книги из ГПНТБ / Рудой, Б. Л. Композиты
.pdfДля улучшения смачивания сапфира никелем или алюминием и усиления ¡прочности связи между ними на сапфировые волокна можно также нанести про межуточное тонкое покрытие из сплавов никеля или сплавов типа нихрома. Сегрегируя на поверхности раздела, хром обеспечивает наиболее благоприятное смачивание сапфира никелем, а отсутствие образова ния новых промежуточных фаз сохраняет исходную высокую прочность арматуры. Иначе решать ту же задачу можно, вводя в никелевую матрицу легирую щие компоненты титана и хрома.
В отличие от нитевидных кристаллов сапфира ни тевидные кристаллы карбида кремния термодина мически ¡менее устойчивы, а их взаимодействие с ¡ма тричным металлом в большей степени требует защит ных мер, заключающихся в -нанесении на поверхность карбидов и силицидов переходных металлов четвер той, пятой и шестой групп периодической системы, например карбидов вольфрама, молибдена, титана и силицида кобальта. Использование никеля в качестве промежуточного защитного слоя в данном случае не целесообразно, так как оно резко снижает прочность нитевидных кристаллов карбида кремния.
Когерентность поверхности раздела между ком понентами— один из самых важных факторов, опре деляющих структуру и прочность композиционного материала. Полная когерентность наблюдается тог да, когда-кристаллы соприкасаются так, что атомная плоскость, составляющая поверхность раздела, харак теризуется общим для обеих кристаллических струк тур расположением атомов без учета их химической природы, а межатомные расстояния в этой плоскости для двух данных структур почти одинаковы.
На пути широкого использования нитевидных кристаллов в технике стоят объективные трудности.
70
Прочность нитевидных кристаллов в значительной степени зависит от их размеров. При выращивании монокристаллов приходится регулировать те или иные параметры процесса, влияющие на ориентацию, фор му, состав, дефекты решетки.
На примере освоения процесса получения моно кристаллов по методу чешского химика У. Чохральского, предложенному еще в 1917 году, можно ви деть, что многие трудности преодолимы. Новые сис темы выращивания монокристаллов обеспечивают по стоянство заданного значения диаметра по длине кристалла, равномерное распределение примесей, снижение разброса удельного сопротивления в сече нии кристаллов.
Производство композиционных материалов с арма турой из нитевидных кристаллов пока еще находится в начальной стадии. Но нет сомнения в том, что проб лема создания таких материалов будет успешно ре шена.
ПОРОШКОВАЯ ЗАПЕКАНКА
Раздробляя исходное сырье на мельчайшие частицы, можно по лучить новые материалы небыва лой прочности.
П. А. Ребиндер
дной из главных задач физи ко-химической механики яв
ляется получение твердых тел с заданными механиче скими свойствами и структурой. Основатель этой от расли науки академик П. А. Ребиндер полагал, что путь к прочности лежит через разрушение.
Все твердые тела имеют множество дефектов. Однородность конструкционных материалов лишь ка жущаяся.
Микротрещины, разрывы, микроразличия в струк туре действуют как носители напряжений. В пластич ных металлах они нейтрализуются (релансируются) пластической деформацией. Хуже обстоит дело с хрупкими материалами. Устранить концентраторы напряжений, например, у стекла можно вытягиванием тонких волокон.
Если измельчить металл, а затем спрессовать и подвергнуть спеканию порошковую заготовку, можно достигнуть весьма высоких показателей прочности. Технология порошковой металлургии позволяет по лучать более прочные конструкционные материалы, чем при плавке электронным лучом.
72
Каким же образом пористое тело после прессова ния становится плотным?
В основе физической теории спекания кристалли ческих порошков лежит идея, согласно которой спрес сованные кристаллические крупинки как бы слива ются подобно капелькам жидкости. При этом пор не остается. Если говорить о керамических или огне упорных материалах, то процесс спекания может происходить как в жидкой, так и твердой фазе, в от личие от спекания металлических порошков, которое осуществляется в твердой фазе.
Развивая теорию Спекания, Я. Френкель выдвинул представление о процессе вязкого течения кристал лических тел при высокой температуре, осуществляе мого при посредстве диффузного механизма. Раньше считали, что вязкое течение свойственно только жид костям, а кристаллические тела испытывают лишь пластическую деформацию. Теоретическими расчета ми и экспериментами было доказано, что и кристал лы могут вязко течь. Только вязкость кристаллов бо лее высокая, чем вязкость жидкости.
Большая прочность изделий порошковой метал лургии объясняется в основном высоким содержани ем примесей, образующих твердые растворы внед рения.
Экономичность порошковой металлургии особенно заметна при больших масштабах производства. Так, автомобильная промышленность все шире использует изделия порошковой металлургии — у современного автомобиля более 500 таких деталей. На автомобиль ную промышленность США приходится 60 процентов всего выпуска деталей, изготовленных из металличе ских порошков.
Порошковая металлургия открывает новые пер спективы в использовании сплавов молибдена и нио-
73
бия, для которых технологические |
операции |
плавки |
и обработки давлением применять |
крайне |
сложно. |
В этом случае весьма перспективно гидростатическое или изостатическое прессование шихты, позволяющее получать изделия с равномерным распределением плотности, а следовательно, и свойств. Шихту засы пают в эластичную оболочку и подвергают всесто роннему гидростатическому сжатию в герметичных камерах. В качестве рабочих жидкостей используется масло, вода или глицерин. Гидростатическое давле ние составляет 2 тысячи атмосфер и выше. Методом гидростатического прессования можно получать из делия очень сложной формы.
Преимущества порошковой металлургии весьма ощутимы при производстве дорогостоящих материа лов, например циркониевых сплавов. Так, для изго товления суппорта весом 6,5 килограмма методом литья требуется поковка массой в 16 килограммов, полученная вакуумно-дуговым переплавом цирконие вой губки. Горячее прессование устраняет ковку и сокращает расход 'материала. Количество исходного порошкообразного сырья снижается до 9 килограм мов.
Методом порошковой металлургии изготовляют различные детали из тугоплавких металлов: вольфра ма, тантала, ниобия и молибдена с температурой плавления выше 2000°. Что касается изделий из тугоплавких карбидов, боридов, нитридов, то они мо гут быть получены только методами порошковой металлургии. Температура спекания изделий из туго плавких карбидов титана, циркония, гафния превы шает 2000°, достигая 2500—2700° для карбидов нио бия и тантала.
Велика роль порошковой металлургии в создании деталей для космических кораблей. Из металлических
74
порошков делают фильтры для топливных систем ра кет, детали для узлов двигателей, сервомеханизмов, магниты, сопла, тепловые экраны, гироскопы.
Отличающиеся высокими эксплуатационными ха рактеристиками серебряно-вольфрамовые контакты можно получить лишь методом порошковой метал лургии. В данном случае спекание композиции про изводится при температуре ниже температуры плав ления серебра, которое при 2000° кипит и улетучи вается (вольфрам плавится лишь при 3380°, а кипит при 5900°).
Порошковая 'металлургия может использоваться там, где с помощью известных методов упрочнения (легирование, холодная и термическая обработка) нельзя достигнуть высоких показателей.
Давно известно, что дисперсная фаза упрочняет матрицу. Прочна сталь, содержащая дисперсные ча стицы цементита в ферритной матрице, независимо от того, представляют ли они собой пластинчатый цементит в перлитной структуре или сферический це ментит в отпущенном мартенсите. Высокая прочность никелевых сплавов в большинстве случаев обеспечи вается наличием фазы-упрочиителя Ni3Al(Ti). С уве личением содержания в сплаве алюминия и титана улучшаются его механические свойства. Однако с по вышением температуры до 0,8 температуры плавле ния сплава частицы Ni3Al(Ti) переходят в раствор. Присадки других тугоплавких элементов, введение в
сплав кобальта ненамного затрудняют процесс диф фузии атомов алюминия и титана.
При температурах 980—1100° легированные (дис- персионно-твердеющие) сплавы разупрочняются вследствие растворения дисперсной упрочняющей фа зы. С повышением температуры упрочняющее дейст вие искажений решетки ослабляется из-за увеличе-
75
ния подвижности атомов и развития диффузионных процессов. При пластической деформации увеличива ется легкость скольжения дислокаций и склонность, их к переползанию, а напряжения, необходимые для движения дислокаций, заметно уменьшаются.
И тут на помощь пришла порошковая металлур гия. Когда в 1947 году было обнаружено, что алюми ниевые сплавы, полученные из чешуйчатого тонкодис персного алюминиевого порошка путем компактирования, горячего прессования и экструзии, обладают очень высокими жаропрочными свойствами, это вы звало настоящую сенсацию. В таких сплавах, сокра щенно названных САП (спеченные алюминиевые по рошки), упрочнение алюминиевой матрицы достига ется с помощью собственного окисла алюминия, ко торый отличается высокой тугоплавкостью и стабиль ностью.
Введение в металлы тугоплавких дисперсных ча стиц, не растворяющихся даже после плавления ме талла матрицы, позволило получить сплавы намного более прочные, чем однофазная металлическая мат рица. Упрочняющий эффект объясняется не только образованием структурных дислокаций на границах раздела, но и, главным образом, сопротивлением движению дислокаций вследствие небольших рассто яний между частицами и возникновением поля на пряжения вокруг них.
В дисперсно-упрочненных композиционных ма териалах, полученных методом порошковой металлур гии, дисперсная фаза в металлической матрице сдер живает рост зерна. Возьмем, например, окисную пленку на чешуйках алюминиевой пудры. Толщина этой пленки постоянная, поэтому содержание окисла АІ2О3 в сплаве зависит от размера чешуек. Алюми ниевая пудра содержит 6—22 процента окиси алюми-
76
ния. Прессование пудры ¡под давлением 30—70 кг/мм2 приводит к разрушению окисной пленки и образова нию металлических контактов. Окисная пленка рас пределяется равномерно по всему объему брикета, который подвергают спеканию и деформации. Раз мер окисных частиц в готовых изделиях будет не сколько меньше, чем у частиц порошка, из которого приготовлен сплав, а размер зерна в прутках после экструзии брикетов примерно равен расстоянию меж ду окисными частицами, изменяющемуся от 1 до 0,1 микрона. Поэтому сплавы типа САП отличаются мелкозернистой структурой.
Разработка сплавов типа САП и САС (спеченные алюминиевые сплавы) повлекла за собой многочис ленные попытки получения жаропрочных композици онных материалов на основе более тугоплавких мат риц титана, молибдена, железа, кобальта, никеля, тантала, меди, хрома и ванадия. В качестве дисперс ной фазы в сплавы пробовали вводить окислы, кар биды, нитриды и бориды. Однако здесь многих ис следователей постигла неудача из-за отсутствия фун даментальных сведений о природе взаимодействия на границе разнородных компонентов.
Следует заметить, что порошковая металлургия родилась не вчера. Среди несметных художественных сокровищ усыпальницы фараона Тутанхамона были изделия, изготовленные из смеси порошков серебра, золота и платины. На одной из площадей Дели не сколько столетий стоит железная нержавеющая ко лонна. По-видимому, она сделана методом, весьма похожим на метод порошковой металлургии. В 1828 году в Петербургском монетном дворе под ру ководством русского ученого П. Г. Соболевского бы ло налажено производство монет и медалей из губ чатой платины способом порошковой металлургии.
77
Твердые сплавы видна в Германии и победит в Советском Союзе были созданы на основе порошко образных компонентов. Твердость быстрорежущего сплава видна 9,6—9,8 по шкале Мооса. Это почти твердость алмаза (по немецки «ви диамант» значит «как алмаз»). В 1925 году в одной из лабораторий электротехнической фирмы «Осрам» был изготовлен сплав для производства вольфрамовых нитей, пред назначенных для электролампочек. При протяжке вольфрамовой проволоки через специальную стальную матрицу — фильер матрица быстро приходила в негод ность. Решили попробовать изготовить ее из смеси порошков вольфрама (83—90 процентов), углерода (5,5—6,5 процента), кобальта (10—12 процентов) и железа (1—2 процента). Иногда кобальт заменяли никелем. После прессования заготовки ее спека'ли по специальному режиму. Никель или кобальт сообщали сплаву вязкость, а соединение вольфрама с углеро дом (карбид вольфрама) придавало ему твердость.
Видна оказался прекрасным материалом для ре жущих инструментов — металлорежущих резцов, на конечников для напайки на сверла, пластинок для фрез, пил, зенкеров и разверток. Благодаря новому композиционному материалу оказалось возможным обрабатывать резанием такие стали и чугуны, из ко торых раньше можно было получать изделия только горячей обработкой — отливкой и ковкой. Новый ма териал, как в свое время быстрорежущая сталь, про извел революцию в станкостроении.
В 1973 году на международной ярмарке в Ганно вере экспонировался десятипозиционный твердосплав ный инструмент фирмы «Крупп — Видна — Фабрик» для бесстружковой обработки. Работа инструмента демонстрировалась на 40-тонном пресс-автомате. С помощью этого инструмента можно было изготовить
78
20—30 миллионов изделий из белой жести, в то вре мя как стального инструмента хватало всего на миллион изделий. Прочность при изгибе чистого кар бида вольфрама составляла 280 кг/мм2, а прочность при изгибе карбида вольфрама с добавкой 15—20 про центов кобальта — всего 56 кг/мм2. Специалисты объясняли это тем, что у частиц карбида вольфрама более высокий модуль упругости и предел текучести, и они препятствуют пластической деформации ко бальта. Было замечено, что разрушение материала начиналось в зернах карбида вольфрама, а не в плен ках кобальта, окружавших их. Разность коэффици ентов термического расширения у карбида кремния
(а=5,4-10~6/°) и кобальта (а= 16-106/°) приво дит при нагреве к значительным внутренним напря жениям, так что зерна — частицы карбида вольфра ма-— сжаты кобальтом.
В сплавах карбида вольфрама с молибденом мо жет быть 90 и более ¡процентов твердой фазы. Между частицами карбида вольфрама существуют контакты, хорошо различимые в микроскопе. А в дисперсионноупрочненных сплавах содержание твердой фазы со ставляет не более 20 процентов. Твердые частицы упрочняющей фазы изолированы здесь металличе ской фазой. Композиция карбида вольфрама с ко бальтом как исключение причислена к классу диспер сионно-упрочненных сплавов. Над загадкой «счастли вого брака» карбида вольфрама и кобальта и техно логией получения твердых сплавов на их основе продолжают работать научные коллективы многих стран.
Ценность материалов тина видна и победита для изготовления режущего и абразивного инструмента общепризнана. Эти композиционные материалы под верглись тщательному исследованию. Было установ-
79