23. Технология и важнейшие свойства композиционных материалов на основе сочетания металлических и неметаллических фаз (керметов).

Для изготовления керметов используют небольшое число металлов. Пригодность применения металла в керметах определяют по следующим его свойствам: температуре плавления, окисляемости, типу структуры, температуре заметного испарения, температурному коэффициенту линейного расширения. Температура плавления металла — показатель возможного температурного предела применения кермета. С этой точки зрения такие элементы, как Si, Ti, Co, Ni, не позволяют создать высокотемпературный кермет, так как температура их плавления сравнительно невелика (1440—1725°С).

Сильная окисляемость ограничивает возможность использования в окислительных средах жаропрочных керметов на связке из тугоплавких металлов W, Мо, Та, Nb.

Такие легко окисляемые, металлы могут работать только в среде, исключающей окисление. Широко применяют в качестве связки в керметах хром, несмотря на большую испаряемость, он имеет высокую температуру плавления (1860^СС) и удовлетворительно сопротивляется окислению при высоких температурах.

Совпадение типа структур металла и керамической фазы способствует образованию и спеканию кермета. Большинство металлов имеет кубическую структуру, совпадающую со структурой многих карбидов, нитридов и боридов, а также некоторых оксидов. Температура начала интенсивного испарения металла определяет температуру возможного применения. Совпадение или близость коэффициентов ТКЛР металлической и неметаллической фаз улучшает термостойкость кермета. Создание керметов на металлической связке ограничено как в отношении tº, так и среды их применения.

Наиболее близки по свойствам и технологии производства к чисто керамическим материалам керметы на основе высокоогнеупорных оксидов с металлической связкой — оксидные керметы. Важнейшее условие образования их прочной и плотной структуры — образование промежуточного соединения (слоя), связывающего обе фазы. Между керамической фазой и металлом не должно происходить активных физико-химических процессов, которые могут существенно ухудшить свойства кермета. Однако на границе фаз протекают некоторые, в основном поверхностные, химические реакции, иногда способствующие образованию прочной связи в кермете:

1) реакции окисления металла-связки за счет кислорода оксидного компонента по типу реакции

Ме'О + Me'' -> Ме''O + Me', например: TiO₂+Zr ->ZrO₂ + Ti;

2) реакции образования нового вещества с участием кислорода воздуха

Ме'О + Me'' + О₂ -> Ме'О*Мe''O₂, например: 2 MgO + Si + O₂ -> 2 MgO*SiO₂.

На поверхности раздела фаз в результате такой реакции может образоваться новое вещество, иногда значительно более легкоплавкое, чем исходные компоненты;

3) образование твердых растворов оксида металла-связки и оксида, представляющего керамическую основу кермета, например Сr₂O₃ в А1₂O₃.

В некоторых случаях образование промежуточных соединений на границе раздела фаз основных компонентов кермета может способствовать его уплотнению и упрочнению. Температура плавления металла, применяемого в качестве связки, не должна существенно отличаться от температуры спекания керамического компонента.

Применяя одни и те же компоненты в разном соотношении, можно получить материалы с различными свойствами и структурой. Если в состав кермета вводят преобладающее по объему количество металла, то структуру и свойства кермета будет в основном определять металл. В структуре наблюдается непрерывная связь по металлу, и в кермете преобладают металлические свойства. Если же в кермете по объему преобладает керамическая фаза, то и свойства будут соответственно ближе к свойствам керамической фазы. Например, такие свойства, как удельное объемное сопротивление, ударная вязкость, термостойкость, резко изменяются в области тех составов, в которых металлическая связка не имеет сплошной цепочки контактов по отдельным зернам, а преобладающая по объему керамическая основа, (более 55—60%) изолирует зерна металла друг от друга.

Изделия из керметов изготовляют всеми методами непластичной технологии, наиболее распространено - прессование пластифицированных масс. Используют все варианты прессования: одноосное в металлических формах, гидростатическое, горячее. В некоторых случаях используют шликерное литье и пластичное формование, но так как металл и керамическая фаза существенно отличаются по плотности, то при литье добавляют вязкие огранические жидкости, задерживающие расслаивание суспензии.

В качестве металлического компонента в керметах чаще всего применяют металлич/ порошки, полученные электролитическим способом. Такие порошки тонкодисперсны (40—60 мкм), их можно применять без дополнительного измельчения. Если требуется более тонкое измельчение, то используют шаровые мельницы, футерованные резиной. Порошки измельчают не в воде, а в орг. растворителях твердосплавными шарами (во избежание окисления металла). Оксидные порошки измельчают мокрым помолом в шаровых мельницах с доследующей очисткой. Смешивают порошки мокрым способом.

При прессовании керметов используют различные пластифицирующие органические добавки. Давление прессования зависит от состава кермета, типа и количества органической связки и достигает 200—300 МПа. Обжигать керметы необходимо в условиях, исключающих окисление: в вакууме в среде нейтрального газа (гелия, аргона) или в чистом водороде. Некоторые керметы обжигают в печах под давлением, что уменьшает разложение карбидов. Для обжига используют печи сопротивления с графитовыми, W или Mo нагревателями, работающие под вакуумом или в среде нейтрального газа. Такие печи обеспечивают температуру 2500—3000°С, достаточную для обжига тугоплавких составов. Режим обжига строго не регламентируется, так как при обжиге не происходят процессы с резкими объемными изменениями, с разложением входящих компонентов. Длительность обжига зависит от температуры, размеров изделия, возможностей печи и составляет обычно несколько часов. В некоторых случаях обожженное изделие подвергают механической обработке после его предварительного обжига при 800—1000°С. Усадка составляет 15—20%.

Кермет, содержащий корунд и хром, обладает хорошими электрофизическими, тепловыми и механическими свойствами. Хорошая термостойкость и сопротивление тепловому удару определили его пригодность для изготовления деталей реактивных двигателей. В керметах «корунд — хром» содержание каждого компонента может изменяться от 30 до 70%. При этом, естественно, будут меняться свойства соответственно увеличению керамического или металлического компонента. Технология изготовления керметов, содержащих корунд и хром, не отличается от обычной схемы. Предпочтительный метод формования — прессование. Обжигают в вакууме или защитном газе при 1650°С.

Керметы типа «оксид алюминия — хром» устойчивы против окисления при температуре до 1200°С, а при кратковременном воздействии до 1500°С они обладают отличной термостойкостью, выдерживая без разрушения до 1000 циклов резкого охлаждения после нагрева до 1050°С.

Керметы можно изготовлять на основе BeO, ZrO₂, MgO, TiO₂, NiO и др. с использованием в качестве металлической связки Fe, Ni, Co, Cr, Mo, W и их сплавов.