Основы технологии порошковой металлургии

Материалов

Основы технологии производства композициопных

КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ

Композиционные материалы (КМ), или композиты — искусственно созданные материалы, состоящие из двух или более разнородных и нерастворимых друг в друге компонентов (фаз), соединяемых между собой физико-химическими связями.

Большое значение замены композиционными материалами металлов и других конструкционных материалов состоит в том, что их можно создавать с различными свойствами, причем как равными, так и неравными во всех направлениях материала.

Создание изделий из композитов является примером единства конструкции и технологии, поскольку материал, спроектированный конструктором, образуется одновременно с изделием при его изготовлении, и свойства КМ в значительной мере зависят от параметров технологического процесса.

Свойства композиционных материалов зависят от свойств их компонентов. Одним из этих компонентов является арматура, или наполнитель, а вторым — связывающая их матрица.

Матрица в КМ выполняет функцию среды, в которой распределен наполнитель. Наполнитель в композиционных материалах воспринимает основные напряжения, возникающие в композиции при действии внешних нагрузок, придавая ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон. Работоспособность композита обеспечивается как правильным выбором и сочетанием матрицы и наполнителя, так и рациональной технологией их совмещения, призванной обеспечить прочную связь между ними.

В качестве матрицы в композиционных материалах используют эпоксидные, кремнийорганические, полиэфирные и другие смолы, а также алюминий, магний, титан, никель, жаропрочные сплавы, керамику, углерод различной модификации. Тип материала матрицы определяет общее название композиционного материала. Например, композиционные материалы с полимерной матрицей называют полимерными (ПКМ), с металлической — металлическими (МКМ), с углеродной — углеродными (УКМ) и т.д.

Формирование изделий из полимерных композиционных материалов (ПКМ) может осуществляться методами как присущими формированию изделий из полимеров (литье под давлением, экструзия, прессование и др.), так и специальными (намотка и др.), характерными только для данного класса материалов.

Намоткой называют процесс формирования, при котором заготовки получают укладкой по заданным траекториям формирующего наполнителя (нитей, лент, тканей), обычно пропитанного полимерным связующим, на вращающиеся технологические оправки. Оправки имеют конфигурацию и размеры, соответствующие внутренним размерам изготавливаемой детали. Намоткой изготовляют конструкции, имеющие форму тел вращения или близкую к ней: трубы, баки, емкости, короба, стержни и т.д.

К полимерным композиционным материалам относят следующие.

Стеклопластики — самые дешевые из всех ПКМ, поэтому их применение оправдано в серийном и массовом производстве. В настоящее время их используют в судостроении (корпуса лодок, катеров, речных и морских судов), в строительстве и химической промышленности (строительные панели, воздуховоды, реакционные аппараты, различные емкости, химически стойкие и прочные трубы, корпуса насосов, вентиляторов и т.д.), в автомобильном и железнодорожном транспорте (кабины грузовиков, баки для горючего, цистерны для перевозки жидких и сыпучих грузов, приборные панели и др.).

Органопластики характеризуются низкой плотностью, высокими прочностью, жесткостью, влаго- и химической стойкостью. Диэлектрические и теплофизические свойства определили их применение в качестве материалов электро- и коррозий-ностойкого, фрикционного назначения, а также в производстве спортинвентаря.

Углепластики применяют в автомобильной и химической промышленности, производстве авиационной техники, спортинвентаря. Биологическая совместимость углеродного волокна с тканями позволяет использовать углепластики для протезирования, в медицинских приборах.

В металлических композиционных материалах (МКМ) матрицей являются металлы и их сплавы, а наполнителем — металлические и неметаллические волокна.

МКМ получают различными методами в зависимости от их формы и назначения.

Метод прокатки — наиболее производительный способ производства листовых, ленточных МКМ (рис. 15.1).

Жидкофазный метод предусматривает получение МКМ совмещением армирующих волокон с расплавленной матрицей (рис. 15.2).

Метод осаждения-нанесения состоит в нанесении на волокна различными способами (газофазными, химическими, электролитическим, плазменным) матричного материала и заполнении им межволоконного пространства. Наиболее широкое применение получил метод плазменного напыления, при котором материал матрицы в виде порошка или проволоки подводится к плазменной струе, расплавляется и, подхваченный потоком плазмообразующего газа (например, аргона), направляется к поверхности изделия (рис. 15.3). Двигаясь с большой скоростью (150 м/с), частицы материала при ударе о поверх-

ность подложки (металлическая фольга) прочно соединяются с уложенными на ней определенным образом волокнами. Полученный МКМ требует дальнейшей обработки давлением.

Металлические композиционные материалы применяют в таких областях, где они должны находиться в агрессивных средах, при статических, циклических, ударных, вибрационных нагрузках. Наиболее эффективно применение МКМ в таких конструкциях, особые условия работы которых не допускают применение традиционных материалов.

Керамические композиционные материалы (ККМ) — материалы, в которых матрица состоит из керамики, а арматура — из металлических или неметаллических наполнителей.

Керамические материалы характеризуются высокими температурами плавления, высокой стойкостью к окислению. При армировании их металлическими углеродными или керамическими волокнами достигается значительное улучшение физико-механических свойств материала. Для получения ККМ используют преимущественно методы порошковой металлургии, гидростатическое и горячее прессование, шликерное, вакуумное литье и др.

Для изготовления ККМ с металлическими наполнителями обычно применяют волокна вольфрама, молибдена, стали, ниобия. Основная цель такого армирования — образование пластической сетки, которая способна обеспечить целостность керамики после ее растрескивания и уменьшить вероятность преждевременного разрушения. Данный вид ККМ изготовляют горячим прессованием. Широкое применение металлических волокон ограничивает их низкая стойкость к окислению при высоких температурах.

При получении ККМ с неметаллическими наполнителями в качестве арматуры применяют углеродные волокна. Взаимо-

действие углерода с оксидами, карбидами, силицидами происходит при более высоких температурах, чем с металлами, поэтому использование таких ККМ в качестве высокотемпературных является перспективным.

Широкое применение находят углеродные композиционные материалы (УКМ), особенно углерод-углеродные (УУКМ), которые представляют собой углеродистую или графитовую матрицу, армированную углеродным или графитовым волокном. Основными достоинствами УУКМ являются высокая теплоемкость, малая плотность, стойкость к тепловому удару и облучению, высокие прочностные и жесткостные характеристики при обычной и повышенной температуре, низкий коэффициент термического расширения.

В заключение следует отметить, что области применения композитов практически неограниченны, и в ближайшие годы надо ждать значительного расширения их использования.

Порошковая металлургия включает производство металлических порошков, а также изделий из них или их смесей и композиций с неметаллами.

С помощью технологии порошковой металлургии решаются две задачи: 1) изготовление материалов и изделий с обычными составами, структурой и свойствами, но при значительно более выгодных экономических показателях их производства; 2) получение материалов и изделий с особыми свойствами, составом, структурой, которые недостижимы при других способах производства.

Технологический процесс порошковой металлургии состоит из трех стадий:

• производство металлических порошков;

• придание порошкообразному материалу требуемой формы (формование);

• спекание заготовки при повышенных температурах.
Часто спеченные детали подвергают дополнительной обра
ботке для улучшения их свойств.

Для производства металлических порошков используют две группы методов: физико-химические (восстановление металла из его соединений, электролиз, термическая диссоциация и др.) и механические (измельчение твердого или распыление жидкого металла).

Одним из наиболее часто применяемых физико-химических методов получения металлических порошков является элек-

тролитический, суть которого заключается в разложении водных растворов соединений выделяемого металла или его расплавленных солей при пропускании через них постоянного электротока и последующем разряде соответствующих ионов металла на катоде. Таким образом получают порошки меди, никеля из сернокислых водных растворов, серебра из азотнокислого раствора.

Механическое измельчение наиболее целесообразно применять при производстве порошков хрупких металлов и сплавов — кремния, бериллия, сурьмы, хрома, марганца, ферросплавов. Размол с получением частиц порядка нескольких десятых или сотых миллиметра проводят в шаровых, вибрационных, молотковых мельницах. Далее порошки на ситах делят на фракции и отправляют в смесители, где происходит перемешивание порошков, отличающихся химическим составом или размером частиц, чем обеспечивается однородность смеси. Используют барабанные, лопастные, центробежные, роторные смесители.

Формование чаще всего осуществляется прессованием порошков в пресс-форме. Простейшая из них состоит из матрицы и двух пуансонов, к одному из которых или к обоим сразу прикладывают усилие, обеспечивающее уплотнение порошка в заготовку.

Прессование зачастую не обеспечивает изготовление многих сложных по конфигурации изделий. Поэтому применяют также и другие методы формования (гидростатический, шликер-ный, импульсный).

Суть гидростатического метода заключается в том, что порошок засыпают в резиновую или эластичную оболочку и помещают в камеру гидростата, в которой жидкостью (вода, масло, глицерин) создают давление. При уплотнении почти отсутствует трение частиц порошка о стенки оболочки, так как те из них, которые прилегают к ней, перемещаются вместе с оболочкой. Плотность заготовки почти однородна во всем объеме. Таким образом получают трубы, шары, турбинные лопатки двигателей и другие изделия сложной формы, масса которых может быть от нескольких граммов до сотен килограммов.

При шликерном формовании концентрированную взвесь порошка в жидкости (шликер) заливают в простую форму. Механизм формования заключается в осаждении частиц на стенках формы под давлением направленных к ним потоков жидкости, которые возникают в результате впитывания жидкости в поры гипсовой формы под влиянием разрежения, создаваемого за перфорированной стенкой стальной формы или пористой стенкой

формы из стеклянного порошка. После извлечения заготовки ее сушат на воздухе или в сушильных шкафах при 110—150 °С.

Импульсное формование отличается очень высокой скоростью приложения нагрузки к порошку. В качестве источника энергии используют заряд взрывчатого вещества, вибрацию, импульсное электромагнитное поле, сжатый газ, поэтому такое формование называется соответственно взрывным, вибрацион-< ным, электромагнитным.

Спекание заготовок обычно осуществляется при температуре, составляющей 70—90 % температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента, входящего в состав материала, при выдержке от нескольких минут до нескольких часов. Наиболее полно и быстро спекание происходит в вакууме.

Хорошие результаты могут быть достигнуты при совмещении операции прессования и спекания. Такой процесс называют горячим прессованием. Он позволяет использовать увеличение текучести металлов для получения малонористых изделий при сравнительно небольших давлениях. Это особенно важно при изготовлении изделий из малопластичных или хрупких компонентов. Для спекания используют печи разнообразной конструкции.

Изделия, полученные методами порошковой металлургии, нашли широкое применение в различных отраслях.

Изделия из порошков тугоплавких металлов и их сплавов (вольфрама, молибдена), тантала, ниобия, циркония нашли применение в производстве осветительных ламп, приборов, электровакуумного оборудования.

Порошки карбидов, боридов, нитридов, обладающих высокой твердостью, жаростойкостью, используют для изготовления изделий электротехники, металлургии, химической промышленности.

Пористые самосмазывающиеся подшипники широко применяются в авиа- и автомобилестроении, химической, атомной и других отраслях.

Расширяется применение фрикционных материалов, обладающих высоким и стабильным коэффициентом трения. Их используют в тормозных устройствах самолетов, тепловозов, тракторов, автомобилей.

Изделия, полученные порошковой металлургией, применяют также для изготовления антикоррозионных покрытий.

Порошковая металлургия обеспечивает экономический эффект за счет снижения расхода материалов, уменьшения трудоемкости (в 2—5 раз) и себестоимости изготовления (в 1,5—2 раза). При получении деталей (заготовок) методами порошковой металлургии отходы металлов составляют всего лишь 2—5 %.

Дата добавления: 2017-01-14