![](/user_photo/_userpic.png)
книги / Материаловедение и технологии современных и перспективных материалов
..pdf![](/html/65386/197/html_goAO9S1jip.cEIM/htmlconvd-qV5klG121x1.jpg)
структурой и прочностью (рис. 3.22), не уступающей кованым материалам, однако не всегда оправдывают свою достаточно высокую стоимость и используются в основном для ответственных узлов.
Рис. 3.22. Детали, изготовленные горячим прессованием
Горячая ковка эффективна для производства дорогих материалов, таких как твердые сплавы. Недостатком является низкая производительность и высокая стоимость специальных теплостойких матриц и защитных газовых сред.
Изделия другой группы (композиционные) в стоимостном отношении более дороги за счет более сложных технологий, но их эксплуатационные свойства повышаются кратно по сравнению с традиционными. Например, композиционный материал «сталь–бронза», созданный в Научном центре ПМ, г. Пермь (НЦ ПМ), обладает коэффициентом трения как у бронзы и прочностью стали (рис. 3.23), а стальные пары трения, упрочненные с поверхности твердым сплавом обладают износостойкостью твердого сплава и пластичностью чуть ниже, чем у стали (рис. 3.24).
121
![](/html/65386/197/html_goAO9S1jip.cEIM/htmlconvd-qV5klG122x1.jpg)
Рис. 3.23. Композиционный |
Рис. 3.24. Пары трения, упрочненные |
материал «сталь–бронза» |
по поверхности твердым сплавом |
(НЦ ПМ) |
|
Износостойкие и режущие изделия, содержащие сверхтвердые фазы в больших количествах, могут быть получены только методом ПМ (рис. 3.25, 3.26). Консолидация фаз в таких композиционных материалах часто обеспечивается при спекании с инфильтрацией металлическими сплавами. Преимущество ПМ при создании неразъемных конструкций из материалов с различными механическими и химическими свойствами – возможность сохранения формы и размеров изделия, поскольку основной компонент всегда остается в твердой фазе.
Рис. 3.25. Алмазный инструмент |
Рис. 3.26. Изделия из карбидо- |
(НЦ ПМ) |
сталей (НЦ ПМ) |
122
![](/html/65386/197/html_goAO9S1jip.cEIM/htmlconvd-qV5klG123x1.jpg)
Конкурирующими направлениями при создании соединений являются пайка, рельефная сварка, лазерная сварка и т.д. Однако все эти методы влекут за собой высокотемпературную обработку, что может привести к уменьшению прочности и изменениям формы и размеров изделий, образованию нежелательных химических соединений. Клеевые же соединения имеют низкую прочность и не обеспечивают требуемую коррозионную стойкость.
Основными преимуществами получения соединений с инфильтрацией являются надежность и простые технологические приемы. Применение промежуточного слоя обеспечивает увеличение контактной поверхности и активацию процессов спекания. Технология дает возможность получать качественное соединение независимо от формы поверхности. Единственной альтернативой указанному способу по экономическим, технологическим и эксплуатационным характеристикам является пайка, однако использование промежуточных слоев позволяет получать гораздо более прочные соединения.
По соотношению цена/качество композиционные порошковые материалы обычно превосходят традиционные (рис. 3.27).
Рис. 3.27. Сравнительные показатели литой износостойкой стали Х12Ф, композиционного порошкового материала (карбидостали), твердого сплава ВК-8
123
Рассмотрев существующее разнообразие видов технологических обработок металлов и керамики, можно заключить, что в большинстве случаев выгодно применять технологию ПМ взамен традиционных, а для обеспечения необходимых свойств и точности размеров не обязательно использовать специальные методы ПМ – вполне достаточно традиционного соосного прессования порошков. Этим методом сейчас производится 85–90 % деталей из железных порошков (основного исходного материала порошковой металлургии). Вторым по объемам производства является инжекционное формование (5 %). Третье место в производстве материалов на основе железа удерживает горячая ковка. Перспективными порошковыми материалами, по мнению Европейской, Японской, Американской ассоциаций порошковой металлургии, считаются суперсплавы, металломатричные композиты, нанопорошки и наноматериалы, плакированные порошки, пластичные и легкие интерметаллиды, для производства которых в ближайшие годы активизируются такие методы, как изостатическое формование, инжекционное формование, золь-гель процессы, механическое легирование, самораспространяющийся высокотемпературный синтез.
3.3. Производство изделий из керамических порошков
«Керамос» (греч.) – обожженная глина, «керамике» – гончарное искусство. Гончарное искусство имело несколько этапов развития:
•каменный век – инструменты и посуда из камня и глины,
•средние века – скульптура,
•бронзовый и железный века – футеровка печей,
•IV–III вв. до н.э. – глиняные изделия,
•времена Древнего Рима – кирпичи, черепица, водопровод,
•XVI в. – ввоз китайского фарфора в Европу (рис. 3.28).
В настоящее время керамика – поликристаллические вещества, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. В XX в. благодаря керамике появились изоляторы, конденсаторы, подложки микросхем, стекла (рис. 3.29), стоматологические изделия (рис. 3.30).
124
![](/html/65386/197/html_goAO9S1jip.cEIM/htmlconvd-qV5klG125x1.jpg)
Рис. 3.28. Фарфоровые изделия из Китая
Рис. 3.29. Изоляторы
125
![](/html/65386/197/html_goAO9S1jip.cEIM/htmlconvd-qV5klG126x1.jpg)
Рис. 3.30. Керамические изделия стоматологического назначения
Перспективность керамики:
1.Многообразие свойств (многофункциональность) по сравне-
нию с другими типами материалов (металлами и полимерами). Среди видов керамики всегда можно найти такие, которые с успехом заменяют металлы и полимеры, тогда как обратное возможно далеко не во всех случаях.
2.Доступность сырья, в том числе для получения бескислородной керамики типа карбидов и нитридов кремния, циркония или алюминия, заменяющих дефицитные металлы.
3.Технология получения конструкционной керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных металлических материалов.
4.Производство керамики, как правило, не загрязняет окружающую среду в такой мере, как металлургия.
5.Получение керамики обычно более безопасно, чем производство альтернативных металлических материалов.
6.Керамические материалы по сравнению с металлами облада-
ют более высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к ра-
диационным воздействиям, что обусловливает долговечность керамических конструкций в агрессивных средах.
126
7. Керамические материалы обладают большей биологической совместимостью, чем металлы и полимеры, что позволяет использовать их в медицине как для имплантации искусственных органов, так и в качестве конструкционных материалов в биотехнологии и генной инженерии.
8. Перспектива дальнейшей микроминиатюризации приборов с использованием керамических элементов. Любое, даже самое малое керамическое изделие состоит из огромного числа кристаллитов, размер, форма и относительное расположение которых определяют их свойства.
Перспективы и приоритеты в керамической и стекольной науке
ипромышленности (на 10 лет):
•работы в области ультрадисперсного состояния, супрамолекулярной химии, коллоидных систем;
•исследования, расширяющие пределы свойств материалов, позволяющие эксплуатировать их в еще более экстремальных условиях;
•создание новых конструкционных и функциональных материалов с воспроизводимыми свойствами и надежным функционированием;
•новые биоматериалы – имплантаты, биосенсоры, материалы, обеспечивающие доставку лекарственного вещества к участку действия (пористые среды) или химических веществ к растениям и т.п.;
•«интеллектуальные» материалы, имеющие свойство не только воспринимать внешние воздействия, но и изменять свои характеристики (и даже форму) необходимым образом.
В области технологии материалов будут развиты процессы, дающие наибольшую экономическую эффективность, включая малотоннажную химию и технологии микро- и нанопорошков.
Классификация технических видов керамики.
По составу керамические материалы делят:
•на кислородную керамику: оксиды алюминия Аl2О3, циркония ZrO2, иттрия Y2O3, магния MgO, кремния SiO2, титана TiO2 и др.;
•бескислородную керамику: карбиды кремния SiC, титана TiC, нитриды кремния Si3N4, алюминия AlN, бора BN, титана TiN и др.;
127
• смешанную: сиалоны, представляющие собой сложные фазы Si6–xAlxOxN8–x, которые можно рассматривать как алюмосиликаты, в которых кислород частично замещен азотом, оксинитрид кремния Si2ON2, оксинитрид алюминия AlON.
По структуре керамику можно разделить:
•на кристаллическую, которая характеризуется упаковкой образующих ее атомов в один из видов кристаллической решетки (шпинели, перовскиты, гранаты);
•аморфную (стекла), которая характеризуется ближним порядком;
•композиты, которые состоят из отдельных (разнородных) фаз, отличающихся составом, структурой и свойствами.
Классификация по области применения приведена в табл. 3.2.
Таблица 3.2 Классификация керамических материалов по области применения
Вид керамики |
Область применения материалов |
Электротехническая |
Электроизоляторы, корпусы и подложки интеграль- |
|
ных схем (Аl2О3, SiO2) |
|
Высокоемкостные конденсаторы, запоминающие |
|
устройства (BaSnO3, BaYO2–La2O3–3TiO2) |
|
Пьезоэлементы, фильтры, транзисторы, ультразву- |
|
ковые устройства (CaTiO3, BaTiO3) |
|
Электронные микроскопы, горячие катоды (BaO, |
|
CaO, Аl2О3) |
|
Варисторы (SiC, ZnO), анализаторы влажности, тер- |
|
мисторы, тепловые элементы (LaCrO3, ZrO2, |
|
SiC/ZnS,SnO2) |
|
Твердые электролиты, натрийсерные аккумуляторы, |
|
анализаторы среды в печах (AgI, Ag4RbI5, Ag2S, LiI) |
Оптическая |
Оболочки галогенных и натриевых ламп, окна ядер- |
|
ных реакторов и др. (Al2О3, Y2О3, MgO) |
|
Компоненты цветных телевизионных трубок (шее- |
|
лит, циркон, апатит, aлмаз, флюорит) |
128 |
|
|
Окончание табл. 3.2 |
|
|
Вид керамики |
Область применения материалов |
|
Фотоэлектрические преобразователи (Si, Cu(In,Ga)Se2 |
|
и GaAs, AlGaAs-GaAs) |
Магнитная |
Магниты для бытовой техники, сердечники транс- |
|
форматоров и катушек и др. (Fe2О3, NiO, ZnO) |
Проводящая |
Электроды, нагреватели для электрических печей |
|
(SiC) |
Сверхпроводящая |
Сверхпроводящие элементы (Bi2Sr2Gan–1, CunO2n+4) |
Конструкционная |
Металлорежущие станки и инструменты (Al2О3, |
|
ZrO2) |
|
Волоки, фильеры, нитеводители (карбиды, твердые |
|
сплавы) |
|
Абразивные материалы и инструменты (SiC, Si3N4 |
|
B4N) |
|
Детали подшипников скольжения, высокотемпера- |
|
турная смазка (SiC, Si3N4, Ti3SiC2) |
|
Детали двигателей, в том числе для летательных ап- |
|
паратов (SiC, Si3N4, Ti3SiC2) |
|
Материалы для брони (ZrO2) |
Химическая |
Детали химических аппаратов и ядерно-энерге- |
|
тических установок (SiO2, Si3N4, SiC, Al2O3, В4С) |
|
Катализаторы и носители катализаторов |
Биологическая |
Устройства для биохимических процессов, носите- |
|
ли для связывания энзимов (Al2О3) |
|
Искусственные суставы, зубные протезы |
|
Al2О3, ZrO2, Na2O, CaO, SiO2, P2O5, Ca10(PO4)6(OH)2 |
Перспективными являются материалы на основе карбосилицида титана Ti3SiC2. Они имеют преимущества перед другими видами керамики:
•износостойкость в 2,5 раза выше, чем у SiC;
•низкий коэффициент трения (например, по стали с абразивом 0,07) благодаря слоистой, как у графита, структуре (рис. 3.31);
129
![](/html/65386/197/html_goAO9S1jip.cEIM/htmlconvd-qV5klG130x1.jpg)
•стойкость к окислению, термо- и коррозионная стойкость, электропроводность;
•отличная теплопроводность, слабо снижающаяся с ростом температуры;
•стойкость к термоудару, хорошая обрабатываемость резанием. Эти материалы примененяют в качестве конструкционного жа-
ропрочного материала, теплообменников.
Рис. 3.31. Структура карбосилицида титана
Технология изготовления керамики:
1)синтез порошков,
2)приготовление формовочных масс,
3)формование,
4)обжиг,
5)финишная обработка.
Для достижения повышенного сопротивления хрупкому разрушению керамических материалов необходимо мелкое зерно в структуре материала (малые размеры собственных дефектов и торможение трещины).
Методы получения порошков для технической керамики:
1. Керамический метод – повторение цикла «обжиг–помол» смеси оксидов.
130