплуатацион­ным показателям с учетом получения равномерной плотности прессуемой детали (рис.4, б, 7). Толщина стенок должна быть не менее 1 мм.

Рис.4. Примеры конструктивного оформления металлокерамических деталей: а – нетехнологические конструкции; б – технологические конструкции

4. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧСКОЙ
МАТРИЦЕЙ

Рис.5. Схема структуры (а) и армирования
непрерывными волокнами (б)
композиционных материалов

4.1. Волокнистые композиционные материалы.

На рис.5 при­ведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполни­телем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d ≈ 10ч103, и с непрерывным волокном, в которых l/d = ∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50–100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица1. Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Прочность композиционных (волокнистых) материалов опреде­ляется свойствами волокон; матрица в основном должна пере­распределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть зна­чительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, воз­никающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σВ = 2500ч3500 МПа, Е = 38ч420 ГПа) и углеродные (σВ = 1400ч3500 МПа, Е = 160ч450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют σВ = 2500ч3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в ка­честве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибдено­вую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда тре­буются высокие теплопроводность и электропроводимость. Пер­спективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодуль­ных волокнистых композиционных материалов являются нитевид­ные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σВ = 15000ч28000 МПа и Е = 400ч600 ГПа.

В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых компо­зиционных материалов.

Рис.6. Зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления σВ (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1)
и поперек (2) оси армирования от объемного
содержания борного волокна

На рис.6 приведена зависимость σВ и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σВ, σ-1 и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращения контакта между волокнами ма­трица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15–20 %.

Рис.7. Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б)

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материа­лов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напря­жения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния, диборида титана и оксида алюминия значительно повышает жаро­прочность. Особенностью композиционных материалов является малая скорость разупрочнения во времени (рис.7, а) с повы­шением температуры.

Основным недостатком композиционных материалов с одно- и двумерным армированием является низкое сопротивление межслойному сдвигу и поперечному обрыву. Этого недостатка лишены материалы с объемным армированием.

4.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы. В отличие от волокнистых композиционных материалов в дисперсно-упроч­ненных композиционных материалах матрица является основным элементом, несущим нагрузку, а дисперсные частицы тормозят движение в ней дислокаций. Высокая прочность достигается при размере частиц 10–500 нм при среднем расстоянии между ними 100–500 нм и равномерном распределении их в матрице. Проч­ность и жаропрочность в зависимости от объемного содержания упрочняющих фаз не подчиняются закону аддитивности. Оптимальное содержание второй фазы для различных металлов неодинаково, но обычно не превышает 5–10об.%.

Использование в качестве упрочняющих фаз стабильных тугоплавких соединений (оксиды тория, гафния, иттрия, сложные соединения оксидов и редкоземельных металлов), нерастворяющихся в матричном металле, позволяет сохранить высокую проч­ность материала до 0,9–0,95Тпл. В связи с этим такие материалы чаще применяют как жаропрочные. Дисперсноупрочненные ком­позиционные материалы могут быть получены на основе большин­ства применяемых в технике металлов и сплавов.

Наиболее широко используют сплавы на основе алюминия – САП (спеченный алюминиевый порошок). САП состоит из алюми­ния и дисперсных чешуек А12О3. Частицы А12О3 эффективно тормозят движение дислокаций и тем самым повышают прочность

сплава. Содержание А12О3 в САП колеблется от 6–9 % (САП-1) и до 13–18 % (САП-3). С увеличением содержания А12О3 σB по­вышается от 300 для САП-1 до 400 МПа для САП-3, а относительное удлинение соответственно снижается с 8 до 3%. Плотность этих материалов равна плотности алюминия, они не уступают ему по коррозионной стойкости и даже могут заменять титан и корро­зионно-стойкие стали при работе в интервале температур 250–500°С. По длительной прочности они превосходят деформируемые алюминиевые сплавы. Длительная прочность σ100 для сплавов САП-1 и САП-2 при 500°С составляет 45–55 МПа.

Большие перспективы у никелевых дисперсно-упрочненных материалов. Наиболее высокую жаропрочность имеют сплавы на основе никеля с 2–З об.% двуоксида тория или двуоксида гафния. Матрица этих сплавов обычно γ-твердый раствор Ni+20% Cr, Ni+15% Mo, Ni+20% Cr и Мо. Широкое при­менение получили сплавы ВДУ-1 (никель, упрочненный дву­окисью тория), ВДУ-2 (никель, упрочненный двуокисью гафния) и ВД-3 (матрица Ni+20% Сг, упрочненная окисью тория). Эти сплавы обладают высокой жаропрочностью. При темпера­туре 1200°С сплав ВДУ-1 имеет σ100≈75 МПа и σ1000≈65 МПа, сплав ВД-3 – 65 МПа. Дисперсно-упрочненные компози­ционные материалы, так же как волокнистые, стойки к разупрочнению с повышением температуры и длительности выдержки при данной температуре (см. рис.7).

Области применения композиционных материалов не ограничены. Они применяются в авиации для высоконагруженных деталей самолетов (обшивки, лонжеронов, нервюр, панелей и т.д.) и двигателей (лопаток компрессора и турбины и т.д.), в космической технике для узлов силовых конструкций аппаратов, подвергающихся нагреву, для элементов жидкости, для элементов жесткости, панелей, в автомобилестроении для облегчения кузовов, рессор, рам, панелей кузовов, бамперов и т.д., в горной промышленности (буровой инструмент, детали комбайнов и т.д.), в гражданском строительстве (пролеты мостов, элементы сборных конструкций высотных сооружений и т.д.) и в других областях народного хозяйства.

Применение композиционных материалов обеспечивает новый качественный скачок в увеличении мощности двигателей, энерге­тических и транспортных установок, уменьшении массы машин и приборов.

Технология получения полуфабрикатов и изделий из компо­зиционных материалов достаточно хорошо отработана.

5. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С НЕМЕТАЛИЧЕСКОЙ
МАТРИЦЕЙ

5.1. Общие сведения, состав и классификация

Рис.8. Схемы армирования
композиционных материалов

Свойства композиционных материалов зависят от состава ком­понентов, их сочетания, количественного соотношения и прочности связи между ними. Армирующие материалы могут быть в виде волокон, жгутов, нитей, лент, многослойных тканей.

Содержание упрочнителя в ориентированных материалах соста­вляет 60–80 об.%, в неориентированных (с дискретными волок­нами и нитевидными кристаллами) – 20–30 об.%. Чем выше прочность и модуль упругости волокон, тем выше прочность и жесткость композиционного материала. Свойства матрицы опре­деляют прочность композиции при сдвиге и сжатии и сопротивле­ние усталостному разрушению.

По виду упрочнителя композиционные материалы классифи­цируют на стекловолокниты, карбоволокниты с углеродными волокнами, бороволокниты и органоволокниты.

В слоистых материалах волокна, нити, ленты, пропитанные связующим, укладываются параллельно друг другу в плоскости укладки. Плоскостные слои собираются в пластины. Свойства получаются анизотропными. Для работы материала в изделии важно учитывать направление действующих нагрузок. Можно создавать материалы как с изотропными, так и с анизотропными свойствами. Можно укладывать волокна под разными углами, варьируя свойства композиционных материалов. От порядка укладки слоев по толщине пакета зависят изгибные и крутильные жесткости материала.

Рис.9. Зависимость между напряжением и деформацией при растяжении эпоксидного углепластика с различной схемой укладки упрочнителя: 1 – продольная; 2 – под углом 45є; 3 – взаимно перпендикулярная; 4 – поперечная

Трехмерные материалы могут быть любой толщины в виде блоков, цилиндров. Объемные ткани увеличивают прочность на отр ыв и сопротивление сдвигу по сравнению со слоистыми. Система из четырех нитей строится путем расположения упрочнителя по диагоналям куба. Структура из четырех нитей равновесна, имеет повышенную жесткость при сдвиге в главных плоскостях. Однако создание четырехнаправленных материалов сложнее, чем трех-направленных. Зависимость механических свойств композицион­ных материалов от схемы армирования приведена на рис.9.

5.2. Карбоволокниты

Карбоволокниты (углепласты) представляют собой ком­позиции, состоящие из полимерного связующего (матрицы) и уп­рочнителей в виде углеродных волокон (карбоволокон).

Высокая энергия связи С–С углеродных волокон позволяет им сохранять прочность при очень высоких температурах (в ней-

тральной и восстановительной средах до 2200°С), а также при низких температурах. От окисления поверхности волокна пре­дохраняют защитными покрытиями (пиролитическими). В отличие от стеклянных волокон карбоволокна плохо смачиваются свя­зующим (низкая поверхностная энергия), поэтому их подвергают травлению. При этом увеличивается степень активирования углеродных волокон по содержанию карбоксильной группы на их поверхности. Межслойная прочность при сдвиге углепластиков увеличивается в 1,6–2,5 раза. Применяется вискеризация ните­видных кристаллов TiO2, AlN и Si3N4, что дает увеличение межслойной жесткости в 2 раза и прочности в 2,8 раза. Применяются пространственно армированные структуры.

Связующими служат синтетические полимеры (полимерные карбоволокниты); синтетические полимеры, подвергнутые пиро­лизу (коксованные карбоволокниты); пиролитический углерод (пироуглеродные карбоволокниты).

Рис.10. Значения модулей упругости (1), сдвига (2) и коэффициентов Пуассона (3) под углом к главному направлению композиционного материала, образованного системой трех нитей

Карбоволокниты КМУ-3 и КМУ-Зл получают на эпоксиани-линоформальдегидном связующем, их можно эксплуатировать при температуре до 100°С, они наиболее технологичны. Карбово­локниты КМУ-2 и КМУ-2л на основе полиимидного связующего можно применять при температуре до 300°С.

Карбоволокниты отличаются высоким статическим и динами­ческим сопротивлением усталости (рис.10), сохраняют это свой­ство при нормальной и очень низкой температуре (высокая тепло­проводность волокна предотвращает саморазогрев материала за счет внутреннего трения). Они водо- и химически стойкие. После воздействия на воздухе рентгеновского излучения σИЗГ и Е почти не изменяются.

Рис.11. Зависимость модуля упругости Е, предела прочности σВ, ударной вязкости а и сопротивления усталости σ-1 карбостекловолокнита от содержания углеродных волокон (общее содержание наполнителя в композиции 62 об.%)

Карбостекловолокниты содержат наряду с угольными стеклян­ные волокна, что удешевляет материал. Зависимость механиче­ских свойств модифицированного карбоволокнита от содержания углеродных волокон показана на рис.11.

5.3. Карбоволокниты с углеродной матрицей.

Коксованные мате­риалы получают из обычных полимерных карбоволокнитов, под­вергнутых пиролизу в инертной или восстановительной атмосфере. При температуре 800–1500°С образуются карбонизированные, при 2500–3000°С графитированные карбоволокниты. Для полу­чения пироуглеродных материалов упрочнитель выкладывается по форме изделия и помещается в печь, в которую пропускается газообразный углеводород (метан). При определенном режиме (температуре 1100°С и остаточном давлении 2660 Па) метан раз­лагается и образующийся пиролитический углерод осаждается на волокнах упрочнителя, связывая их.

Образующийся при пиролизе связующего кокс имеет вы­сокую прочность сцепления с углеродным волокном. В связи с этим композиционный материал обладает высокими меха­ническими и абляционными свойствами, стойкостью к термиче­скому удару.

Карбоволокнит с углеродной матрицей типа КУП-ВМ по зна­чениям прочности и ударной вязкости в 5–10 раз превосходит специальные графиты; при нагреве в инертной атмосфере и ваку­уме он сохраняет прочность до 2200°С, на воздухе окисляется при 450°С и требует защитного покрытия. Коэффициент трения одного карбоволокнита с углеродной матрицей по другому высок (0,35–0,45), а износ мал (0,7–1 мкм на торможение).

Полимерные карбоволокниты используют в судо- и автомоби­лестроении (кузова гоночных машин, шасси, гребные винты); из них изготовляют подшипники, панели отопления, спортивный инвентарь, части ЭВМ. Высокомодульные карбоволокниты при­меняют для изготовления деталей авиационной техники, аппара­туры для химической промышленности, в рентгеновском обору­довании и др.

Карбоволокниты с углеродной матрицей заменяют различные типы графитов. Они применяются для тепловой защиты, дисков авиационных тормозов, химически стойкой аппаратуры.

Физико-механические свойства карбоволокнитов приведены в табл.2.

5.4. Бороволокниты

Бороволокниты представляют собой композиции из полимерного связующего и упрочнителя — борных волокон.

Бороволокниты отличаются высокой прочностью при сжатии, сдвиге и срезе, низкой ползучестью, высокими твердостью и моду­лем упругости, теплопроводностью и электропроводимостью. Ячеистая микроструктура борных волокон обеспечивает высокую прочность при сдвиге на границе раздела с матрицей.

Помимо непрерывного борного волокна применяют комплекс­ные боростеклониты, в которых несколько параллельных борных волокон оплетаются стеклонитью, придающей формоустойчивость. Применение боростеклонитей облегчает технологический процесс изготовления материала.

В качестве матриц для получения бороволокнитов исполь­зуют модифицированные эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты КМБ-1 и КМБ-1к предназначены для длительной работы при температуре 200°С; КМБ-3 и КМБ-Зк не требуют высокого давления при переработке и могут работать при темпе­ратуре не свыше 100°С; КМБ-2к работоспособен при 300°С.

Влияние на механические свойства бороволокнита содержа­ния волокна приведено на рис.12, а влияние различных матриц – на рис.13.

Рис.12. Зависимость механических свойств бороволокнита КМБ-1 от содержания борного волокна: Е – модуль упругости;
σИЗГ – предел прочности при изгибе; G – модуль сдвига; τВ – предел
прочности при сдвиге

Рис.13. Зависимость разрушающего напряжения при изгибе бороволокнитов на различных связующих от температуры: 1, 2 – эпоксидное; 3 – полиимидное; 4 – кремнийорганическое связующее

Физико-механические свойства бороволокнитов приведены в табл.2.

Изделия из бороволокнитов применяют в авиационной и космической технике (профили, панели, роторы и лопатки компрес­соров, лопасти винтов и трансмиссионные валы вертолетов и т.д.).

5.5. Органоволокниты

Органоволокниты представляют собой композиционные материалы, состоящие из полимерного связующего и упрочнителей (наполнителей) в виде синтетических волокон. Такие материалы обладают малой массой, сравнительно высокими удельной проч­ностью и жесткостью, стабильны при действии знакопеременных нагрузок и резкой смене температуры. Для синтетических воло­кон потери прочности при текстильной переработке небольшие; они малочувствительны к повреждениям.

В органоволокнитах значения модуля упругости и температур­ных коэффициентов линейного расширения упрочнителя и свя­зующего близки. Происходит диффузия компонентов связующего в волокно и химическое взаимодействие между ними. Структура материала бездефектна. Пористость не превышает 1–3% (в дру­гих материалах 10–20%). Отсюда стабильность механических свойств органоволокнитов при резком перепаде температур, дей­ствии ударных и циклических нагрузок. Ударная вязкость высо­кая (400–700 кДж/м2). Недостатком этих материалов является сравнительно низкая прочность при сжатии и высокая ползучесть (особенно для эластичных волокон).

Органоволокниты устойчивы в агрессивных средах и во влаж­ном тропическом климате; диэлектрические свойства высокие, а теплопроводность низкая. Большинство органоволокнитов может длительно работать при температуре 100–150°С, а на основе полиимидного связующего и полиоксадиазольных волокон – при 200–300°С.

В комбинированных материалах наряду с синтетическими волокнами применяют минеральные (стеклянные, карбоволокна и бороволокна). Такие материалы обладают большей прочностью и жесткостью.

Органоволокниты применяют в качестве изоляционного и кон­струкционного материала в электрорадиоиромышленности, авиа­ционной технике, автостроении; из них изготовляют трубы, ем­кости для реактивов, покрытия корпусов судов и др.

Литература

1. Гуляев А.П. «Металловедение», М.: 1968.

2. Дальский А.М. «Технология конструкционных материалов», М.: 1985.

3. Куманин И.Б. «Литейное производство», М.: 1971.

4. Лахтин Ю.М. «Материаловедение», М.: 1990.

5. Семенов «Ковка и объемная штамповка», М.: 1972.

Таблица 2. Физико-механические свойства однонаправленных композиционных материалов с полимерной матрицей