Композиционные и порошковые материалы

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.

[pic]

Рис.3. Схема прокатки

порошков

Выдавливание. Этим способом изготовляют прутки, трубы и профили

различного сечения. Процесс получения заготовок

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.

[pic]

Рис.4. Примеры конструктивного оформления металлокерамических деталей: а –

нетехнологические конструкции; б – технологические конструкции

Для свободного удаления заготовки пресс-форма должна иметь

незначительную конусность. При проектировании конических поверхностей

необходимо исходить из удобства извлечения заготовки (рис.4, б, 8),

обратная конусность недопустима (рис.4, а, 4). Радиусы перехода

сопрягающихся поверхностей должны быть не менее 0,2 мм.

4. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧСКОЙ

МАТРИЦЕЙ

[pic]

Рис.5. Схема структуры (а) и армирования

непрерывными волокнами (б)

композиционных материалов

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg,

Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочным волокнами (волокнистые

материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися

в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица

связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные

частицы) плюс связка (матрица), составляющие или иную композицию, получили

название композиционные материалы (рис.5).

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/?) и пониженной склонностью к

трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает

жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица1. Механические свойства композиционных материалов на

металлической основе

|Материал |?В |?-1 |Е, ГПа |?В/? |Е/? |

| |МПа | | | |

|Бор–алюминий (ВКА–1А) |1300 |600 |220 |500 |84,6 |

|Бор–магний (ВКМ–1) |1300 |500 |220 |590 |100 |

|Алюминий–углерод (ВКУ–1) |900 |300 |220 |450 |100 |

|Алюминий–сталь (КАС–1А) |1700 |350 |110 |370 |24,40 |

|Никель–вольфрам (ВКН–1) |700 |150 |– |– |– |

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 (?В =

2500ч3500 МПа, Е = 38ч420 ГПа) и углеродные (?В = 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 ?В = 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 ?В = 15000ч28000 МПа и Е = 400ч600 ГПа.

В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых композиционных

материалов.

[pic]

Рис.6. Зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления ?В (б)

Страницы: 1, 2, 3