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
Страницы: 1, 2, 3
|