Композиционные и порошковые материалы

Композиционные и порошковые материалы

Министерство образования Российской Федерации

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Кафедра ТКМиМ

РЕФЕРАТ

на тему: «Композиционные и порошковые материалы»

Выполнил:

НР 00-1

Проверил: Теплоухов О.Ю.

Тюмень – 2001

Содержание

1. Основы порошковой металлургии 3

1.1. Способы получения и технологические свойства порошков

3

1.2. Металлокерамические материалы

3

2. Конструкционные порошковые материалы

5

3. Изготовление металлокерамических деталей

7

3.1. Приготовление смеси

7

3.2. Способы формообразования заготовок и деталей

7

3.3. Спекание и окончательная обработка заготовок

9

3.4. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталей из

металлических порошков

9

4. Композиционные материалы с металлической матрицей

10

4.1. Волокнистые композиционные материалы

10

4.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы

12

5. Композиционные материалы с неметаллической матрицей 13

5.1. Общие сведения, состав и классификация

13

5.2. Карбоволокниты

14

5.3. Карбоволокниты с углеродной матрицей

15

5.4. Бороволокниты

15

5.5. Органоволокниты

17

Литература

18

1. ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

1.1. Способы получения и технологические свойства порошков

Металлокерамика, или порошковая металлургия – отрасль технологии,

занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них.

Сущность порошковой металлургии заключается в том, что из металлического

порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые затем подвергают

термической обработке – спеканию.

Порошковой металлургией можно получать детали из особо тугоплавких

металлов, из нерастворимых друг в друге металлов (вольфрам и медь, железо и

свинец и т. д.), пористые материалы и детали из них, детали, состоящие из

двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов.

Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (0,5–500 мкм)

различных металлов и их окислов. Порошки получают механическим и физико-

химическим путем.

Для механического измельчения твердых и хрупких материалов применяют

шаровые, вибрационные мельницы и бегуны. Порошки из пластичных и

легкоплавких металлов и сплавов получают различными способами, основанными

на раздуве жидкого материала струей воды или газа. Механическим путем,

как правило, получают порошки из отходов основного производства.

К физико-химическим способам получения порошков относят восстановление

окислов металлов, электролиз и др.

Окислы металлов можно восстанавливать газообразными или твердыми

восстановителями. Наибольшее практическое применение нашли

газообразные углеродистые и углеводородистые соединения (природный газ,

доменный, углекислый газ) и водород. Электролизом водных растворов солей

получают тонкие и чистые порошки различных металлов и сплавов.

Порошки из редких металлов (тантала, циркония, титана и др.) получают

электролизом расплавленных солей. Режимы и технология изготовления

порошков физико-химическим путем приведены в справочной литературе.

Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть,

прессуемость и спекаемость.

Текучесть — способность порошка заполнять форму. Текучесть

ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности.

Количественной оценкой текучести является скорость вытекания порошка через

отверстие диаметром 1,5–4,0 мм в секунду.

Прессуемость характеризуется способностью порошка уплотняться под

действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования.

Прессуемость порошка зависит от пластичности материала частиц, их размеров

и формы и повышается с введением в его состав поверхностно-активных

веществ.

Под спекаемостъю понимают прочность сцепления частиц в результате

термической обработки прессованных заготовок.

1.2. Металлокерамические материалы

Порошковой металлургией получают различные конструкционные материалы

для изготовления заготовок и готовых деталей. Большое применение находят

материалы со специальными свойствами.

Из антифрикционных металлокерамических материалов изготовляют

подшипники скольжения для различных отраслей промышленности. В

антифрикционных материалах с пористостью 10–35% металлическая основа

является твердой составляющей, а поры, заполняемые маслом, графитом или

пластмассой, выполняют роль мягкой составляющей. Пропитанные маслом

пористые подшипники способны работать без дополнительной смазки в течение

нескольких месяцев, а подшипники со специальными «карманами» для запаса

масла – в течение 2–3 лет. Во время работы подшипника масло нагревается,

вытесняется из пор, образуя смазочную пленку па трущихся поверхностях.

Такие подшипники широко применяют в машинах для пищевой промышленности, где

попадание смазки в продукцию недопустимо.

Для пористых антифрикционных материалов используют железо-графитовые,

железо-медно-графитовые, бронзо-графитовые, алюминиево-медно-графитовые и

другие композиции. Процентный состав этих композиций зависит от

эксплуатационных требований, предъявляемых к конструкциям деталей.

Фрикционные материалы представляют собой сложные композиции на медной

или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста,

карбидов тугоплавких металлов и различных окислов. Для уменьшения износа в

композиции вводят графит или свинец. Фрикционные материалы обычно применяют

в виде биметаллических элементов, состоящих из фрикционного слоя,

спеченного под давлением с основой (лентой или диском).

Коэффициент трения по чугуну без смазки для фрикционных материалов на

железной основе 0,4–0,6. Они способны выдерживать температуру в зоне трения

до 500–600° С. Применяют фрикционные материалы в тормозных узлах и узлах

сцепления (в самолетостроении, автомобилестроении и т. д.).

Из высокопористых материалов изготовляют фильтры и другие детали. В

зависимости от назначения фильтры выполняют из порошков коррозионно-

стойкой стали, алюминия, титана, бронзы и других материалов с пористостью

до 50%. Металлические высокопористые материалы получают спеканием порошков

без предварительного прессования или прокаткой их между вращающимися

валками при производстве пористых лент. В порошки добавляй вещества,

выделяющие газы при спекании.

Металлокерамические твердые сплавы характеризуются высокой твердостью,

теплостойкостью и износостойкостью. Поэтому, из них изготовляют режущий и

буровой инструменты, а также наносят на поверхность быстроизнашивающихся

деталей и т.д.

Основой изготовления твердых сплавов являются порошки карбидов

тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC). В качестве связующего материала

применяют кобальт. Процентное соотношение указанных материалов выбирают в

зависимости от их назначения

Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические материалы,

характеризующиеся высокими режущими свойствами. В качестве связующего для

алмазных порошков применяют металлические порошки (медные, никелевые и др.)

или сплавы. Наибольшей твердостью характеризуются материалы из карбидов

бора (эльбор).

Из жаропрочных и жаростойких материалов изготовляют детали, работающие

при высоких температурах. Эти материалы должны иметь высокую жаропрочность,

стойкость против ползучести и окисления. Металлические сплавы на основе

никеля, титана, тантала, вольфрама и других элементов отвечают этим

требованиям при работе до температур 850–900° С.

При более высоких температурах (до 3000° С) можно использовать

тугоплавкие и твердые соединения типа окислов, карбидов, боридов и др.

Однако эти материалы имеют высокую хрупкость и поэтому в чистом виде не

могут быть использованы в качестве конструкционных материалов для

изготовления различных деталей.

Применение порошковой металлургии позволяет повысить

пластичность этих хрупких тугоплавких соединений. В качестве металлической

связки выбирают металлы и сплавы, жаропрочность которых близка

жаропрочности тугоплавких соединений. Они должны не образовывать химических

соединений, быть мало растворимыми в тугоплавких соединениях, а также иметь

близкие значения коэффициентов линейного расширения, теплопроводности и

модуля упругости.

Технология изготовления жаропрочных конструкционных материалов

характеризуется отдельными специфическими особенностями.

Порошковую металлургию широко применяют для получения материалов со

специальными электромагнитными свойствами (постоянные магниты,

магнитодиэлектрики, ферриты и т.д.).

2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Порошковыми называют материалы, изготовляемые путем прессования

металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и

последующего спекания сформованных изделий в вакууме или защитной атмосфере

при температуре 0,75–0,8ТПЛ. Различают пористые и компактные порошковые

материалы.

Пористыми называют материалы, в которых после окончательной обработки

сохраняется 10–30% остаточной пористости. Эти сплавы используют главным

образом для изготовления антифрикционных деталей (подшипников, втулок) и

фильтров.

Антифрикционные порошковые сплавы имеют низкий коэффициент трения,

легко прирабатываются, выдерживают значительные нагрузки и обладают хорошей

износостойкостью.

Подшипники из порошковых сплавов могут работать без принудительного

смазывания за счет «выпотевания» масла, находящегося в порах.

Подшипники изготовляют из сплавов железа и 1–7% графита (ЖГр1, ЖГрЗ,

ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8–10% Sn и 2–4% графита (БрОГр10–2,

БрОГр8–4 и др.).

Структура металлической основы железографитовых материалов должна быть

перлитной, с массовой долей связанного углерода ~1,0%. Такая структура

допускает наиболее высокие скорости и нагрузки при наименьшем износе

подшипников. Добавка к железографитовым материалам серы (0,8–1,0%) или

сульфидов (3,5–4,0%), образующих сульфидные пленки на трущихся

поверхностях, улучшает прирабатываемость, уменьшает износ и

прихватываемость сопряженных деталей.

Коэффициент трения железографита по стали при смазке 0,07–0,09.

Подшипники из железографита применяют при допустимой нагрузке не более

1000–1500 МПа и максимальной температуре 100–200°С. Коэффициент трения

бронзографита по стали без смазывания 0,04–0,07 и со смазыванием

0,05–0,007. Допустимая нагрузка 400–500 МПа и рабочая температура не выше

200–250°С.

Механические свойства железографита: ?B=180ч300 МПа и твердость 60–120

НВ, а бронзиграфита: ?B=30ч50 МПа, твердость 25–50 HВ.

Спеченные материалы на основе железа и меди используют и для

фрикционных изделий (дисков, сегментов) в тормозных узлах. Фрикционные

изделия должны иметь высокий коэффициент трения, достаточную механическую

прочность и хорошее сопротивление износу. Для повышения коэффициента трения

в состав фрикционных материалов вводят карбиды кремния, бора, тугоплавкие

оксиды и т.д. Компонентами твердого смазочного материала служат графит,

свинец, сульфиды и др.

Коэффициент трения по чугуну (трение без смазочного материала) для

материала на железной основе составляет 0,18–0,40, а на медной основе –

0,17–0,25.

Фрикционные сплавы на медной основе применяют для условий жидкостного

трения в паре с закаленными стальными деталями (сегменты, диски сцепления и

т.д.) при давлении до 400 МПа и скорости скольжения до 40 м/с с

максимальной температурой 300–350°С. Типичным фрикционным материалом на

основе меди является сплав МК5, содержащий 4% Fe, 7% графита, 8% Рb, 9% Sn,

0–2% Ni.

Для работы в условиях трения без смазочного материала (деталей тормозов

самолетов, тормозных накладок тракторов, автомобилей, дорожных машин,

экскаваторов и т.д.) применяют материалы на железной основе. Наибольшее

применение получил материал ФМК-11 (15% Cu, 9% графита, 3% асбеста, 3% SiO2

и 6% барита), фрикционные материалы изготовляют в виде тонких секторов

(сегментов, полос) и крепят на стальной основе (для упрочнения).

Широко применяют порошковые материалы для фильтрующих изделий. Фильтры

в виде втулок, труб, пластин из порошков Ni, Fe, Ti, Al, коррозионно-

стойкой стали, бронзы и других материалов g пористостью 45–50% (размер пор

2–20 мкм) используют для очистки жидкостей и газов от твердых примесей.

В электротехнике и радиотехнике применяют порошковые магниты на основе

Fe–Ni–А1–сплава (типа алнико) и др. Свойства порошковых магнитов нередко

выше свойств литых магнитов.

Большое применение в машинах для контактной сварки, приборах связи

получили контакты из порошковых материалов. Для этой цели применяют

псевдосплавы тугоплавких металлов (W и Мо) с медью (МВ20, МВ40, MB60,

MB80), серебром (СМ30, СМ60, СМ80, СВ30, СВ50, СВ85 и др.) или с оксидом

кадмия (ОК8, ОК12, ОК15) и др. Контакты отличаются высокой прочностью,

электропроводимостью и электроэрозионной стойкостью. Токосъемники (щетки)

изготовляют из порошков меди (или серебра) с графитом (углем).

Все больше порошковая металлургия применяется для изготовления

специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, дисперсионно-

упрочненных материалов на основе Ni, Ai, Ti и Cr. Методом порошковой

металлургии получают различные материалы на основе карбидов W, Мо и Zr.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) применяют тогда, когда путем литья и

обработки давлением трудно получить соответствующий сплав. Изготовляют CAC

с особыми физическими свойствами. САС содержат большое количество

легирующих элементов (например, САС1: 25–30% Si, 5–7% Ni, остальное Аl). Из

САС1 делают детали приборов, работающих в паре со сталью при температуре

20–200°С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного

расширения и малой теплопроводности.

В оптико-механических и других приборах применяют высокопрочные

порошковые сплавы системы А1–Zn–Mg–Си (ПВ90, ПВ90Т1 и др.). Эти сплавы

обладают высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью

резанием и релаксационной стойкостью. Изделия из этих сплавов подвергают

термической обработке по режимам Т1 и Т2 (см. c. 396).

Применяют гранулированные специальные сплавы c высоким содержанием Fe,

Ni, Co, Mn, Сr, Zr, Ti, V и других элементов, мало растворимых в твердом

алюминии. Гранулы – литые частицы диаметром от десятых долей до нескольких

миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого металла

охлаждаются в воде со скоростью 104–106°С/с, что позволяет получить сильно

пересыщенные твердые растворы переходных элементов в алюминии. При

последующих технологических нагревах (400–450°С) происходит распад твердого

раствора c образованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав.

Все более широкое применение получают компактные материалы (1–3%

пористости) из порошков углеродистой и легированной стали, бронз, латуней,

сплавов алюминия и титана для изготовления всевозможных шестерен, кулачков,

кранов, корпусов подшипников, деталей автоматических передач и других

деталей машин.

Изготовляют большое количество порошковых конструкционных (СП10-1 ...

СП10-4, СП30-1 ... СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП30Н3М-2, СП40Х-2, СП45Х3-

2 и др.), мартенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5М3Т и др.),

коррозионно-стойких (СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28 и др.) и других сталей. В

маркировке сталей добавочно введены буква «С», которая указывает класс

материала – сталь, и буква «П» – порошковая. Цифра после дефиса показывает

плотность стали в процентах. Стали подвергают термической обработке.

Свойства сталей, полученных из порошков после термической обработки, во

многих случаях уступают свойствам сталей, полученных обычными

металлургическими методами. Механические свойства порошковой стали зависят

от плотности и содержания кислорода. При пористости более 3% заметно

уменьшаются ?В, ?0,2, KCU, а порог хладноломкости t50 повышается даже при

увеличении пористости более 2%. С повышением содержания кислорода более

0,01% снижается KCU и повышается t50.

Поэтому рекомендовать порошковую технологию для высоконагруженных

стальных деталей нельзя. Вследствие более низких механических свойств,

высокой стоимости исходного материала и энергоемкости процесса спекания

порошковая конструкционная сталь может быть использована только для

изготовления мало нагружаемых изделий, главным образом сложной формы.

Сплавы на основе цветных металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4, БрПБ–2,

БрПО10–2, БрПО10Ц3–3, ЛП58Г2-2 и др.) нашли широкое применение в

приборостроении электротехнической промышленности и электронной технике. В

марке сплавов первые буквы, указывают класс материала («Ал» – алюминий, «Б»

– берилий, «Бр» – бронза, «Л» – латунь и т.д.), буква «П» – порошковый

сплав и число после дефиса – плотность материала в процентах. Буквы («Д» –

медь, «Ж» – железо, «Г» – марганец и др.) и цифры в марке указывают состав

сплава. Так же как обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных

металлов обладают высокой теплопроводностью и электропроводимостью,

коррозионной стойкостью, немагнитны, хорошо обрабатываются резанием и

давлением.

Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования

металла и повысить производительность труда.

Экономическая эффективность достигается благодаря сокращению или

полному исключению механической обработки. Вследствие высокой стоимости

пресс-форм изготовление деталей машин методами порошковой металлургии

эффективно только в массовом производстве.

Применение порошковых материалов рекомендуется при изготовлении деталей

простой симметричной формы (цилиндрические, конические, зубчатые), малых

массы и размеров. Конструктивные формы детали не должны содержать отверстий

под углом к оси заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов.

Конструкция и форма детали должны позволять равномерно заполнять полость

пресс-формы порошками, их уплотнение, распределение напряжений и

температуры при прессовании и удалении изделия из пресс-формы.

3. ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

3.1. Приготовление смеси

Процесс приготовления смеси состоит из классификации порошков по

размерам частиц, смешивания и предварительной обработки.

Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по группам

просеиванием на ситах, а более мелкие порошки – воздушной сепарацией. В

металлические порошки вводят технологические присадки различного

назначения: пластификаторы (парафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.),

облегчающие процесс прессования и получения заготовки высокого качества;

легкоплавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные летучие

вещества для получения детален с заданной пористостью. Для повышения

текучести порошок иногда предварительно гранулируют. Подготовленные порошки

смешивают в шаровых, барабанных мельницах и других смешивающих устройствах.

Предварительную механическую или термическую обработку (например,

отжиг) применяют для повышения технологических свойств порошков.

3.2. Способы формообразования заготовок и деталей

[pic]

Рис.1. Схемы холодного прессования:

а – одностороннее; б – двустороннее

Заготовки и детали из металлических порошков формообразуют прессованием

(холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.

Холодное прессование. В пресс-форму 2 засыпают определенное количество

подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоном 1 (рис.1, а). В процессе

прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость,

деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой

заготовки обеспечивается силами механического сцепления частиц порошка,

электростатическими силами притяжения и трения. С увеличением давления

прессования прочность возрастает. Давление распределяется неравномерно по

высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-

формы. Это является причиной получения заготовок с различной прочностью и

пористостью по высоте. В зависимости от габаритных размеров и сложности

прессуемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

Односторонним прессованием (рис.1, а) изготовляют заготовки простой

формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок

с отношением диаметра к толщине стенки меньше трех, вследствие чего

обеспечивается равномерная плотность получаемых заготовок. Двусторонним

прессованием (рис.1, б) получают заготовки сложной формы, при этом

требуемое давление для получения равномерной плотности уменьшается на

Страницы: 1, 2