Порошковые и композиционные материалы
Порошковые и композиционные материалы
инистерство образования РФ
Тюменский Государственный Нефтегазовый Университет
Кафедра «Материаловедения»
РЕФЕРАТ
По дисциплине: «Материаловедение»
На тему:
Порошковые и композиционные материалы
Выполнил:
студент группы ___________
Relax
Проверил:
Тюмень 2001
Содержание
|I. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ |3 |
|Композиционные материалы |3 |
|Карбоволокниты |3 |
|Бороволокниты |4 |
|Органоволокниты |4 |
|Металлы, армированные волокнами |4 |
|II. ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ |4 |
|III. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ |5 |
|Производство порошков |5 |
|Испытание порошков |6 |
|Прессование |6 |
|Спекание |7 |
|IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ |8 |
|Микроструктура |8 |
|Область применения |10 |
|Схема производства |11 |
|VI. ПРОЧИЕ ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ |12 |
|Антифрикционные сплавы |12 |
|Фрикционные материалы | |13 |
| | | |
| | |14 |
|Пористые фильтры | | |
|Керметы |15 | |
| | | |
|СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ | | |
| |17 | |
I. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Композиционные материалы — это искусственные материалы, получаемые
сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов
является матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В
качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и
углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна - стеклянные, борные,
углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов
и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и
жесткостью. При составлении композиции эффективно используются
индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных
материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и
прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов,
можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемым и
значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать
композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.
п.
Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет 20-80 %
по объему. Свойства матрицы определяют прочность композиционного материала
при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя определяют прочность.
Композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость,
жаропрочность и термическую стабильность. Так, для карбоволокнитов d=650-
1700 МПа, а для бороволокнитов d=900-1750 МПа. Плотность композиционных
материалов 1,35- 1,8 г/см^3 Композиционные материалы являются весьма
перспективными конструкционными материалами для многих отраслей
машиностроения.
Карбоволокниты (углепласты) - это композиции из полимерной матрицы и
упрочнителей в виде углеродных волокон. Для полимерной матрицы используются
полиимиды, эпоксидные и фенол формальдегидные смолы. Карбоволокниты КМУ-2 и
КМУ-2л на основе полиимидов можно применять при температуре до 300°С Они
водо- и химостойки. Карбоволокниты содержат, наряду с угольными, стеклянные
волокна, что удешевляет материал. Карбоволокниты используют в химической,
судостроительной и авиационной промышленности.
При обработке обычных полимерных карбоволокнитов в инертной или
восстановительной атмосфере получают графитированные карбоволокниты или
Карбоволокниты на углеродной матрице. Так, карбоволокнит на углеродной
матрице типа КУП-ВМ по прочности и ударной вязкости в 5—10 раз превосходит
специальные графиты: При нагреве в инертной атмосфере он сохраняет
прочность до 2200*C. Карбоволокниты с углеродной матрицей широко применяют
при изготовлении химической аппаратуры.
Бороволокниты — это композиции из полимерного связующего и упрочнителя
- борных волокон. Для получения бороволокнитов применяют модифицированные
эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты имеют высокую прочность
при сжатии, сдвиге, высокую твердость, тепло- и электропроводность.
Бороволокниты водо- и химостойки. Изделия из бороволокнитов применяют в
космической и авиационной технике (лопатки и роторы компрессоров, лопасти
винтов вертолетов и т. д.).
Органоволокниты - это композиции из полимерного связующего и упрочнителей
из синтетических волокон. Упрочнителями служат эластичные волокна, лавсан,
капрон, нитрон и др. Связующими служат полиимиды, эпоксидные и
фенолформальдегидные смолы. Органоволокниты имеют малую плотность,
сравнительно высокую ударную вязкость. Органоволокниты применяют в
авиационной технике, электропромышленности, химическом машиностроении и др.
Металлы, армированные волокнами - композиционные материалы с металлической
матрицей и упрочнителями в виде волокон. Упрочнителями служат волокна бора,
углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений,
вольфрамовая или стальная проволока. Матричный материал выбирают из учета
назначения композиционного материала (коррозионная стойкость, сопротивление
окислению и др.). В качестве матриц используют легкие и пластичные металлы,
алюминий, магний и их сплавы. Количество упрочнителя составляет по объему
30-50%. Металлы, армированные волокнами, применяются в авиационной и
ракетной технике.
Использование композиционных материалов требует в ряде случаев создания
новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования
деталей и узлов машин.
II. ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ
Сплавы, изготовляемые из металлических порошков путем прессования и
спекания без расплавления или с частичным расплавлением наиболее
легкоплавкой составляющей их, называются порошковыми.
Несмотря на то, что объем производства порошковых сплавов невелик и
составляет всего 0,1% от общего объема производства металлов, они имеют
очень большое значение в народном хозяйстве и область их применения
чрезвычайно широка. При этом изготовление многих сплавов практически
возможно только из порошка, например, изготовление твердых
металлокерамических сплавов, керметов, сплавов из тугоплавких металлов —
вольфрам, молибден, тантал, ниобий — или композиций этих металлов с
легкоплавкими металлами, или из металлов с неметаллическими материалами.
Многие детали из порошковых сплавов отличаются лучшими качествами и
дешевле, чем из обычных металлов.
Области применения и составы порошковых сплавов приведены в табл. 1.
Особенно велико значение порошковой металлургии в новых отраслях техники:
атомной и химической промышленности, ракетной технике, реактивных
двигателях, радио- и электротехнике, энергетической промышленности и в
производстве особо жаропрочных сплавов.
III. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ
Процесс производства порошковых сплавов заключается в получении
порошка, составлении шихты, прессовании и спекании.
Производство порошков. Важнейшими методами производства порошков
являются:
1) восстановление металлов из окислов;
2) механическое измельчение;
3) электролитическое осаждение;
4) распыление жидкого металла;
5) нагрев и разложение карбонилов.
Наибольшим распространением пользуются первые два метода.
Восстановление металлов из окислов широко применяется в производстве
порошков тугоплавких редких металлов, вольфрама и молибдена, а также
кобальта, никеля и железа. Руды редких металлов подвергаются сложной
переработке и размолу для получения порошков окислов, которые
восстанавливаются затем путем нагрева в газовой среде водородом,
генераторным газом или твердыми восстановителями—сажей, коксом, графитом.
Иногда применяется комбинированное восстановлена путем нагрева вместе с
твердым и газовым восстановителем. Восстановление из окислов позволяет
получить очень мелкие и чистые порошки.
Таблица 1. Применение и состав порошковых сплавов
|Тип порошковых |Назначение |Исходные материалы |
|сплавов | | |
|Антифрикционные |Для подшипников |Порошки железа и |
| |скольжения |графита Порошки меди, |
| | |олова и графита |
|Фрикционные |Для тормозных дисков |Порошки меди, олова, |
| | |свинца, графита, |
| | |асбеста и пр. Порошки |
| | |железа, свинца, |
| | |графита и асбеста |
|Пористые |Для фильтров |Бронзовая дробь |
|Плотные |Для деталей машин из |Порошки железа и |
| |стали и жаропрочных и |различных металлов |
| |окалино-стойких | |
| |сплавов | |
|Тугоплавкие |ДЛЯ проволоки ДЛЯ ламп|Порошки вольфрама, |
| | |молибдена и других |
| |контактов и деталей |туго-плавких металлов |
| |приборов | |
|Электротехнические|Для контактов н |Порошки меди, |
| |постоянных магнитов |вольфрама и др. |
| | |Порошки железа, |
| | |алюминия, никеля и |
| | |кобальта. |
|Твердые сплавы |Для режущего |Порошки карбида |
| |инструмента. Волок, |вольфрама, карбида |
| |буры |титана, кобальта |
При механическом измельчении — размоле на шаровых, молотковых и
особенно на вихревых мельницах — наиболее выгодным является использование
металлической стружки. Шаровые мельницы применяются для размола хрупких
металлов — чугуна, закаленной стали, бронзы, окислов и др. Молотковые
мельницы применяются для получения порошков алюминия и бронзы.
С 1930 г. начали широко применять вихревые мельницы, в которых
измельчение производится ударами частиц металла друг о друга под действием
воздушных вихрей. Вихревое дробление применяется для производства железных
порошков для пористых подшипников, стальных деталей и др. Некоторые
металлы, например алюминий и магний, во избежание воспламенения измельчают
в защитной атмосфере. Порошки, полученные путем механического измельчения,
тверды, плохо прессуются и требуют отжига для снятия наклона.
Электролитическое осаждение применяется для производства порошков
электроположительных металлов — меди и некоторых других металлов, например,
титана, ванадия я других, а иногда также и железа.
Распыление жидкого металла потоком сжатого воздуха, пара или инертного
газа сначала применяли для производства порошков легкоплавких металлов —
алюминия, олова и свинца. В настоящее время этим методом распыляют также
расплавленные сталь и чугун.
Испытание порошков. Порошковая металлургия предъявляет ряд требований
к форме и размерам порошков. Например, для некоторых деталей требуются
порошки чешуйчатой формы, полученные на вихревых мельницах, а для фильтров,
наоборот, — шарообразной формы, полученные распылением. Прессуются лучше
крупные порошки, особенно если среди них есть и мелкие частицы, а спекаются
лучше мелкие. Зернистость порошков определяется путем ситового анализа:
порошок просеивают через ряд сит со все более мелкими отверстиями и
взвешивают остатки с каждого сита. Форму зерен определяют, рассматривая их
под микроскопом с сетчатым окуляром. Насыпной вес порошка определяется
весом 1 см3 свободно насыпанного порошка. Он зависит от размера, формы и
состояния поверхности его частиц и является очень важной его
характеристикой.
При конструировании прессформ необходимо знать насыпной вес порошка,
который будет в них прессоваться, чтобы определить объем полости матрицы и
ход пуансона. Перед прессованием порошки просеивают, подвергают смягчающему
или восстановительному отжигу и тщательно (длительно) перемешивают.
Прессование. Для прессования применяют большей частью быстроходные
легко автоматизируемые эксцентриковые (кривошипные) прессы, а иногда и
тихоходные гидравлические прессы. Прессование производится в прессформах
при давлении от 10 до 100 кГ/мм2 (от 98 до 981 Мн/м2) в зависимости от
твердости порошка и формы изделия: чем тверже порошок, тем больше давление
прессования, при этом усадка получается от 2:1 до 6:1.
Вследствие трения порошка о стенки прессформы процесс прессования
получается прерывистым, ступенчатым, нагрузка и сжатие порошка меняются
скачками. Важнейшую роль при сильных давлениях прессования играет
пластическая деформация частиц порошка, которая вызывает увеличение
поверхности соприкосновения (контактной поверхности) их между собой.
Прочность прессования объясняется двумя причинами: атомарным схватыванием
на контактной поверхности — «зацеплениями», переплетением неровностей на
поверхности частиц порошка.
В различных частях сечения порошок уплотняется неодинаково. При
последующем спекании усадка может оказаться неоднородной, и
недопрессованная часть будет плохо спекаться. Поэтому прессование проходит
лучше при наличии деталей небольшой высоты. Вместе с тем порошок не может,
подобно жидкости, заполнить очень сложную фасонную форму; следовательно, из
порошковых сплавов можно изготовлять детали сравнительно не очень сложной
формы.
Спекание. Для спекания порошковых сплавов применяют электропечи с
металлическим сопротивлением, с угольными сопротивлениями в виде труб и
высокочастотные. Спекание производится в защитной атмосфере. Для спекания
медных сплавов, железа и фрикционных материалов применяют защитные
атмосферы, получаемые при частичном сжигании газа. При спекании вольфрама,
молибдена, твердых сплавов, магнитных и электротехнических материалов
применяют водород. Температура спекания составляет примерно 2/3 температуры
плавления металла, например для меди 800-850° С, для железа — 1050-1150° С.
Длительность спекания примерно 2—3 ч. Различаются два основных типа
спекания — спекание однокомпонентной системы, спекание многокомпонентной
системы с образованием или без образования жидкой фазы. При спекании
происходят следующие пиления: повышение температуры увеличивает подвижность
атомов, происходит изменение контактной поверхности частиц, которая
большей частью увеличивается; происходит снятие напряжений в местах
контакта и рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерна через контактные
поверхности; восстанавливаются окислы и удаляются адсорбированные газы и
жидкости, и результате контакт становится металлическим.
В случае многокомпонентных систем, кроме перечисленных явлений,
происходит образование твердых растворов, диффузия и образование химических
соединений. При спекании порошков с большой разницей температур плавления,
например порошков карбида вольфрама с порошком кобальта, образуется жидкая
фаза, которая капиллярными силами стягивает нерасплавившиеся частицы. В
результате получаются плотные детали. Иногда, например при производстве
медновольфрамовых электродов, сначала прессуют и спекают порошковый
вольфрамовый каркас, потом пропитывают его расплавленной медью. Спекание
обычно сопровождается усадкой, которая тем больше, чем выше температура
спекания и чем ниже давление прессования. Усадка изменяет размеры деталей;
поэтому детали, требующие высокой точности, например подшипники н зубчатые
колеса, после спекания калибруют путем протягивания через сквозные
прессформы. У сплавов, образующих жидкую фазу, усадка и процессе спекания
составляет 5 - 25%, а у сплавов, не образующих жидкой фазы, 0,5—2,5%.
Горячее прессование, совмещающее прессование и спекание, благодаря
ряду преимуществ начинает распространяется всё шире. При горячем
прессовании требуется более низкое давление, которое составляет всего 5—10%
давления обычного прессования. Порошок лучше заполняет форму, и горячее
прессование позволяет получать детали более сложной формы и более точных
размеров, не требующих калибрования. Нагрев порошка производится
электрическим током.
IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ
Определение и классификация. Порошковым твердым сплавом называется
сплав, состоящий из тончайших частиц (зерен) карбидов, например WC,
связанных твердым раствором WC в кобальте. В СССР ГОСТ 3882-61
Страницы: 1, 2
|