Порошки тугоплавких соединений

Порошки карбидов получаются по реакции:

 

MeO + C = MeC + CO

 

Порошки силицидов получают кремний термическим методом в инертной среде или вакууме:

MeO + Si = MeSi + SiO.

 

Порошки нитридов получают восстановлением оксидов металла углеродом в среде азота или аммиака.

Порошки боридов – восстановлением в присутствии борсодержащих кислот, окислов при высоких температурах.

Основная область применения порошков тугоплавких соединений в абразивных материалах из-за высокой твердости, прочности, химической устойчивости, в виде наплавки, напыления с целью создания износостойких, коррозионно-температуро-эрозионностойких покрытий.

Технология получения деталей из порошков состоит в следующем:

1) получение порошков разными способами;

2) подготовка порошков (восстановление, смешивание, рассев);

3) формование заготовок в прессформах или другим методом (прессование, шликерное литье - водная суспензия порошков заливается в гипсовую форму или изложницу, вода ими поглощается, порошок оседает на стенках формы; после получения требуемых размеров шликер (суспензии) сливают, изделие вялят, сушат, спекают;

4) Спекание заготовок, термообработка, ХТО, закалка с отпуском, ВТМО, НТМО (высоко- и низкотемпературные термомеханические обработки);

5) дополнительные обработки (гальваника, пропитка);

6) мех. обработка.

Формование порошков производится в стальных пресс-формах, имеющих форму изделия; прокатка - между гладкими валками.

Спекание заготовок производится при температурах t^оC =0,7/ 0,9 Т пл. самой легкоплавкой составляющей. Спекание бывает твердофазное без появления жидкости, жидкофазное, жидкофазное с исчезающей жидкостью. С неисчезающей жидкостью спекают материалы на основе Fe, содержащие Cu, P, C; с исчезающей жидкостью - производят магниты, бронзовые и бронзографитовые материалы (Cu-Sn-графит).

Пропитку производят легкоплавкими металлами, сплавами (медь - свинцом, TiC- сталью; W - медью и т.д.).

 

Композиционные материалы и детали из них

Армированные конструкционные материалы – это композиционные материалы (КМ), состоящие из пластичной основы (матрицы) и различных специальных компонентов (порошков, волокон, тонкой стружки). Матрица может быть металлической, полимерной, неорганической, из металлопластиков, боропластиков, углеродопластиков. Волокна изготавливаются из стекла, углерода, W, Mo, Be, борсика, бора, карбида Кремния, кварца, окиси алюминия, металлической проволоки, нитевидных кристаллов.

Работы по созданию армированных КМ ведутся с металлами (Al, Mg, Ti, Cu, Ni, Co) для самолетостроения, космической техники.

 

Дисперстно –упрочняемые материалы (ДМ)

ДМ – технология – это упрочнение металлической матрицы тонкими включениями частиц 0,01-0,05 мкм тугоплавких соединений (оксидов, нитридов, карбидов и др.) в количествах 5-15% веса упрочняемого материала.

Наибольшее применение ДМ нашли на основе Al, Be, W, Fe, Lu, Co, Cu, Ni, Sn, Pt, Pb, Ag, U, Cr, Zn, Zr. Распространеным ДМ являются САП (спеченная алюминиевая пудра). САП имеет высокую прочность, жаропрочность (500-550^оС). Дисперсноупрочняющиеся материалы сохраняют работоспособность до 0,9-095 Тпл. матрицы.

Область применения ДМ: Mg, Al матрица в авиации, Be матрица - авиация, атомная промышленность, W - электровакуумная техника, Au - прецизионные приборы, агрессивные среды, Co - конструкции газовых турбин, Cu - ротора двигателей, контакты и т.д., Ni - авиация, работа при температурах выше 1000^оС, Pt - химпромышленность, стекловолокно, редкие металлы; Pb - ядерная техника, химпромышленность; Ag - электротехника, U - атомная техника, Cr - авиация, Zr - реакторостроение и т.д.

 

Износостойкие материалы

Конструкционные детали, работающие в условиях интенсивного износа - шестерни, звездочки, храповики, кулачки, детали втулочных цепей, детали текстильных машин и т.д. Материалы для их изготовления должны иметь высокую прочность, пластичность, износостойкость, низкий коэффициент трения. Структура материала должна быть гетерогенной, не изменяться в процессе трения. Поверхностный слой не должен наклёпываться. В состав следует вводить вещества - твердые смазки (MoS, фториды и др.).

К таким материалам относятся ЖЧ25Х3, ЖЧ20Х3, Fe-FeCr, Fe-FeMn, Fe-FeTi и др., металлостеклянные материалы: нержавеющие стали, титан, бронзы пропитанные Sn, Pb, Mg, Ag, Ga, Cd, Jn и др.; металлы + твердые смазки.

 

Материалы для конструкций машин

60% порошков расходуется на эту группу изделий: шестерни, звездочки, кулачки, корпуса, кольца, крышки, фланцы, детали замочных механизмов, державки резцов, детали приборов и автоматики и т.д. Этими порошковыми деталями заменяют стали, чугуны, цветные металлы, материалы со спец свойствами (твердые, жаропрочные, коррозионно-стойкие, магнитные, определенным удельным весом). Детали можно изготавливать из любых материалов в зависимости от степени нагруженности деталей, необходимой прочности, пористости. Эти материалы обычно имеют малую пористость.

Процесс изготовления порошковых конструкционных материалов включает следующие операции:

а) приготовление шихты (рассев, смешивание);

б) формование (холодное, горячее; прерывистое, непрерывное; одностороннее и 2-х стороннее; пакетное, вибрационное, гидростатическое, центробежное, ударное, взрывное, электрогидродинамическое, электромагнитное, шликерное литье, прессова ние, штамповка, прокатка, накатка порошка, мундштучное прессование;

в) высокотемпературная и дополнительные специальные обработки (спекание, термообработка, ХТО, закалка с отпуском, ВТМО, НТМО.

Формование производится в специальных пресс-формах для холодного, горячего прессования, допрессовки и калибровки из инструментальных штамповых сталей.

Детали изготавливаются из сталей разных марок, сплавов черных и цветных металлов.

Методы порошковой металлургии позволяют в максимальной степени экономить материальные ресурсы, трудозатраты, повышать качество продукции, обеспечивая высокие эксплуатационные свойства. Часто порошковые конструкционные материалы по своим уникальным свойствам не имеют аналогов.

 

Керамико-металлические материалы

Они способны работать при повышенных температурах, напряжениях и скоростях. Керметы подразделяются на группы: оксид-металл, карбид-металл, нитрид-металл, борид-металл. Металлическая матрица объединяет твердые частицы в Кермете в единый композиционный материал, обеспечивая прочность, пластичность. Свойства Керметов зависят от матрицы и наполнителя. Эти материалы разрабатывались для высокотемпературного применения в двигателях - газовых турбинах, реактивных двигателях, а также в качестве инструментальных, огнеупорных и антифрикционных материалов, в атомной энергетике, чехлов для термопар, тиглей.

Керамические фазы: B, C - графит, C - алмаз, TiBr, VBr, CrBr, NbBr, HfBr, MoBr, TaBr, WBr, BrC; SiC, TiC, VC, NbC, TaC, WC; BN, AlN, Si₃ N₄, TiN, VN; BeO, MgO, Al₂О₃, SiO₂ и др.

Смешиваемые материалы должны иметь хорошую адгезию, термодинамическую совместимость (не должно образовываться химических соединений, полного растворения друг в друге). Термомеханическую совместимость (близкие коэффициенты объемного расширения).

Керметы спекают, как правило, при температурах выше t пл. металла матрицы. Пористые керметы можно также пропитывать металлическим, керамическим, полимерным расплавом, опуская в жидкую ванну. Спекание происходит в восстановительной атмосфере H₂, CО.

 

Антифрикционные материалы

А-Фр. материалы используются для изготовления подшипников скольжения, распорных втулок, колец, шайб, подпятников и т.п., вместо дефицитных подшипниковых сплавов из цветных металлов, подшипников скольжения, качения и т.д. Экономятся цветные металлы, трудозатраты на мех. обработку, с/стоимость изделия, увеличивается срок службы изделий, которым можно придать неповторимые, уникальные свойства. В основном А-Фр материалы изготавливаются из порошков железа, меди, алюминия, титана и их сплавов; в качестве твердой смазки присаживают графит, сульфиды, фториды, фторпласты. Наличие жидкой и твердой смазки обеспечивает хорошую работу подшипников в условиях ограниченной смазки, повышенных температурах, нагрузках, скоростях в присутствии агрессивных сред, в вакууме и т.д. Подобные материалы применяются во всех отраслях народного хозяйства.

Изготовление антифрикционных материалов происходит по классической технологии получения порошковых изделий, но добавляются переделы для:

а) пропитки пористых изделий маслом, серой, суспензией твердой смазки, фторидами, сульфидами и т.д.;

б) калибрование;

в) механическая обработка.

Пористость антифрикционных изделий 15-30%.

Широкое применение нашло изготовление 2-х слойных материалов для подшипников: на стальную ленту наносят порошки бронз, баббитов, прессуют, термообрабатывают, пористый слой пропитывают фторпластами, смолами, полимерами, в состав которых входят порошок Mo₂ S, S.

Изготавливаются антифрикционные материалы на основе:

а) меди: пористая оловянистая бронза; бронзографитовые материалы; свинцовистая бронза; спеченные латуни; меднографитовые материалы;

б) железа: пористое железо; железографит; железо-медь; железо-медь-графит; железо-медь-графит-фосфор; железо-графит-молибден; железо-фторидо- хлориды; железо- медь-сурьма-свинец-цинк;

в) никеля и кобальта с добавками Be, B, SiC, BrC, TiC, WC, MoB_2, ZrB₂, и введением Pb, графита, фторида;

г) алюминия и других легких материалов: они легки, имеют высокую коррозионную стойкость, низкую стоимость. Их легируют Cu, Pb, Si, вводя фториды K, Na, Li, Ca, Mg, для работы при повышенных температурах добавляют WC, TiC, Cd, Ni, Cr;

д) тугоплавких металлов:BC, TiC, WC, NbC, TaC, SiC, и других, вводят в смесь Fe-C, Fe Ni, Cu, бронзы, латуни, Cr-Co, Al Ag;

е) металлографитовых материалов;

ж) пористых металлических каркасов, которые пропитываются фторпластами. Пористый каркас готовится из бронз;

и) металлостеклянных материалов. Это Fe - C + 6% стеклянного порошка.

В связи с большим разнообразием работы узлов трения порошковиками создано много материалов различного назначения для работы в узлах трения со смазкой, без смазки, в вакууме, при высоких и низких температурах, при высоких скоростях, при высоких контактных нагрузках, при смазке водой, при работе в коррозионных средах и т.д. Созданы материалы для скользящих токосъемников, контактов, разрывных контактов, поршневых колец.

 

Фрикционные материалы

Они идут на изготовление тормозных (фрикционных) устройств, тракторов, автомобилей, авиации и т.д., определяют надежность, долговечность и безопасность. Новые Фр. М. идут на изготовление фрикционных узлов с высокой энергоемкостью, высоким и стабильным коэффициентом трения, высокой износостойкостью и термостойкостью. Они изготавливаются в виде лент, дисков, конусов, накладок, колодок различной конфигурацией. Это обычно стальной несущий каркас, облицованный с одной или двух сторон слоем спеченного фрикционного материала, который состоит из основного металла (материала) и компонентов улучшающих механические, теплофизические свойства и повышающих сопротивление материала охватыванию и коэффициент трения пары.

Тормозные механизмы бывают:

1) слабонагруженные (тракторы, станки и т.д.);

2) средненагруженные (промышленный транспорт, штамповочные и чеканочные прессы);

3) тяжелонагруженные (самолеты, гоночные машины, силовые трансмиссии).

Технология изготовления следующая:

– выбор порошков;

– подготовка и дозировка порошков;

– подготовка несущих конструкций;

– смешивание компонентов шихты;

– прессование;

– спекание;

– отделка (шлифовка нарезка канавок и т.д.);

– механические испытания (на прочность, износостойкость, отрыв от каркаса, при высоких и низких температурах).

Основными материалами являются смеси на железной и медной основах, работающих в разных условиях:

– в условиях сухого трения ФМК 8,11,5ОК, СМК 50 в тяжелонагруженных тормозах на железистой основе; МК - 5 на основе меди;

– в условиях жидкой смазки МК-5-на медной основе; ФАБ, РАОБ - на основе алюминиевой оловянистой бронз; Cu-Sb - графит - PbS; Cu - Sn-Pb-Fe - графит - SiO - MoS.

Пористость фрикционных материалов – 10 - 13%. Фрикционные материалы работают с контртелами, которые изготавливаются из сталей, чугунов высокого качества. (65Г, 60Г ХН, Cr 20, ЧНМХ, ЧНМ и другие. Материалы, обеспечивающие высокий коэффициент трения, это асбест, SiO, BC, SiC, TiC, Al₂O_3, Cr₃ C, Cr₂O _3, и другие.

Твердые смазки, предотвращающие микросхватывание при торможении и снижающие износ это Pb, Sn, Bi, графит, сульфиды Ba, BN и другие.

 

Магнитные материалы

Магнитные материалы из порошков широко применяются во всех областях науки и техники. Из порошков изготавливаются материалы, которые невозможно получить в процессе плавки.

ПММ применяются в электротехнике, радиотехнике, системах автоматики и телемеханики и т.д.

Изготавливаются магнитомягкие материалы с максимальной магнитной проницаемостью, минимальными коэрцитивной силой, потерями на гистерезис и вихревые токи из железного порошка, кремния, фосфора, алюминия и др. материалов. К ним относятся спеченное чистое железо, железо-кремний-алюминий, железо-фосфор, железо-никель (пермаллой).

Магнитотвердые материалы должны иметь максимальную остаточную индукцию B, коэрцитивную силу H, магнитную энергию W. К ним относятся альнико (Al-Ni-Co-Fe), сплавы Mn-Al, Fe-Cr-Co, Pt-Co, Pt-Pb-Co, Co - P3M.

Рекордными магнитными характеристиками обладают сплавы Co-P3M.

 

Огнеупорные материалы

Они должны обладать высокими электроизоляционными свойствами, выдерживать высокие температуры, химически не взаимодействовать с металлом, шлаком, газовой средой, электрическими нагревателями.

Огнеупоры изготавливают из оксидов, бескислородных тугоплавких соединений, углеродных материалов, графита.

Оксидные огнеупоры: шамотные, высокоглиноземистые, динасовые, периклазовые, хромитовые, циркониевые, периклазохромитовые, бериллиевые и т.д.

Карборундовые огнеупоры (SiC) на алюмосиликатной связке, на связке нитрида кремния и органической связке.

Углеграфитовые материалы и графит имеют повышенную огнеупорность. Их изготавливают из нефтяного кокса, пека.

 

Термоэлементы

Электронагреватели применяют в различных печах, радио и телевизионной технике, термоэлектродов термопар, термоэлектрических преобразователях энергии, термометрах сопротивления, компенсаторах.

Они могут использоваться до температур 2500-3500^оС. Изготавливаются они из карбида кремния (SiC), дисилицида молибдена (MoSi₂).

Термопары, ветви которых изготовлены из металлической проволоки металлов (медь-констонтан, хромель - алюмель) пригодны для замера температур до 800-900^о С; Pt - PtRo, Pt-PtJr, W-Mo - для замера температур до 1800-2200^о С.

Термопары и термоэлементы из тугоплавких соединений обычно состоят из центрального стержня (внутренний полуэлемент) и цилиндрического колпачка (внешний полуэлемент). Можно замерять температуру до 2500^о С.
(это C/TiC; C/ZrB; C/NbC; Zr B₂/ZrC и т.д.).