Краткая характеристика композиционных порошковых материалов

Порошковой металлургией получают различные конструк­ционные материалы для изготовления заготовок и готовых деталей. Большое применение находят композиционные материалы со спе­циальными физико-механическими и эксплуатационными свой­ствами.

Из антифрикционных металлокерамических материалов изготов­ляют подшипники скольжения для различных отраслей промыш­ленности. В антифрикционных материалах с пористостью 10—35 % металлическая основа является твердой составляющей, а поры, заполняемые маслом, графитом или пластмассой, выполняют роль мягкой составляющей. Пропитанные маслом пористые подшипники способны работать без дополнительного смазочного материала в те­чение нескольких месяцев, а подшипники со специальными «карма­нами» для запаса масла — в течение 2—3 лет.

Для пористых антифрикционных материалов используют железо-графитовые, железо-медно-графитовые, бронзографитовые, алюминиево-медно-графитовые и другие композиции. Процентный состав этих композиций зависит от эксплуатационных требований, предъ­являемых к конструкциям деталей.

Фрикционные композиционные материалы представляют собой сложные композиции на медной или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и различных оксидов. Для уменьшения износа в компози­ции вводят графит или свинец. Фрикционные материалы обычно применяют в виде биметаллических элементов, состоящих из фрик­ционного слоя, спеченного под давлением с основой (лентой или диском). Коэффициент трения по чугуну для фрикционных материа­лов на железной основе 0,4 –0,6. Они способны выдерживать тем­пературу в зоне трения до 500 – 600 °С. Применяют фрикционные материалы в тормозных узлах и узлах сцепления (в самолетострое­нии, автомобилестроении и т. д.).

Из высокопористых материалов изготовляют фильтры и другие детали, В зависимости от назначения фильтры выполняют из по­рошков коррозионно-стойкой стали, алюминия, титана, бронзы и других материалов с пористостью до 50 %. Металлические высоко­пористые материалы получают спеканием порошков без предвари­тельного прессования или прокаткой их между вращающимися валками при производстве пористых лент. В порошки добавляют ве­щества, выделяющие газы при спекании.

Металлокерамические твердые сплавы характеризуются высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Поэтому из них изготовляют режущий и буровой инструменты, их наносят на по­верхность быстроизнашивающихся деталей и т. п. Твердые сплавы изготовляют на основе порошков карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC). В качестве связующего материала применяют ко­бальт. Процентное соотношение указанных материалов выбирают в зависимости от их назначения.

Порошковой металлургией изготовляют алмазно-металлические материалы, характеризующиеся высокими режущими свойствами. В качестве связующего для алмазных порошков применяют металли­ческие порошки (медные, никелевые и др.) или сплавы.

Из жаропрочных и жаростойких материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Эти материалы должны иметь высокую жаропрочность и стойкость против окисления. Металлические сплавы на основе никеля, титана, тантала, вольфрама и других элементов удовлетворяют этим требованиям при работе до температур 850—900 °С. При более высоких температурах (до 3000°С) можно использовать тугоплавкие и твердые соединения типа оксидов, карбидов, боридов и др.

Порошковую металлургию широко применяют для получения материалов со специальными "электромагнитными свойствами (постоянные магниты, магнитодиэлектрики, ферриты и т. д.).

В последнее время значительно возрос объем применения так называемых компактных конструкционных материалов, получаемых из порошков самых различ­ных металлов и сплавов. В связи с высокой плотностью механические свойства их практически не снижаются, а отдельные эксплуатационные свойства значительно увеличиваются. Например, спеченный алюминиевый порошок (САП) в своем составе содержит до 15% оксидов алюминия, которые в виде тонкой пленки покрывают зерна алюминия и образуют в спеченном материале непрерывный каркас. Такая структура придает материалу высокую теплостойкость. Этот материал может дли­тельное время работать при температурах до 600 °С. САП по сравнению с обычным алюминием имеет более низкий температурный коэффициент. Применяют САП для изготовления компрессорных лопаток, поршней, колец для газовых турбин и т. д. Перспективно применение компактных конструкционных материалов в условиях крупносерийного и массового производствах деталей сложной конфигурации не­больших размеров.

В современной технологии композиционных материалов все большее место занимают волокнистые материалы, представляющие собой композицию из мягкой матрицы (основы) и высокопрочных волокон, армирующих матрицу. Материалы, упрочненные волокнами, характеризуются высокой удельной прочностью, а также могут иметь малую теплопроводность, высокую химическую и термическую стой­кость и т. п. Для получения композиционных материалов используют различные волокна: проволоки из вольфрама, молибдена, волокна оксидов алюминия, бора, карбида кремния, графита и т. п. – в зависимости от требуемых свойств создава­емого материала. Вопросами исследования и создания волокнистых материалов занимается новая, быстроразвивающаяся отрасль порошковой металлургии – металлургия волокна

Приготовление смеси и формообразование заготовок

Процесс приготовления смеси включает предварительный отжиг, сортировку порошка по размерам частиц (рассев) и смешение.

Предварительный отжиг порошка способствует восстановлению оксидов и снимает наклеп, возникающий при механическом измель­чении исходного материала. Отжиг проводят при температуре, рав­ной 0,5 – 0,6 температуры плавления, в защитной или восстанови­тельной атмосфере.

Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по груп­пам просеиванием на ситах, а более мелкие порошки — воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические при­садочные материалы различного назначения: пластификаторы (па­рафин, стеарин, одеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовок высокого качества; легкоплавкие материалы, улучшающие процесс спекания; различные летучие вещества для получения деталей с заданной пористостью. Подготов­ленные порошки смешивают в шаровых, барабанных мельницах и других смешивающих устройствах.

Заготовки из металлических порошков формообразуют прессо­ванием (холодное, горячее, гидростатическое) и прокаткой.

При холодном прессовании в пресс-форму 2 (рис. 97, а) засы­пают определенное количество подготовленного порошка 3 и прес­суют пуансоном 1. В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается пористость, деформируются или разрушаются отдельные частицы. Прочность получаемой заготовки обеспечивается в основном силами механического сцепления частиц порошка. С увеличением давления прессования прочность заготовки возрастает. Давление распределяется неравномерно по высоте прес­суемой заготовки вследствие влияния трения порошка о стенки пресс-формы, в результате чего заготовки получаются с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от размеров и сложности прессуемых заготовок применяют одно - и двустороннее прессование.

Односторонним прессованием получают заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением наружного диаметра к толщине стенки меньше трех. Двустороннее прессование (рис. 97, б) применяют для формо­образования заготовок сложной формы. В этом случае требуемое дав­ление для получения равномерной плотности снижается на 30 – 40%. Давление прессования зависит от требуемой плотности, формы прес­суемой заготовки, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет в десятки раз уменьшить необходимое давление.

В процессе прессования частицы порошка подвергаются упругим и пластическим деформациям, в результате чего в заготовке накап­ливаются значительные напряжения. После извлечения из пресс-формы заготовки размеры ее изменяются за счет упругого последействия.

При горячем прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки. Температура горячего прессования составляет обычно 0,6—0,8 температуры плавления порошка. Благодаря нагреву процесс уплотнения протекает гораздо интенсивнее, чем при обычном прессовании. Это позволяет значи­тельно уменьшить необходимое давление прессования. Горячим прессованием получают материалы, характеризующиеся высокой прочностью, плотностью и однородностью структуры. Этот метод применяют для таких плохо прессуемых и плохо спекаемых компо­зиций, как тугоплавкие металлоподобные соединения (карбиды, бориды, силициды и т. д.). Для изготовления пресс-форм используют, как правило, графит. Низкая производительность, малая стойкость пресс-форм (10 – 12 прессовок), необходимость проведения процесса в среде защитных газов – все это ограничивает применение горя­чего прессования и обусловливает его использование только в тех случаях, когда другие методы порошковой металлургии не обеспе­чивают заданных эксплуатационных свойств.

Гидростатическое прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких тре­бований по точности. Сущность процесса (рис. 98) заключается в том, что порошок 3, заключенный в эластичную оболочку 2, под­вергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах 1. Отсутствие внешнего трения способ­ствует получению заготовок равномерной плотности и снижению требуемого давления. В качестве рабочей жидкости используют масло, воду, глицерин и др. Гидростатическим прессованием получают са­мые разнообразные по форме и размерам заготовки.

При газостатическом прессовании в качестве рабочей среды, создающей давле­ние прессования, используют газ, нагретый до температуры спекания порошков. В этом случае процессы формообразования и спекания заготовок технологически совмещаются.

Выдавливанием изготовляют прутки, трубы и профили различ­ного сечения. Сущность процесса получения заготовки заключается в выдавливании порошка через калиброванное отверстие пресс-формы. В порошок добавляют пластификатор в количестве до 12 % массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и умень­шающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготов­ляемой детали зависит от формы калиброванного отверстия пресс-формы. Полые профили получают с применением рассекателя. В ка­честве оборудования используют механические и гидравлические прессы.

Прокатка – один из наиболее производительных и перспектив­ных способов переработки порошковых материалов. Порошок (рис. 99, а) непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между вал­ками. При вращении валков 3 происходит обжатие и вытяжка по­рошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Процесс про­катки может быть совмещен со спеканием и окончательной обработкой получаемых заготовок. В этом случае лента проходит через печь для спекания, а затем снова подвергается прокатке с целью придания ей заданных размеров. Ленты, идущие для приготовления фильтров и антифрикционных изделий не подвергают дополнительной про­катке. Число обжатий, необходимое для получения беспористой ленты, зависит от пластичности композиции и параметров прокатки.

Прокаткой получают ленты из различных материалов (пористых, твердосплавных, фрик­ционных и др.). Применяя бункеры с пере­городкой (рис. 99, б), изготовляют ленты из различных материалов (двухслойные).

Прокаткой из металлических порошков из­готовляют ленты толщиной 0,02 – 3 мм и шириной до 300 мм. Применение валков опре­деленной формы позволяет получить прутки различного профиля, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 до нескольких миллиметров.

Рис. 99. Схема прокатки порошков