Технология конструкционных материалов

7.5. Технология изготовлениядисперсно-упрочненных КМ

Дисперсно-упрочненные КМ относятся к классу порошковых КМ. Упрочняющей фазой являются дисперсные частицы (оксиды, кар­ биды, нитриды) размером менее 0,1 мкм с объемной долей до 15 %. Методы получения дисперсно-упрочненных КМ: механическое и химическое смешивание порошков, поверхностное или внутреннее окисление, механическое легирование.

Поверхностное окисление металла упрочнителя осуществляют при распылении жидкого металла в контролируемой окислительной ат­ мосфере. Внутреннее окисление заключается в контролируемом окис­ лении порошков низколегированных твердых растворов. Окисляется компонент, имеющий большее сродство к кислороду, при температуре, обеспечивающей необходимую скорость диффузии кислорода. Сред­ ний размер упрочняющей фазы составляет 0,01...0,02 мкм.

Смешиванием получают порошковые смеси, содержащие матрич­ ные и дисперсные упрочняющие частицы, которые подвергают прес­ сованию в металлических пресс-формах, изо- и гидростатическому прессованию или прокатке. Высокоплотные изделия получают спе­ канием при нагреве до (0,7...0,9) Тт и выдержке в защитной атмо­ сфере или вакууме. Возможно совмещение процесса прессования и спекания (горячее прессование), а также горячая экструзия и прокат­ ка. Горячее прессование осуществляют при нагреве до (0,5...0,8) 7^ матричного материала. Горячая экструзия позволяет получить беспористую деталь при давлении 1000... 1400 МПа. Горячую прокатку ведут с обжатием за проход 10... 15 % при суммарном обжатии 40...60 %.

Дисперсно-упрочненные КМ применяют для изготовления изде­ лий, работающих в условиях повышенных температур.

7.6. Технология изготовления слоистыхКМ

Слоистые материалы в виде листов, труб, прутков, лент, заготовок из­ готавливают прессованием, прокаткой, волочением, центробежным литьем, диффузионной сваркой, сваркой взрывом, пайкой и склеива­ нием из исходных компонентов. Соединение компонентов по боль­ шой площади контакта требует при жидкофазном методе смачивае­ мости компонентов, при твердофазном методе — определенного давления и температуры для протекания диффузионных процессов и определенного времени выдержки.

Глава 8

ПОРОШКОВАЯ МЕТАЛЛУРГИЯ

8.1. Производство металлическихпорошков

Сущность порошковой металлургии заключается в производстве по­ рошков и изготовлении из них изделий, покрытий или материалов многофункционального назначения по безотходной технологии. По­ рошки получаютиз металлического и неметаллическогосырья, а также вторичного сырья машиностроительного и металлургического произ­ водства. Технологический процесс производства и обработки изделий и материалов методами порошковой металлургии включает получение порошков, их формование в заготовки, спекание (температурную об­ работку) и при необходимости окончательную обработку (доводку, ка­ либровку, уплотняющее обжатие, термообработку).

Способы производства порошков подразделяют на механические (без изменения химического состава исходных материалов), физико­ химические и комбинированные. Механическое измельчение компакт­ ных материалов осуществляют путем дробления, размола или исти­ рания в специальных агрегатах-мельницах (вихревых, планетарных, центробежных, шаровых, вибрационных, вращающихся и т. д.). К ме­ ханическим способам относят также диспергирование (распыление) порошков из расплавов. Распыление струи расплава осуществляют газовым потоком, потоком воды, под действием центробежных сил.

Физико-химическиеметоды получения порошков связаны с измене­ нием химического состава исходного материала в результате физико­ химических превращений. Металлические порошки получают восста­ новлением металлов из оксидов, солей, ангидридов активным вещест­ вом (водородом, магнием, алюминием, кальцием, углеродом, оксидом углерода). Восстановление осуществляют в твердом состоянии, паро­ газовой фазе, из расплава, в плазме. Металлические порошки получа­ ют также электролизом водных растворов или расплавов, термической диссоциацией (разложением) карбонадов металлов, термодиффузион­ ным насыщением, методом испарения — конденсации. Композици­ онные порошки получают механическим легированием в энергоемких размольных агрегатах — аттриторах, вибромельницах.

Поведение металлических порошков при формовании и спека­ нии определяется свойствами порошков, их химическим и фазовым составом. Физические свойства порошков определяются размером, формой и состоянием поверхности частиц, их плотностью, микро­ твердостью, строением кристаллической решетки. Технологические свойства порошков определяются текучестью — способностью запол­ нять форму, насыпной плотностью — массой единицы объема свободно насыпанного порошка, прессуемостъю — способностью уплотняться под действием нагрузки, реологическими свойствами, характеризуе­ мыми прочностью сцепления частиц, спекаемостью — способностью образовывать прочное соединение между частицами в результате термической обработки (спекания).

8.2. Формованиепорошков

Формование —это технологическая операция получения изделия или заготовки заданной формы, размеров и плотности обжатием сыпучих материалов (порошков). Уплотнение порошка осуществляют прес­ сованием в металлических пресс-формах или эластичных оболоч­ ках, прокаткой, шликерным литьем суспензии и другими методами. Способ подготовки порошков к формованию выбирают исходя из технологических характеристик порошка, метода формования и по­ следующей термообработки (спекания), требуемых свойств в усло­ виях эксплуатации.

Для металлических порошков основными подготовительными опе­ рациями являются отжиг, просеивание по фракциям и смешивание. Отжиг проводят для повышения пластичности и прессуемости по­ рошков в защитной среде при температуре (0,4...0,6)7’Ш1металла. На­ пример, медный порошок отжигают в потоке восстановительного га­ за при 350...400 °С, а железный — окислительного при 650...750 °С. Порошки разделяют на фракции по величине частиц с использовани­ ем вибросит. Разделение производяттакже с помощью воздушных се­ параторов и седиментации (разделения жидких смесей). Приготовле­ ние однородной по объему механической смеси осуществляют путем смешивания порошков в специальных смесителях. Для получения ле­ гированных частиц порошка проводят размол смеси порошков осно­ вы и легирующих добавок в размольных агрегатах.

134 Раздел I. Материаловедение

Прессование порошков в металлической пресс-форме под давле­ нием сжатия приводит к уменьшению объема порошка в результате перераспределения частиц, заполнения пустот и пластической де­ формации. Прессование не сопровождается полным устранением пор. Плотность полученной детали-прессовки по объему неравномерна, что обусловлено неравномерностью давления, различием физико­ механических свойств частиц (формы, размера, твердости, насып­ ной плотности), наличием внешнего трения частиц порошка о стенки пресс-формы, межчастичным трением, наличием бокового давления. На стенки пресс-формы передается значительно меньшее боковое давление, чем в направлении прессования, что обусловлено трением между частицами, заклиниванием их, что затрудняет их перемеще­ ние в стороны. После снятия давления, а также при выпрессовке брикета из пресс-формы размеры прессовки увеличиваются (явле­ ние упругого последействия). Для повышения и более равномерного распределения плотности прессовки по высоте используют смазку стенок матрицы пресс-формы, что уменьшает коэффициент внеш­ него и межчастичного трения. Равномерность распределения плот­

улучшает сцепление между частицами, увеличивает скорость диффу­ зии компонентов, облегчает перемещение частиц друг относительно друга. Плохая смачиваемость препятствует уплотнению. Твердая фаза в зоне контакта может растворяться в жидкой, интенсифицируя про­ цессы массопереноса (рис. 8.4, б). Различают системы с нераствори­ мыми компонентами, с ограниченной растворимостью и со значи­ тельной взаимной растворимостью компонентов. Жидкофазное спе­ кание 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)7^ основного компонента. Высокая температура прессования позволяет снизить в несколько десятков раз давление прессования. Время вы­ держки составляет от 15...30 мин до нескольких часов. Горячее прес­ сование применяют для труднопрессуемых порошков с целью полу­ чения высоких физико-механических свойств. Горячепрессованные детали имеют мелкозернистую структуру. Пресс-форму, в которой осуществляют горячее прессование, изготавливают из жаропрочных материалов, а при прессовании тугоплавкихсоединений — из графита, прочность которого с увеличением температуры повышается.

8.4. Свойстваиобластипримененияпорошковых материалов

Антифрикционные пористые материалы изготавливают на основе по­ рошков железа или меди с пропиткой жидкой смазкой (маслом) или с добавками твердой смазки (графит, свинец, дисульфид молибдена, сернистый цинк). Данные материалы обладают высокими триботех­ ническими свойствами, хорошей прирабатываемостью, высокой теп­ лопроводностью, достаточной вязкостью при ударной нагрузке, обес­ печивают низкий коэффициент трения.

К фрикционнымотносят материалы с высоким коэффициентом тре­ ния. Они обладают высокой фрикционной теплостойкостью и корро­ зионной стойкостью. Их изготавливают на основе меди или железа

с металлическими и неметаллическими компонентами для деталей, работающих в масле (75 %) и при сухом трении. Фрикционные изде­ лия состоят из стальной основы и фрикционных накладок, которые припекаются к основе под давлением.

Электротехнические материалы подразделяются на электроконтактные (металлические, металлографитовые, металлооксидные и металлокарбвдные), магнитомягкие (железоникелевые сплавы, сплавы железа с кремнием и алюминием или с хромом и алюминием), магни­ тотвердые (сплавы на основе Fe—Al—Ni(Co), называемые альни, альнико, магнико), магнитодиэлектрики (карбонильное железо, пермал­ лой, альсифер), ферриты (Fe304 с добавками NiO, MgO, MnO, ZnO).

Аморфные материалы, получаемые быстрым (со скоростью 105...106 °С/с) охлаждением расплава (Fe40N40P,0B8O), являются но­ вым классом магнитных материалов, из которых изготавливают маг­ нитные экраны, трансформаторы и электродные приборы.

Спеченные конструкционные материалы изготавливают на основе конструкционной стали (углеродистой, меднистой, кремнистой, молиб­ деновой, хромомолибденовой), титановых и алюминиевых сплавов.

Повышение твердости обрабатываемых заготовок потребовало рас­ ширения диапазона используемых режущих материалов от твердых сплавов, минералокерамических материалов до искусственных алмазов

идругих сверхтвердых материалов, получаемых методами порошко­ вой металлургии.

Твердые сплавы используют в режущих и контрольно-измери­ тельных инструментах, рабочих вставках фильер при волочении, мат­ рицах и пуансонах при штамповке и прессовании. Вмашиностроении

иприборостроении широко применяют армированные твердыми сплавами детали. Например, в текстильной промышленности приме­ няют твердые сплавы для направляющих колец и другихтрущихся де­ талей; в порошковой металлургии твердые сплавы используют для размольных тел и прессового инструмента.

Минералокерамику применяют для получистовой и чистовой обра­ ботки резанием чугунов, закаленных и улучшенных сталей, цветных и тугоплавких сплавов при высоких (до 800 м/мин) скоростях резания. Основу минералокерамики составляет a -модификация А120 3 (элек­ трокорунд) зернистостью до 1 мкм. Плотность кермета (керамики

сметаллической связкой) составляет 3,96 г/см3, твердость — HRA до 92. Оксидокарбидная керамика имеет плотность 4,2...4,6 г/см3 и твердость HRA 92...94.

Эрозионно-стойкие и потеющие материалы обладают комплексом свойств, которые невозможно получитьв сплавах. Они изготавливают­ ся 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 усло­ вия работы вольфрамового или углеродного каркасов.

8.5. Техническая керамика

Техническая керамика — перспективный материал для конструкций, работающих при 1200 °С и выше. Она используется для теплообмен­ ников, деталей двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, для химического и металлургического оборудования, де­ талей бумагоделательных машин, уплотнителей насосов, работаю­ щих в условиях абразивного изнашивания, и т. д.

Конструкционная керамика — это материал на основе тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов, оксидов), которые отли­ чаются высокими температурой плавления, твердостью, модулем уп­ ругости, химически инертны, имеют большой диапазон электриче­ ских и тепловых свойств (от сверхпроводников до диэлектриков, от теплоизоляторов до высокотеплоотводящих материалов), обладают специфическими свойствами (эмиссионными, оптическими, ядерными, каталитическими).

Особенностями керамики является отсутствие макропластической деформации при комнатных температурах и наличие квазипластической деформации при высоких температурах. Керамика имеет высо­ кую стабильность кристаллической решетки, которая обусловлена наличием жестких направленных ковалентных связей. Это определяет низкую концентрацию и подвижностьдефектов, способствуеттормо­ жению диффузионных процессов, затрудняет диффузионно-вязкое течение, ответственное за массоперенос и уплотнение при твердофаз­ ном спекании.

Свойства керамических материалов определяются технологией их изготовления. Низкие технологические характеристики керами­ ки требуют активации порошковых частиц, которые обеспечивают массоперенос при спекании. Горячее прессование, реакционное и