5.10. Сплави космічної технології
Плавлення металу в умовах Землі приводить до впливу земного тяжіння та атмосфери. Так, під впливом земного тяжіння не можна досягнути рівномірного розташування по висоті виробу компонентів різної густини. Розплавлений метал взаємодіє з тиглем, з пічними газами, повітрям атмосфери. При формоутворенні залишаються деформовані ділянки, як на поверхні, так і в середині виробу тощо.
В умовах космосу, де діє невагомість та відсутнє повітря, є можливість усунути багато факторів, які діють на Землі. Плавлення металу може здійснюватись без тигля, у глибокому вакуумі, а форма виробу утворюватись за допомогою електричних та магнітних полів.
Завдяки цим умовам з’явилась можливість отримати новий сплав – сплав металу з газами. У невагомості газ добре розчиняється у розплавленому металі. Після кристалізації отримується «металічна губка» з рівномірно розташованими замкнутими газовими бульбашками. Такий сплав може плавати на воді. Це обумовлює перспективу його використання у літакобудуванні, суднобудуванні тощо.
Заслуговує на увагу виготовлення композиційних матеріалів в космосі, матеріалів з протикорозійним покриттям, матеріалів високої чистоти, напівпровідни-кових матеріалів тощо.
3 появою космічної технології виготовлення виробів, з’явилась можливість створення незвичайних деталей. Наприклад, відомо, що порожнисті кулі міцніші суцільних і в 5 – 8 разів довговічніші їх. Але виготовлення їх в умовах землі дуже важко і дорого. В космосі ж це робиться просто. В середину рідкої кулеподібної каплі шприцом вводиться газ, і після кристалізації ідеальна порожниста куля готова. Так можна отримати порожнисті ролики та інші деталі, які будуть міцними та легкими.
5.11. Порошкові матеріали
Виробництво деталей з порошків відноситься до галузі, яка називається порошковою металургією, або металокерамікою. Порошковою металургією можна виготовити матеріали та деталі з них з властивостями, які не притаманні матеріалам, отриманим методом розплаву. Так, можна отримати сплави з металів, які не розчиняються один в іншому, сплави металів з неметалами, пористі сплави, тугоплавкі матеріали, надзвичайно тверді сплави та ін.
Технологія виготовлення деталей та виробів з порошків включає виготовлення порошків, утворення шихти, формоутворення виробів, пресування і спікання.
Порошки з металів отримують механічними або фізикохімічними способами.
Механічні способи полягають у розмеленні металів у спеціальних млинах або розпиленні розплавленого металу струменем газу. Для розмелювання твердих крихких матеріалів використовують кульові, вихрові та вібраційні млини.
Кульовий млин складається зі стального барабану, в який завантажують матеріал для подрібнення, і розмелюючі кулі. При обертанні барабану кулі подрібнюють матеріал на частини неправильної форми розмірами 100 – 1000 мкм. Розмелювання у вихрових млинах більш інтенсивне, ніж у кульових. У камері вихрового млина є два лопатеві гвинти, які обертаються в різні сторони та утворюють потоки повітря, які перетинаються між собою. В камеру завантажують шматочки дроту, стружку, шматочки металобрухту тощо. Потоки повітря захоплюють їх і за рахунок співударяння розмелюють до розмірів 50 – 200 мкм. Отримані частинки мають тарілчасту форму з рваними краями.
Для отримання тонких порошків з крихких карбідів металів і окислів застосовують вібраційні млини. Вони найбільш продуктивні. Їх робота заснована на високочастотній дії на матеріал стальних куль та циліндрів, які здійснюють кругові коливання високої частоти.
Методом розпилення розплавленого матеріалу виготовляють порошки переважно з олова, свинцю, алюмінію, міді, а інколи і сталі. Отримані частинки мають кулеподібну форму і розміри 50 – 350 мкм.
Основними фізико-хімічними методами є хімічне відновлення металів з окислів, електроліз розплавлених солей, карбонільний метод та метод гідрогенізації. При фізико-хімічних методах отримання порошків, на відміну від механічних, відбувається зміна хімічного складу та властивостей матеріалу, який подрібнюється. Але отримані порошки більш тонкодисперсні та чисті, ніж при механічних способах.
Шихту для виготовлення виробу готують за допомогою змішуючих пристосувань. Для кращого змішування в шихту додають спирт, бензин, гліцерин та дистильовану воду. Інколи в процесі змішування вводять технологічні добавки різного призначення: пластифікатори, легкоплавкі присадки, летучі речовини, які дозволяють виготовити виріб із заданою пористістю.
Пресування порошків здійснюють у холодному або гарячому стані прокаткою чи іншими способами.
При холодному пресуванні в матрицю прес-форми засипають шихту і робочим пуансоном стискають суміш. Виймають виріб з прес-форми виштовхуючим пуансоном. При пресуванні частинки порошку перерозподіляються, утворюючи вільну упаковку. Спочатку вони деформуються пружно, а в кінці ущільнюються за рахунок пластичної деформації. Це дає можливість отримати міцне з’єднання між частинками порошків. Пресування може бути одностороннє, двостороннє, гідравлічними пресами, мундштучне пресування, прокаткою, вибухом тощо.
При гарячому пресуванні в прес-формі виріб не тільки формується, але і підлягає спіканню. Його можна здійснювати у вакуумі, захисній атмосфері в широкому інтервалі температур (1200 – 1800oC ) та при меншому тиску, ніж при холодному пресуванні. Стискують порошок переважно після його нагрівання.
При необхідності після виготовлення вироби з порошкових матеріалів доводять до необхідних розмірів, форми, чистоти поверхні шляхом калібрування, обробкою різанням, термічною та хіміко-термічною обробкою, повторним пресуванням тощо.
Способом порошкової металургії виготовляють тверді сплави для виготовлення ріжучого інструменту, матеріали високої твердості, жароміцні та жаростійкі матеріали (кермети), пористі матеріали, електротехнічні матеріали, фрикційні сплави тощо.
Основу твердих сплавів складають карбіди тугоплавких металів, а зв’язуючим елементом – метал залізної групи. Однокарбідні сплави виготовляються з карбіду вольфраму, а зв’язуючим металом є кобальт. Вони позначаються буквами та цифрою – ВК6. Цифра показує вміст кобальту. Двокарбідні сплави крім карбіду вольфраму мають карбід титану. Позначаються – ТІ5К6. У цьому сплаві 15% карбіду титану, 6% кобальту і 79% – карбіду вольфраму. Трикарбідні сплави крім карбідів вольфраму та титану мають карбід танталу, а зв’язуючим елементом є кобальт. Маркуються наприклад, так – ТТ7КІ2. У цьому сплаві сумарна кількість карбідів титану і танталу 7%, кобальту 12%, а карбіду вольфраму 81%.
Ці сплави мають високу твердість (86 – 92 НRА) і червоностійкість (800 – 1000oC). Стійкість різців, які виготовляють з твердого сплаву, в 2 – 5 разів вища, ніж у швидкоріжучих сталей. Швидкість різання досягає 1000 – 2500 метрів за хвилину.
Проте, ці матеріали є крихкими і відносно дорогими, оскільки до їх складу входить вольфрам.
Дороговизна і дефіцитність вольфраму привели до створення сплавів на базі мінералів (карбід бору). Наприклад, створені композиції на основі карбіду бору мають твердість та зносостійкість, яка перевищує в декілька разів твердість сплаву ВК6. На практиці широке застосування знайшов сплав ельбор (40% бору, 50% азоту). Твердість ельбору (85000 – 90000 мПа) близька до твердості алмазу, а червоностійкість досягає 1500oC, тоді як у алмазу 800oC. Однак, він крихкий що обмежує застосування. Ельбор застосовується для виготовлення напайок на різці, для чистової обробки металів, шліфувальних матеріалів тощо.
Із мінералокерамічних сплавів найбільший інтерес викликають мікроліт і термокорунд. Мікроліт (ЦМ-332) має корундову, основу з добавкою окису магнію. Зерна корунда Аl2О3 розміром менше 1 мкм з’єднуються синтетичним склом. Мікроліт широко використовується у волочильному виробництві для виготовлення філь’єр.
З метою зменшення крихкості та збільшення зносостійкості у вироби з мінералокераміки добавляють вольфрам, молібден, титан, нікель (до 10%).
Жароміцні та жаростійкі металокерамічні матеріали виготовляють на основі металоподібних з’єднань перехідних металів (карбіди, бориди, сіліціди, нітриди).
Для роботи при температурах до 1000oC застосовують кермети на базі карбіду титану, для більш високих температур – композиції на базі карбіду бору та кремнію. Добре зарекомендували себе кермети на основі боридів перехідних металів – бороліти. З них виготовляють деталі ракетних двигунів і захисних зносостійких покриттів.
Металокераміку, яка має пористість у межах 15 – 50%, відносять до пористої. З неї виготовляють підшипники ковзання, фільтри, «потіючі» матеріали. У підшипникових матеріалах пори забезпечують доступ мастила до поверхонь тертя, у фільтруючих – не пропускають забруднення, які знаходяться в рідинах, а в «потіючих» дають можливість рідинам поступово випаровуватися, що забезпечує самоохолодження виробів.
Кермети знайшли широке застосування в електротехніці. З них виготовляють електричні щітки для електромашин, контакти, осердя індуктивних котушок, постійні магніти, магнітоприводи тощо. Електроконтактні металокерамічні матеріали виготовляють із суміші порошків тугоплавких металів з міддю, сріблом. Тугоплав-кі метали забезпечують механічні властивості та теплостійкість, а легкоплавкі – електропровідність. Металокерамічні контакти застосовують у магнітних пускачах, теплових реле, регуляторах напруг, апаратах управління тощо.
Для виготовлення фрикційних матеріалів вико рис-товують суміші міді, олова, свинцю та граніту. Їх викорис-товують для виготовлення гальм транспортних засобів, муфт зчеплення тощо.