Материаловедение и технология конструкционных материалов

стью компонентов. Жидкофазное спекание таких систем имеет особенности, связанные с преобладанием одной из стадий:

□вязкое течение жидкости — перегруппировка частиц;

□растворение — осаждение;

□образование жесткого скелета.

Спекание проводят в среде защитного газа или вакууме. Совмещение процесса прессования и спекания наблюдается

при горячем прессовании, которое производят при температуре (0,5...0,9)ТПЛосновного компонента. Высокая температура прес­ сования позволяет снизить в несколько десятков раз давление прессования. Время выдержки составляет от 15...30 мин до не­ скольких часов. Горячее прессование применяют для труднопрес­ суемых порошков с целью получения высоких физико-механиче­ ских свойств. Горячепрессованные детали имеют мелкозернистую структуру. Цресс-форму, в которой осуществляют горячее прессо­ вание, изготавливают из жаропрочных материалов, а при прессо­ вании тугоплавких соединений — из графита, прочность кото­ рого с увеличением температуры повышается.

Свойства и области применения 9.4. порошковых материалов

Антифрикционные пористые материалы изготавливают на основе порошков железа или меди с пропиткой жидкой смазкой (маслом) или с добавками твердой смазки (графит, свинец, дисуль­ фид молибдена, сернистый цинк). Данные материалы обладают высокими триботехническими свойствами, хорошей прирабатываемостью, высокой теплопроводностью, достаточной вязкостью при ударной нагрузке, обеспечивают низкий коэффициент трения.

К фрикционным относят материалы с высоким коэффициен­ том трения. Они обладают высокой фрикционной теплостойко­ стью и коррозионной стойкостью. Их изготавливают на основе меди или железа с металлическими и неметаллическими компо­ нентами для деталей, работающих в масле (75 %) и при сухом трении. Фрикционные изделия состоят из стальной основы и фрик­ ционных накладок, которые припекаются к основе под давле­ нием.

Электротехнические материалы подразделяются на электроконтактные (металлические, металлографитовые, металлооксид­ ные и металлокарбидные), магнитомягкие (железоникелевые сплавы, сплавы железа с кремнием и алюминием или с хромом и алюминием), магнитотвердые (сплавы на основе Fe—Al—Ni(Co), называемые альни, альнико, магнико), магнитодиэлектрики (карбонильное железо, пермаллой, альсифер), ферриты (Fe30 4 с добавками NiO, MgO, MnO, ZnO).

Аморфные Материалы, получаемые быстрым (со скоростью 105...106 °С/с) охлаждением расплава (Fe40N40P 10BgO), являются новым классом магнитных материалов, из которых изготавли­ вают магнитные экраны, трансформаторы и электродные при­ боры.

Спеченные конструкционные материалы изготавливают на основе конструкционной стали (углеродистой, медистой, крем­ нистой, молибденовой, хромомолибденовой), титановых и алю­ миниевых сплавов.

Повышение твердости обрабатываемых заготовок потребова­ ло расширения диапазона используемых режущих материалов от твердых сплавов, минералокерамических материалов до ис­ кусственных алмазов и других сверхтвердых материалов, полу­ чаемых методами порошковой металлургии.

Твердые сплавы используют в режущих и контрольно-измери­ тельных инструментах, рабочих вставках фильер при волочении, матрицах и пуансонах при штамповке и прессовании. В машино­ строении и приборостроении широко применяют армированные твердыми сплавами детали. Например, в текстильной промыш­ ленности применяют твердые сплавы для направляющих колец и других трущихся деталей; в порошковой металлургии твер­ дые сплавы используют для размольных тел и прессового инст­ румента.

Минералокерамику применяют для получистовой и чистовой обработки резанием чугунов, закаленных и улучшенных сталей, цветных и тугоплавких сплавов при высоких (до 800 м/мин) скоростях резания. Основу минералокерамики составляет а-моди- фикация А120 3 (электрокорунд) зернистостью до 1 мкм. Плотность кермета (керамики с металлической связкой) составляет 3,96 г/см3, твердость — HRA до 92. Оксидокарбидная керамика имеет плот­ ность 4,2...4,6 г/см3 и твердость HRA 92...94.

Эрозионно-стойкие и потеющие материалы обладают ком­ плексом свойств, которые невозможно получить в сплавах. Они изготавливаются на основе тугоплавких металлов или углерода в виде композиций (например, путем пропитки вольфрамового или углеродного каркасов жидкой медью или серебром). Детали из такого материала работают в двигателях при температуре свыше 2500 °С. Во время работы медь (серебро) испаряется, что понижает тепловой поток и улучшает условия работы вольфра­ мового или углеродного каркасов.

9.5. Техническая керамика

Керамика — многокомпонентные поликристаллические ма­ териалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Керамические материалы отличаются от металлических и полимерных разно­ образием свойств, доступностью сырья, низкой энергоемкостью производства, возможностью создания экологически безопасных технологий получения, устойчивостью к радиационному воздей­ ствию, биологической совместимостью, возможностью регулиро­ вать свойства материала в широких пределах за счет изменения структуры.

Техническая керамика — перспективный материал для кон­ струкций, работающих при 1200 °С и выше. Она используется для теплообменников, деталей двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, для химического и металлургиче­ ского оборудования, деталей бумагоделательных машин, уплотни­ телей' насосов, работающих в условиях абразивйого изнашива­ ния, и т.д.

Конструкционная керамика — это материал на основе туго­ плавких соединений, которые отличаются высокими темпера­ турой плавления, твердостью, модулем упругости, химически инертны, имеют большой диапазон электрических и тепловых свойств (от сверхпроводников до диэлектриков, от теплоизоляторов до высокотеплоотводящих материалов), обладают специ­ фическими свойствами (эмиссионными, оптическими, ядерными, каталитическими).

По составу керамику можно подразделить на оксидную (ки­ слородную), состоящую из оксидов металлов и неметаллических элементов, и неоксидную (бескислородную) — карбидную, нит­ ридную, боридную и др. Наиболее распространенными предста­ вителями первой группы являются керамические материалы на основе оксидов алюминия (А120 3), циркония (Zr02), магния (MgO), титана (ТЮ), кремния (Si02), бериллия (ВеО); второй — карбидов и нитридов кремния (SiC, Si3N4), бора (В4С, BN), тита­ на (TiC, TiN), алюминия (A1N) и др.

Особенностями керамики является отсутствие макропластической деформации при комнатных температурах и наличие квазипластической деформации при высоких температурах. Керамика имеет высокую стабильность кристаллической ре­ шетки, которая обусловлена наличием жестких направленных ковалентных связей. Это определяет низкую концентрацию и под­ вижность дефектов, способствует торможению диффузионных процессов, затрудняет диффузионно-вязкое течение, ответствен­ ное за массоперенос и уплотнение при твердофазном спекании.

Свойства керамических материалов определяются техноло­ гией их изготовления. Низкие технологические характеристики керамики требуют активации порошковых частиц, которые обес­ печивают массоперенос при,спекании. Горячее прессование, реак­ ционное и активированное спекание, формование в аппаратах высокого давления позволяют получить высокоплотную кера­ мику.

Активированное спекание осуществ­ ляют введением активирующих добавок (А120 3, Zr02, Y20 3, MgO, В4С, В, С и др.).

Высокие температуры горячего прес­ сования способствуют перекристаллиза­ ций частиц нитридов и карбидов в при­ сутствии жидкой фазы (рис. 9.5). Спека­ ние керамики ускоряется, если одновре­ менно частицы легируются, образуя твер­ дые растворы (например, если легирование

порошков осуществляется за счет термо­ Рис. 9.5. Псевдожидкая механической активации при длительном

смешивании легирующих добавок и ке­ рамических порошков в размольных аг­ регатах).

204 Раздел I. Материаловедение

С повышением дисперсности частиц толщина диффузионного слоя становится соизмерима с радиусом частиц, что приводит к активации спекания и объемной усадке. При легировании бором образуется твердый раствор замещения, возрастает количество дефектов решетки, что облегчает диффузию углерода в карбиде.

Высокие температуры спекания керамики (до 2000 °С) сопро­ вождаются процессами рекристаллизации, что приводит к росту зерна и снижению уровня свойств материала.

Перспективной является предварительная активация кера­ мических порошков взрывом, повышающая плотность дислока­ ций до 10и ...1212 см-2 и усиливающая диффузионные процессы при последующем спекании, что позволяет снизить температу­ ру спекания до 1600...1800 °С.

Для получения высокопрочной конструкционной керамики необходимы следующие условия:

□размер частиц (дисперсность порошков) не более 1 мкм

судельной поверхностью частиц более 10 м2/г;

□высокая степень чистоты порошков;

□активация керамических частиц при спекании за счет вве­ дения добавок, формирующих жидкую фазу или твердые рас­ творы;

□совмещение процессов прессования и спекания (горячее прессование, прессование в аппаратах высокого давления, взрыв­ ное прессование).

Керамические порошки получают как традиционными мето­ дами — синтезом из простых веществ, карботермическим син­ тезом, так и самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС), плазмохимическим и растворным синтезом, дис­ социацией сложных соединений и электролизом. Размер частиц порошков находится в пределах от 20 нм до 500 мкм. Форма частиц порошков губчатая, осколочная, округлая, ограненная, изометрическая, волокнистая. Порошки получают с кристалли­ ческой и аморфной структурами.

Получение порошков СВС-синтезом позволяет изготовить нитридные и карбонитридные порошки за счет выделения энер­ гии при азотировании кремния, алюминия, титана (экзотерми­ ческая реакция). Композиционные порошки Si3N4-SiC получают при содержании в шихте до 50 % компонентов, образующих карбид кремния, так как синтез идет с поглощением энергии (эндотермическая реакция).

Оксидная керамика обладает высокой механической прочно­ стью до температуры 800 °С, повышенной сопротивляемостью износу, удовлетворительной стойкостью против воздействия химических соединений, в частности кислот и щелочей, более высоким по сравнению с металлами коэффициентом трения, хоро­ шим сопротивлением термоудару, примерно одинаковым со ста­ лью модулем упругости, низкой теплопроводностью. Несмотря на сходство некоторых свойств, каждый из оксидов имеет свои особенности, которые определяют области применения и оказы­ вают влияние на технологию производства.

Неоксидная (бескислородная) керамика обладает сочетанием высокой твердости и жаропрочности, термической и химической стойкости, теплопроводности и низкого коэффициента термиче­ ского расширения, специфических полупроводниковых и диэлек­ трических свойств, невысокой плотности и стабильности физи­ ческих свойств в широком диапазоне температур.

Карбидные материалы обладают совокупностью механиче­ ских и физико-химических свойств, которые позволяют широко использовать их в технике. Особое место среди карбидных мате­ риалов занимают карбидокремниевые керамики, как спеченные (SiC), так и реакционно-связанные (Si/SiC), обладающие низкой плотностью, высокими прочностью при повышенных темпера­ турах, твердостью и износостойкостью, низким температурным коэффициентом линейного расширения (TKJIP), химической стойкостью к агрессивным средам, устойчивостью на воздухе при высоких температурах. Такое сочетание свойств карбидокрем­ ниевых керамик обеспечивает им заметное улучшение удельных механических характеристик. Дальнейшее улучшение свойств SiC-керамик идет по пути их армирования, например, нитевидны­ ми кристаллами, волокнами и алмазными частицами (табл. 9.1). Низкие технологические свойства SiC-керамик (плохая прессуемость, спекание при температуре свыше 2000 °С) требуют при­ менения технологий, в которых предусматривается активация поверхности порошка термомеханической обработкой или объ­ емная активация взрывной обработкой, введение в шихту акти­ вирующих процесс спекания добавок (2...8 мае. %), в том числе активных наноструктурных порошков (до 2 мае. %). Техно­ логические свойства повышаются, если карбидную керамику использовать как компонент композиционного материала (на­ пример, композит SiC—Si3N4).

материала ведут при атмосферном давлении, что обеспечивает получение изделий сложной формы и больших размеров с уни­ кальными физико-механическими свойствами.

Сочетание высокой упругости, теплопроводности, твердости и износостойкости в композитах позволило эффективно приме­ нять их в качестве инструментальных и конструкционных ма­ шиностроительных материалов.

ЩДД Керамико-подимерные материалы

Развитие микроэлектроники и электротехники связано с реше­ нием проблемы отвода тепла от радиоэлектронной аппаратуры повышенной мощности и уменьшения потерь в нагревательных элементах электротехники. Проблема решается путем разработки

исоздания керамико-полимерных материалов с повышенными теплофизическими характеристиками, химической и радиацион­ ной стойкостью, достаточной удельной прочностью, низкой плот­ ностью. Основными компонентами композиции являются керами­ ческие порошки оксидных, нитридных и карбидных соединений

иполимерная связка. Наполнителем композиции могут служить также металлические порошки. Наибольший эффект получен при применении порошков нитрида алюминия, обработанных по специальной технологии, позволяющей получить оптимальное строение и размер частиц керамики (49...60 мкм) с минималь­ ным объемным содержанием полимерной связки (до 20 %). В качестве полимерной связки нашел применение мономолекулярный силаксановый каучук, технология полимеризации кото­ рого относится к экологически чистым производствам. Полимери­ зация связующего компонента осуществляется при комнатной температуре в течение 30 мин.

Для повышения прочности керамико-полимерных компози­ ционных материалов осуществляют модифицирование структуры полимера за счет введения нанодисперсных керамических частиц(2...3 мае. %) либо путем упрочнения полимерной матрицы стеклотканью или стекловолокнами. Теплофизические харак­ теристики керамико-полимерного материала повышают за счет введения специальных наполнителей (керамических и метал­ лических порошков, порошков искусственного алмаза или гра­

фита), которые изменяют химический состав и повышают фи­ зико-механические свойства материала.

Технология получения композиционного материала состоит из двух стадий: смешивания полимерной смолы, катализаторов, наполнителей, модификаторов и формования давлением с вве­ дением армирующих материалов. Смешивание осуществляют в специальных смесителях или непосредственно в процессе на­ пыления смолы на упрочняющие волокна с использованием газо­ вых аппаратов для напыления пластмассовых порошков. Формо­ вание пастообразной смеси (гелей) осуществляют в специальных матрицах, аналогично получению пластмасс.

Из керамико-полимерных композиционных материалов по­ лучают эластичные теплоотводящие диэлектрики и, добавляя

вних углеродные волокна, изготавливают гибкие нагреватели,

вкоторых эти волокна служат нагревательным элементом. Тех­ нические характеристики гибких нагревателей представлены

втабл. 9.2.

Таблица 9.2

Свойства теплоотводящих диэлектриков и гибких нагревателей

Гибкие нагреватели применяются в нагреваемых плитах прес­ сов, а также для обогрева штампов, труб, емкостей, топливных насосов дизельных двигателей и др. Они представляют собой разборную или неразборную конструкцию, состоящую из угле­ родной тканой ленты с металлизированными контактами и ке- рамико-полимерной эластичной теплопроводящей изоляции.

Наноструктурные материалы

Наноструктурные материалы — перспективные новые ма­ териалы с нанофазными структурными составляющими, размер частиц, кристаллитов или фаз которых не превышает 100 нм хотя бы в одном измерении, что позволяет сформировать в ма­ териале комплекс уникальных физико-механических характе­ ристик. Соизмеримость геометрического размера наночастиц с характерными размерами физических величин (длиной свобод­ ного пробега электрона или фотона, размером электрического или магнитного домена, протяженностью дефектов кристалли­ ческой решетки типа дислокации) вызывает разнообразные раз­ мерные эффекты, а увеличенная поверхностная энергия и экстре­ мальные условия образования частиц приводят к метастабильному состоянию материалов. Это проявляется в существенном повышении прочностных характеристик наноструктурных ма­ териалов при сохранении ими высокой пластичности и низкого порога хладноломкости, полупроводниковом характере прово­ димости, супермагнетизме, увеличении температуры перехода в сверхпроводящее состояние, снижении температур фазовых превращений, изменении оптических характеристик и т.п.

Ресурсо-, энергосберегающие и высокоэкологичные порошко­ вые технологии наиболее перспективны в производстве наномате­ риалов. Исходным сырьем при этом являются ультрадисперсные порошки (с размером частиц не более 100 нм), а также более крупные порошки, полученные в условиях интенсивного из­ мельчения. Операции порошковой технологии — прессование, спекание, горячее прессование и т.п. — обеспечивают получе­ ние образца (изделия) заданных формы и размеров с соответст­ вующей структурой и свойствами. Совокупность этих операций часто называют консолидацией (термин М.Ю. Балынина). При­ менительно к наноматериалам консолидация должна обеспечить практически полное уплотнение с сохранением наноструктуры материала (размер зерен не более 100 нм).

Наноматериалы подразделяют на консолидированные нано­ материалы, нанополупроводники, нанополимеры, нанобиома­ териалы, фуллерены и тубулярные наноструктуры, нанопористые материалы, катализаторы. Это разделение условно, так как