3.5.4.1 Металокерамічні матеріали

Металокерамічні матеріали – це особливий вид композиційних матеріалів, які одержуються спіканням композицій металічних порошків з металічними порошками. З точки зору колоїдної хімії гетерогенні полідисперсні багатокомпонентні системи, які складаються з двох або декількох дисперсних фаз. Металокераміка є продуктом т.зв. порошкової металургії. Сучасна порошкова металургія розвивається у двох основних напрямках :

1) створення матеріалів і виробів з таким складом, структурами і властивостями, які недосяжні при звичайній плавці;

2) створення матеріалів і виробів зі звичайними властивостями, але з більш вигідними техніко-економічними показниками виробництва, ніж при технології, основаній на плавці.

Технологія виготовлення металокерамічних матеріалів і виробів складається із таких основних стадій :

а) одержання порошків;

б) складання шихт;

в) формування заготовок (брикетів);

г) спікання;

д) переробка спечених заготовок у виріб.

Іноді формування і спікання об'єднуються ("гаряче пpесування"), і тоді операція формування виключається, і спіканню піддають порошок, вільно (або з вібраційною утряскою) насипаний у вогнетривку форму. В порошковій металургії відсутнє повне розплавлення шихти при спіканні компактної заготовки або виробу, але процеси плавлення не виключаються цілком. Іноді часткове і навіть повне розплавлення вихідної шихти застосовують, як операцію, яка передує одержанню порошка; так, наприклад, порошки крихких сплавів і інтерметалідів зручно одержувати подрібненням злитка, а алюмінієвий, а іноді і залізний порошки - розпиленням розплавленого металу. Часткове утворення рідинної фази зустрічають і в деяких варіантах спікання.

Найважливішими матеріалами, виготовленими методами порошкової металургії є : пористі матеріали (пористі підшипники, металічні фільтри, пористі акумуляторні пластинки, "потіючі" деталі а безперервним виділенням відповідної рідини із пор), фрикційні матеріали, електричні контакти, магнітні матеріали і власне кермети (кераміко-металічні матеріали і вироби).

Регулюванням зернистості вихідних порошків та режимів пресування і спікання можна створити вироби з дисперсною і рівномірно розподіленою пористістю, що не можна досягнути методами плавки.

♦Пористі підшипники виготовляють з бронзи, заліза, іноді з алюмінію. Суміш металічних порошків і графіту (2-3 %) пресують до заданої пористості (25-40%,) і спікають. Включення графіту створює т.зв. "суху" змазку. Такі підшипники працюють без зовнішньої змазки, що є важливим у вузлах, де важко проводити змазку, або при небезпеці забруднення продукції (в харчовій, текстильній і ін. галузях промисловості).

♦Металеві фільтри, які використовують для очистки мастил, рідкого палива, різних рідин, виготовляють спіканням монодисперсних порошків металів з гладкою поверхнею.

♦Фрикційні матеріали (для гальмівних пристроїв) – це складні багатокомпонентні композиції з рівномірним розподілом різних за властивостями металевих і неметалевих частинок. Приклад металокeрaмічної композиції : 60-70 % Сu, 5-10 % Sn, 6-15% Pb, 5-10 % Fe, 5-7%графіту і 3-6 % кварцу. Суміш напресовують на покриті міддю або оловом стальні диски і в процесі наступної стадії спікання під навантаженням антифрикційний шар міцно припікається до основи, Сu і Sn утворюють теплопровідну і міцну бронзову основу; включення Fe збільшує опір зносу; співвідношення графіту і кварцу визначають коефіцієнт тертя; Pb , розплавляючись при перегрівах, знижує тертя.

♦Електричні контакти одержують методом порошкової металургії із композицій металів і неметалів, або із металів, які не сплавляються між собою. Прикладом перших служать мідно- (або бронзово графітові) ковзні контакти (електрощітки) для електричних машин. Графітові частинки захищають контакти від налипання, зноcу та іскроутворення.

Прикладом композиції металів, що не сплавляються, служать вольфрамово-мідні контакти, які застосовують для контактної зварки. Для різних призначень застосовують різноманітні контактні композиції :W-Ag, Mo-Ag, Ag-Cd, Ag - CdO, W - Cu та ін.

Важливе значення мають металокерамічні контакти в потужних вимикачах для ліній електропередач і в інших подібних пристроях.

♦Магнітні матеріали. Методами порошкової металургії виробляють магнітні матеріали: сталі магніти, магніто-м'які матеріали, магнітодіелектрики.

Литі сплави сталих магнитів типу "алніко" ( Аl -Fe-Ni- Co ), "алсіфер" ( Аl -Si - Fe ) та ін. одержують грубозернистими і крихкими з включеннями Al₂O₃ . При виготовленні із них виробів складної форми буває багато браку і відходів (більше 50 %) на операціях лиття і обробки шліфуванням. Металокерамічний метод усуває ці труднощі; одержуються вироби з дрібнозернистою щільною структурою, кращі від литих за міцністю.

Вироби із магнітом'яких матеріалів (з високого магнітною проникливістю, залишковою індукцією і малою коерцетивною силою) із порошку Fe або зі сплавів типу пермаллой, (78,5% Ni, решта Fe, іноді ~ 4 % Mo) також вигідно виготовляти металокерамічним методом, що дає невеликі відходи. Чистота вихідних порошків, можливість їх точного шихтування і заданий склад, однорідна дрібнозерниста структура виробів забезпечує їх високі та однорідні магнітні властивості. Методом металокераміки виготовляють також оксидні магнітом'які матеріали типу феритів (СоО, Fе₂O₃ тощо).

Магнітодіелектрики. Для сердечників індукційних високочастотних котушок, для усунення втрат на струми Фуко, магнітодіелектрики виготовляють пресуванням суміші дрібнозернистих порошків заліза або сплавів типу пермаллой, тощо з електроізолюючими пластмасами, лаками, силікатами. В результаті створюється своєрідна структура, в якій частинки металу ізольовані одна від одної якнайтоншими прошарками діелектрика. Брикети з пластмасовими прошарками нагрівають до 150-180°С для полімеризації прошарків, а з силікатними і оксидними прошарками, - спікають. Подібні сердечники в порівнянні і зі звичайними індукційними котушками дають економію в габаритних об'ємах в 5 разів, у вазі - на 35-50 %, в довжині проводу індукційної котушки - на 50-70 %.

Кермети (керамікометалічні вироби) - гетерогенні композиції із металів і неметалів, які суміщають тугоплавкість, твердість і жаростійкість кераміки з провідністю, пластичністю, термостабільністю і іншими властивостями металів. Як неметалічні компоненти використовуються різні тугоплавкі оксиди, металоподібні сполуки перехідних металів (карбіди, бориди, нітриди), деякі силіциди і інші неметалічні речовини, що відрізняються хімічною стабільністю, високою твердістю і високою температурою плавлення. Як металічну складову керметів використовують, головним чином, метали і сплави групи заліза ( Fe , Nі , Co ) і перехідні метали VІ групи (Сr , Mg , W) , іноді легкі метали( Аl і ін.).

Кермети одержують методами порошкової металургії. Для одержання компактних композицій, які зберігають і кращим чином об'єднують цінні властивості вихідних компонентів, стараються забезпечувати в керметах міцні міжфазові зв'язки, в утворенні яких значну роль відіграють адгезія, обволікання. При цьому суттєве значення має характер взаємодії фаз на поверхні їх розподілу, величина і стан контактної поверхні, поверхневий натяг, а також можливість утворення в процесі виготовлення керметів тонких, рівномірно розподілених прошарків проміжного складу (обмежені тверді розчини, сполуки типу шпінелів тощо). В деяких випадках при виготовленні керметів металічний компонент вводять в розплавленому стані (просочування заготовки) або використовують часткове розплавлення металу в процесі спікання брикету із суміші порошків металічних і неметалічних компонентів (спікання з участю рідинної фази). В цих випадках велике значення набуває змочування.

Для одержання керметів міцних і стабільних в широкому діапазоні температур, як правило, необхідні:

а) висока дисперсність і рівномірний розподіл в структурі керметів металічних і неметалічних фаз;

б) утворення в структурі безперервного пластичного металічного скелету або основи (наскрізний металічний зв'язок) або (і) відповідного твердого неметалічного каркасу;

в) обмеження аж до високих температур взаємної розчинності компонентів і їх хімічної взаємодії;

г) порівняно близька величина коефіцієнта термічного розширення обидвох компонентів в широкому інтервалі температур;

д) можливість регулювання термічного розширення, міжфазової поверхневої енергії і змочуваності методом варіювання складу, режиму термообробки і добавляння спеціальних присадок;

е) відсутність в компонентах кермету аж до високих температур поліморфних перетворень, які супроводжуються значною зміною об'єму і властивостей компонентів.

За складом розрізняють: оксидні кермети, що містять оксиди Al, Be, Mg, Zr, Tb, U і ін.; карбідні кермети, які включають в свій склад карбіди перехідних металів (Mo, Ті, Nb , Cr і ін.), а також складні карбіди (тверді розчини карбідів) цих елементів; боридні кермети, що містять переважно бориди тугоплавких металів (цирконію, титану і ін.). За властивостями і застосуванню розрізняють кермети :

1) які використовують при високих температурах (деталі газових турбін, ракетної і реактивної техніки, електропічна арматура, тиглі для розплавів і ін.). До цієї групи відносяться композиції : Аl₂О₃-Сr₂О₃; Аl₂О₃-ThO₂-Cr-Mo; Al₂O₃-W-Cr ; а також велика група керметів на основі карбіду титану з Ni, Co, Cr, Мo, W, Аl і їх сплавами;

2) які відрізняються високою твердістю, зносостійкістю і використовуються як ріжучі інструменти і деталі, що працюють на знос. До цієї групи керметів відносяться композиції WC-Co;WC - ТіС-Со і інші;

3) кермети з особливими фізичними властивостями, які використовуються в спеціальних областях техніки : в атомних ре акторах (тепловиділяючі елементи і інші деталі із композицій VО₂-Al ; MgO-Ni , Al₂O₃-Cr); в електротехніці і електронній техніці (наприклад, графіт-мідь для електрощіток; ThО₂-Mo або ThO₂-W для посилення емісійної здатності і ін.), в гальмівних пристроях (деякі фрикційні матеріали, що містять по декілька металічних і неметалічних компонентів: Сu,F₈,Pb,SiO₂ i ін.; як корозійно стабільних матеріалів (наприклад, Cr₂O₃-W-Ni) для виробів, що працюють в агресивних середовищах.

Найбільше значення мають металокерамічні карбідні тверді сплави, що є найбільш ефективнішими зі всіх інструментальних матеріалів, а також високотемпературні кермети. Підбираючи склад і режим обробки, можна добитися дуже високих характеристик жароміцності і жаростійкості керметів. Так, сплав КІ83А складу ТіС (60 %) - Ni (32 %) -Cг(2,5 %) - Mo(3 %)-Аl(2,5%) володіє довгою (100 год) міцністю при 1000°С (біля 20 кг/мм²). Композиція Аl₂О₃(70 %) - Сr (30 %) стабільна проти окиснення до 1200°С і показує при 1300°С міцність на згин більше 18 кг/мм². Задовільна міцність цієї композиції може бути поліпшена в два рази за рахунок збільшення частки металічної фази до 60 % ваги. Стабільність проти окиснення композиції на основі ТіС (з металічним зв'язуючим у вигляді Ni, Ni-Сr і ін.) можна суттєво підвищити добавками карбідів Тa, Nb , а також невеликих кількостей Сr . Основним недоліком всіх керметів є їх низька динамічна міцність. Деяке підвищення її може бути досягнуто збільшенням в їх складі частки металу, іноді застосовують поверхневе збагачення металами, одержують кермети змінного складу або покривають кермети металами.

Контрольні питання

1. Дайте характеристику дисперсним системам з газовим дисперсійним середовищем .

2. Що таке суспензії? Їх характеристика і приклади.

3. Емульсії, їх властивості і використання.

4. Типи емульсій, емульгатори, інверсія емульсій.

5. Дайте коротку характеристику латексам.

6. Піни. Утворення, властивості, руйнування.

7. Дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем

8. Що таке тверді піни і пінопласти? Їх одержання.

9. Поропласти і еластомери, їх характеристика.

10. Що таке тверді емульсії?

11. Опишіть дисперсні системи з твердим дисперсійним середовищем і твердою дисперсною фазою.

12. Композити і їх класифікація.

13. Опишіть особливості і використання композитів.

14. Які практичні задачі може вирішити металокераміка?

15. Що таке кермети?