Композиционные и порошковые материалы

Министерство образования Российской Федерации

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Кафедра ТКМиМ

РЕФЕРАТ

на тему:ВлКомпозиционные и порошковые материалыВ»

Выполнил:

НР 00-1

Проверил: Теплоухов О.Ю.

Тюмень тАУ 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 тАУ отрасльтехнологии, 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 тАУ 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 (0,5тАУ500 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 тАФ способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Количественной оценкой текучести являВнется скорость вытекания порошка через отверстие диаметром 1,5тАУ4,0 мм в секунду.

Прессуемость характеризуется способностью порошка уплотВнняться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пластичности материала частиц, их размеров и формы и повышаВнется 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 конструкВнционные материалы для изготовления заготовок и готовых детаВнлей. Большое применение находят материалы со специальными свойствами.

Из антифрикционных металлокерамических материалов изВнготовляют подшипники скольжения для различных отраслей промышленности. В антифрикционных материалах с пористостью 10тАУ35% металлическая основа является твердой составляющей, а поры, заполняемые маслом, графитом или пластмассой, выполВнняют роль мягкой составляющей. Пропитанные маслом пористые подшипники способны работать без дополнительной смазки в теВнчение нескольких месяцев, а подшипники со специальными ВлкарВнманамиВ» для запаса масла тАУ в течение 2тАУ3 лет. Во время работы подшипника масло нагревается, вытесняется из пор, образуя смазочную пленку па трущихся поверхностях. Такие подшипВнники 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. ПроцентВнный состав этих композиций зависит от эксплуатационных требоВнваний, предъявляемых к конструкциям деталей.

Фрикционные материалы представляют собой сложные компоВнзиции на медной или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и разВнличных 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 дисВнком).

Коэффициент трения по чугуну без смазки для фрикционных материалов на железной основе 0,4тАУ0,6. Они способны выдержиВнвать температуру в зоне трения до 500тАУ600В° С. Применяют фрикВнционные материалы втормозных 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 850тАУ900В° С.

При более высоких температурах (до 3000В° 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 деВнталей.

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, теплопроводВнности 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 пресВнсования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в ваВнкууме или защитной атмосфере при температуре 0,75тАУ0,8Т_ПЛ. Различают пористые и компактные порошковые материалы.

Пористыми называют материалы, в которых после окончаВнтельной обработки сохраняется 10тАУ30% остаточной пористости. Эти сплавы используют главным образом для изготовления антиВнфрикционных деталей (подшипников, втулок) и фильтров.

Антифрикционные порошковые сплавы имеют низкий коэффиВнциент трения, легко прирабатываются, выдерживают значительВнные нагрузки и обладают хорошей износостойкостью.

Подшипники из порошковых сплавов могут работать без приВннудительного смазывания за счет ВлвыпотеванияВ» масла, находяВнщегося в порах.

Подшипники изготовляют из сплавов железа и 1тАУ7% граВнфита (ЖГр1, ЖГрЗ, ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8тАУ10% Sn и 2тАУ4% графита (БрОГр10тАУ2, БрОГр8тАУ4 и др.).

Структура металлической основы железографитовых материаВнлов должна быть перлитной, с массовой долей связанного углеВнрода ~1,0%. Такая структура допускает наиболее высокие скорости и нагрузки при наименьшем износе подшипников. ДоВнбавка к железографитовым материалам серы (0,8тАУ1,0%) или сульфидов (3,5тАУ4,0%), образующих сульфидные пленки на труВнщихся поверхностях, улучшает прирабатываемость, уменьшает износ и прихватываемость сопряженных деталей.

Коэффициент трения железографита по стали при смазке 0,07тАУ0,09. Подшипники из железографита применяют при доВнпустимой нагрузке не более 1000тАУ1500 МПа и максимальной темВнпературе 100тАУ200В°С. Коэффициент трения бронзографита по стали без смазывания 0,04тАУ0,07 и со смазыванием 0,05тАУ0,007. Допустимая нагрузка 400тАУ500 МПа и рабочая температура не выше 200тАУ250В°С.

Механические свойства железографита: σ_B=180ч300 МПа и твердость 60тАУ120 НВ, а бронзиграфита: σ_B=30ч50 МПа, твердость 25тАУ50 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 сопроВнтивление износу. Для повышения коэффициента трения в состав фрикционных материалов вводят карбиды кремния, бора, тугоВнплавкие оксиды и т.д. Компонентами твердого смазочного матеВнриала служат графит, свинец, сульфиды и др.

Коэффициент трения по чугуну (трение без смазочного матеВнриала) для материала на железной основе составляет 0,18тАУ0,40, а на медной основе тАУ 0,17тАУ0,25.

Фрикционные сплавы на медной основе применяют для услоВнвий 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 300тАУ350В°С. Типичным фрикционным материалом на основе меди является сплав МК5, содержащий 4% Fe, 7% графита, 8% Рb, 9% Sn, 0тАУ2% 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 45тАУ50% (размер пор 2тАУ20 мкм) исВнпользуют для очистки жидкостей и газов от твердых примесей.

В электротехнике и радиотехнике применяют порошковые магниты на основе FeтАУNiтАУА1тАУсплава (типа алнико) и др. Свойства порошковых магнитов нередко выше свойств литых магнитов.

Большое применение в машинах для контактной сварки, приВнборах 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 прочВнностью, электропроводимостью и электроэрозионной стойкостью. Токосъемники (щетки) изготовляют из порошков меди (или сеВнребра) с графитом (углем).

Все больше порошковая металлургия применяется для изВнготовления специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, дисперсионно-упрочненных материалов на основе Ni, Ai, Ti и Cr. Методом порошковой металлургии получают различВнные материалы на основе карбидов W, Мо и Zr.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) применяют тогда, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответВнствующий сплав. Изготовляют CAC с особыми физическими свойствами. САС содержат большое количество легирующих элеВнментов (например, САС1: 25тАУ30% Si, 5тАУ7% Ni, остальное Аl). Из САС1 делают детали приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20тАУ200В°С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.

В оптико-механических и других приборах применяют высокоВнпрочные порошковые сплавы системы А1тАУZnтАУMgтАУСи (ПВ90, ПВ90Т1 и др.). Эти сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и релаксаВнционной стойкостью. Изделия из этих сплавов подвергают терВнмической 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 тАУ литые чаВнстицы диаметром от десятых долей до нескольких миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью 10⁴тАУ10⁶В°С/с, что позволяет получить сильно пересыщенные твердые растворы переходных элементов в алюминии. При последующих технологических наВнгревах (400тАУ450В°С) происходит распад твердого раствора c обВнразованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав.

Все более широкое применение получают компактные матеВнриалы (1тАУ3% пористости) из порошков углеродистой и легироВнванной стали, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана для изготовления всевозможных шестерен, кулачков, кранов, корВнпусов 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 друВнгих сталей. В маркировке сталей добавочно введены буква ВлСВ», которая указывает класс материала тАУ сталь, и буква ВлПВ» тАУ 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, полуВнченных обычными металлургическими методами. Механические свойства порошковой стали зависят от плотности и содержания кислорода. При пористости более 3% заметно уменьшаются σ_В, σ_0,2, KCU, а порог хладноломкости t₅₀повышается даже при увеВнличении пористости более 2%. С повышением содержания кислоВнрода более 0,01% снижается KCU и повышается t₅₀.

Поэтому рекомендовать порошковую технологию для высокоВннагруженных стальных деталей нельзя. Вследствие более низких механических свойств, высокой стоимости исходного материала и энергоемкости процесса спекания порошковая конструкционВнная 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, БрПБтАУ2, БрПО10тАУ2, БрПО10Ц3тАУ3, ЛП58Г2-2 и др.) нашли широкое применение в приборостроении электроВнтехнической промышленности и электронной технике. В марке сплавов первые буквы, указывают класс материала (ВлАлВ» тАУ алюВнминий, ВлБВ» тАУ берилий, ВлБрВ» тАУ бронза, ВлЛВ» тАУ латунь и т.д.), буква ВлПВ» тАУ порошковый сплав и число после дефиса тАУ плотВнность материала в процентах. Буквы (ВлДВ» тАУ медь, ВлЖВ» тАУ жеВнлезо, ВлГВ» тАУ 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 элекВнтропроводимостью, коррозионной стойкостью, немагнитны, хоВнрошо обрабатываются резанием и давлением.

Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования металла и повысить производительность труда.

Экономическая эффективность достигается благодаря сокраВнщению или полному исключению механической обработки. ВследВнствие высокой стоимости пресс-форм изготовление деталей машин методами порошковой металлургии эффективно только в массовом производстве.

Применение порошковых материалов рекомендуется при изВнготовлении деталей простой симметричной формы (цилиндричеВнские, конические, зубчатые), малых массы и размеров. КонструкВнтивные формы детали не должны содержать отверстий под углом к оси заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов. КонВнструкция и форма детали должны позволять равномерно заполВннять полость пресс-формы порошками, их уплотнение, распредеВнление 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 тАУ воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (паВнрафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовки высокого качества; легкоВнплавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные летучие вещества для получения детален с заданной пористостью. Для повышения текучести порошок иногда предварительно грануВнлируют. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, бараВнбанных 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 тАУ одностороннее; б тАУ двустороннее

Заготовки и детали из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и проВнкаткой.

Холодное прессование. В пресс-форму 2 засыпают определенВнное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансоВнном 1 (рис.1, а). В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается поВнристость, деформируются или разруВншаются отдельные частицы. ПрочВнность получаемой заготовки обеспеВнчивается силами механического сцепВнления частиц порошка, электростатиВнческими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность возрастает. Давление расВнпределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы. Это является причиной полуВнчения заготовок с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от габаритных размеров и сложности пресВнсуемых 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 30тАУ40%.

При извлечении детали из пресс-формы ее размеры увеличиваются. Величина упругого последействия в направлении прессования составляет 0,3тАУ0,5% и 0,1тАУ0,2 тАУ в направлении, перпендикулярном прессованию. Указанное необходимо учитывать при расчете исполнительных размеров пресс-форм.

Давление прессования составляет 200тАУ1000 МПа в зависимости от требуемой плотности, размеров, формы прессуемой детали, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет резко (в 50тАУ100 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 (4тАУ7 прессовок), необходимость проведения процессов в среде защитных газов, которые ограничивают применение данного способа.

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.

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 10тАУ12% от массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброванВнного отверстия пресс-формы. Полые профили выполняют с приВнменением рассекателя. Металлокерамические профили получают выдавливанием на гидВнравлических и механических прессах.

Прокатка. Этот способ тАУ один из наибоВнлее производительных и перспективных споВнсобов переработки металлокерамических маВнтериалов. Порошок непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками (рис.3, а). При вращении валков 3 происхоВндит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. ПроВнцесс прокатки может быть совмещен со спеВнканием и окончательной обработкой полуВнчаемых заготовок. В этом случае лента проВнходит через проходную печь для спекания, а затем поступает на прокатку, обеспечиВнвающую заданную ее толщину.

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

Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02тАУ3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного проВнфиля, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 мм до нескольВнких 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 порошВнков одновременно протекают такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и др. Температура спекания обычно составляет 0,6тАУ0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже темпеВнратуры плавления основного материала для порошков, в состав которых входит несколько компонентов. Процесс спекания рекоВнмендуется проводить за три этапа: I тАУ нагрев до температуры 150тАУ200В° С (удаление влаги); II тАУ нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц); III тАУ окончательный нагрев до температуры спекания. Время выдержки после достижения температуры спекания но всему сечению составляет 30тАУтАФ90 мин. Увеличение времени и темВнпературы спекания до определенных значений приводит к увелиВнчению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению прочВнности за счет роста зерен кристаллизации.

Для спекания используют электрические печи сопротивления или печи с индукционным нагревом. Для предотвращения окисВнления спекают в нейтральных или защитных средах, а для поВнвышения 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 спеВнциальных стальных пресс-формах или продавливанием пруткоВнвого материала через калиброванное отверстие. При этом поВнвышается точность и уплотняется поверхностный слой загоВнтовки.

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, наВнрезание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда прессоваВннием нельзя получить детали заданных размеров и форм. ОсобенВнностью механической обработки является пористость металлокерамических заготовок. Не рекомендуется применять обычные охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок перед обработВнкой также нежелательна, так как в процессе резания масло выВнтекает 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. ПоВнэтому в их конструкциях нельзя допускать значительВнной разностенности (рис.4, а, 2),которая вызыВнвает коробление и образоваВнние трещин.

При незначительной разностенности в процессе пресВнсования получают более равВнномерную плотность по выВнсоте детали (рис.4, б, 6). Длинные тонкостенные конВнструкции (рис.4, а, 3)необходимо заменять на равВннозначные по эксплуатационВнным 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 тАУ нетехнологические конструкции; б тАУ технологические конструкции

Для свободного удаления заготовки пресс-форма должна иметь незначительную конусность. При проектировании конических поверхностей необходимо исходить из удобства извлечения заВнготовки (рис.4, б, 8),обратная конусность недопустима (рис.4, а, 4). Радиусы перехода сопрягающихся поверхноВнстей должны быть не менее 0,2 мм.

4.КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧСКОЙ
МАТРИЦЕЙ

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 маВнтериалы (рис.5).

4.1. Волокнистые композиционные материалы.

На рис.5 приВнведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполниВнтелем (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 50тАУ100 %), 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

Материал	σВ	σ-1	Е, ГПа	σВ/γ	Е/γ
	МПа
БортАУалюминий (ВКАтАУ1А)	1300	600	220	500	84,6
БортАУмагний (ВКМтАУ1)	1300	500	220	590	100
АлюминийтАУуглерод (ВКУтАУ1)	900	300	220	450	100
АлюминийтАУсталь (КАСтАУ1А)	1700	350	110	370	24,40
НикельтАУвольфрам (ВКНтАУ1)	700	150	тАУ	тАУ	тАУ

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

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σ_В = 2500ч3500 МПа, Е = 38ч420 ГПа) и углеродные (σ_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 σ_В = 2500ч3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в каВнчестве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибденоВнвую 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 треВнбуются высокие теплопроводность и электропроводимость. ПерВнспективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодульВнных волокнистых композиционных материалов являются нитевидВнные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σ_В = 15000ч28000 МПа и Е = 400ч600 ГПа.

В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых компоВнзиционных материалов.

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

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (σ_В, σ_-1)и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материаВнлах уменьшают скорость распространения трещин, зарождаюВнщихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль к поперек волокон и малая чувствиВнтельность к концентраторам напряжения,

На рис.6 приведена зависимость σ_В и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σ_В, 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 тАФ матрица. Для предотвращения контакта между волокнами маВнтрица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15тАУ20 %.

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)

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

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

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния,

Вместе с этим смотрят:

11-этажный жилой дом с мансардой

14-этажный 84-квартирный жилой дом

16-этажный жилой дом с монолитным каркасом в г. Краснодаре

180-квартирный жилой дом в г. Тихорецке

2-этажный 3-секционный 18-квартирный жилой дом в г. Мирном