В., Шлыкова А. В. Технологические процессы машиностроительного
 Скачать 1.89 Mb.
|
|
КПМ из цветных металлов и их сплавов Сплавы на основе цветных металлов нашли широкое применение в промышленности. В России принята варианта буквенно-числовая маркировка порошковых сплавов. Для порошковых металлов: на первом месте стоит бук- венное обозначение матрицы (АЛП – алюминий порошковый, МП – медь по- рошковая, БП – бериллий порошковый), после дефиса ставят процентное со- держание пор. Например, АЛП-2 – алюминиевый, порошковый, поры - 2%. При обозначении порошковых сплавов на первом месте так же ставят обо- значение матрицы (АЛП – алюминиевые сплавы порошковые, БрП – бронза порошковая, ЛП – латунь порошковая), далее ставят буквенное обозначение других компонентов (Д – медь, Ж – железо, Г – марганец …), после дефиса пишут процентное содержание пор и компонентов (например, АЛПЖ12-4 – алюминиевый сплав порошковый, поры – 2%,железа – 10%). В машиностроении широко используют КПМ на основе меди, титана и алюминия. Из сплавов на основе меди изготавливают вкладыши подшипников скольжения (рис. 5.11) и малонагруженные шестерни. Рис. 5.11. Бронзографитовые вкладыши переднего и задне- го подшипников стартера ВАЗ 2110. Спеченный титан и его сплавы используют в виде полуфабрикатов (лист, трубы, пруток). Титановый каркас пропитывают магнием. Такие мате- риалы хорошо обрабатываются давлением. Спеченные алюминиевые сплавы используют для изготовления порш- ней тяжело нагруженных двигателей внутреннего сгорания и других изделий, длительное время работающих при повышенных температурах, благодаря их повышенной жаропрочности и коррозионной стойкости. 156 Электротехнические КПМ Электроконтактные КПМ делятся на материалы для разрывных и скользящих контактов. Материалы разрывных контактов должны обладать высокой электро- и теплопроводностью, должны быть эррозионностойкими при воздействии электрической дуги, не должны свариваться в процессе работы. Контактные материалы изготавливают прессование с последующим спеканием или пропиткой пористого тугоплавкого каркаса более легкоплав- ким металлом (например, вольфрам пропитывают медью или серебром). Тяжелонагруженные разрывные контакты для высоковольтных аппара- тов делают из композиций вольфрам – серебро – никель или железо – медь. В низковольтной и слаботочной аппаратуре широко используют материалы на основе серебра с никелем, оксидом кадмия и другими добавками, а также медно – графитовые материалы. Скользящие контакты широко используют в приборах, коллекторных электрических машинах и электрическом транспорте (токосъемники). Материал для контактов должен обладать высокими антифрикционны- ми свойствами, причем контакт должен быть мягче, чем контр тело и не из- нашивать его, так как заменить скользящий контакт проще, чем коллектор или привод. Для уменьшения коэффициента трения в состав смесей для скользящих контактов вводят твердые смазки – графит, дисульфид молибде- на, гексагональный нитрид бора. Большинство контактов электрических ма- шин изготавливают из меди с графитом. Для коллекторных пластин панто- графов используют бронзографитовые контакты. Контакты приборов изго- тавливают из серебра с графитом, серебра с палладием, никелем, дисульфи- дом молибдена, вольфрама с палладием. Магнитные КПМ Различают магнитомягкие и магнитотвердые КПМ. 157 Магнитомягкие – это материалы с большой магнитной проницаемо- стью и малой коэрцитивной силой, быстро намагничиваются и быстро теря- ют магнитные свойства при снятии магнитного поля. Основной магнитомяг- кий материал – чистое железо и его сплавы с никелем и кобальтом (для по- вышения электросопротивления легируют кремнием, алюминием). Для улучшения прессуемости сплавов вводят до 1 % пластмассы, которая полно- стью испаряется при спекании. Пористость материалов должна быть мини- мальной. Магнитодиэлектрики – это частицы магнитомягкого материала, разде- ленные тонким слоем диэлектрика – жидкого стекла или синтетической смо- лы. Эти материалы обладают высоким электросопротивлением и минималь- ными потерями на вихревые токи и на перемагничивание. Магнитотвердые материалы (постоянные магниты) – материалы с ма- лой магнитной проницаемостью и большой коэрцитивной силой. Магниты массой до 100 г изготавливают из порошковых смесей такого же состава, как литые магниты: железо – алюминий – никель, железо – алю- миний – никель – кобальт. После спекания этих сплавов обязательна терми- ческая обработка с наложением магнитного поля. Высокие магнитные свойства имеют магниты из сплавов редкоземель- ных металлов (церий, самарий, празеодим) с кобальтом. Керамико-металлические материалы (керметы) Керамико-металлические материалы или «керметы» - искусственные материалы, получаемые спеканием металлических и керамических порош- ков. Материалы сочетают ценные свойства керамики и металлов (высокая жаростойкость, износостойкость, твердость, прочность). В качестве керамической фазы в керметах используют тугоплавкие бо- риды, карбиды, оксиды и нитриды, в качестве металлической фазы – кобальт, никель, тугоплавкие металлы, стали. 158 Современные керметы из нитридов, карбидов и других тугоплавких со- единений используются в производстве материалов для футеровки ванн и ковшей, изготовления тиглей для выплавки и транспортировки жидких ме- таллов и сплавов. Однако, несмотря на высокую жаропрочность тугоплавких керметов, общим их недостатком является высокая чувствительность к теп- ловым ударам и повышенная хрупкость, как при низких, так и при высоких температурах. Для снижения хрупкости к материалам добавляют металлы, которые выполняют роль вязких цементирующих фаз. Например, детали га- зовых турбин изготавливаются из спеченных материалов на основе твердых растворов карбида хрома или карбида титана с применением в качестве свя- зующего никель-хромовых, кобальто-хромовых или никель-кобальтовых сплавов. При производстве газотурбинных двигателей широко применяются керметы на основе оксида алюминия (корунда) и хрома или его сплавов. Эти керметы не окисляются при нагреве до 1 280 °С, выдерживают без разруше- ния до 1000 циклов нагружения по режиму «нагрев до 1050 °С – резкое ох- лаждение». Предел прочности при изгибе кермета составляет 250 … 300 МПа, а при растяжении – 50 … 130 МПа. Из керметов изготавливают уплотнительные кольца для насосов, раз- личные электроизоляторы, волоки для протяжки проволоки, пескоструйные сопла, керны для формования отверстий в кирпиче и др. Пористые керметы используются в производстве сопел для электродуговой сварки, пенокерами- ческих фильтров для очистки жидких расплавов металлов, катализаторов для дожигания вредных выбросов автомобилей и промышленных предприятий, газовых фильтров и др. Частным случаем керметов являются металлокерамические твердые сплавы. 159 Металлокерамические твердые сплавы Под металлокерамическими твердыми сплавами понимают сплавы на основе высокотвердых и тугоплавких карбидов вольфрама, титана, тантала, соединенных металлической связкой, как правило, кобальтом. Твердые сплавы изготавливают методом порошковой металлургии. Порошки карбидов смешивают с порошком связки, прессуют эту смесь в из- делия необходимой формы и подвергают спеканию (в защитной атмосфере или в вакууме) при 1 400 … 1 550 ° С. При спекании связка плавится и рас- творяет часть карбидов, что позволяет получать плотный материал (порис- тость не более 2 %), состоящий на 80 … 95 % из карбидных частиц, соеди- ненных связкой. Увеличение содержание связки вызывает снижение твердо- сти, но повышение вязкости. Твердые сплавы обладают высокой твердостью 80 … 92 HRA (73 … 76 HRC), износостойкостью, теплостойкостью до 800 … 1 000 ° С, модулем уп- ругости до 6,8 10 5 МПа, пределом прочности на сжатие до 6 000 МПа. Их не- достатком является высокая хрупкость и сложность изготовления фасонных изделий. Твердые сплавы производят в виде пластин, которыми оснащаются ре- жущие инструменты (резцы, сверла, фрезы и др.), а также детали машин, приборов измерительного инструмента. Свойства твердых сплавов и, следовательно, области их применения зависят от состава и зернистости карбидной фазы (WC, TiC, TaC), а также от соотношения карбидной и связывающей фаз. Регулированием этих факторов можно в определенных пределах менять свойства сплавов. В соответствии с ГОСТ 3882–74 в России выпускают три группы твердых сплавов: вольфрамовая (однокарбидная), титановольфрамовая (двухкарбидная), и титанотанталовольфрамовая (трехкарбидная). В обозначении марок сплавов используются буквы: В - карбид вольфрама, К - кобальт, Т – карбид титана, ТТ - карбид титана и карбид тантала Цифры после букв указывают примерное содержание компонентов в процен - 160 тах. Остальное в сплаве (до 100%) - карбид вольфрама. Буквы в конце марки означают: В - крупнозернистую структуру, М - мелкозернистую, ОМ - осо- бомелкозернистую. Сплавы вольфрамовой группы (WC - Со) имеют наибольшую проч- ность, но более низкую твердость, чем сплавы других групп. Они теплостой- ки до 800 °С. Карбидная фаза этих сплавов состоит из зерен WC 1 (рис. 5.12, а). При одинаковой концентрации кобальта (связки) они, в отличие от спла- вов других групп отличаются наибольшей прочностью, но более низкой вяз- костью. Рис. 5.12. Микроструктуры вольф- рамовых сплавов: а – ВК15; б – Т15К6; 1 – карбиды вольфрама; 2 – твердый раствор (Ti, W)С. Сплавы применяют в режу- щем инструменте для обработки чугунов, сталей, цветных сплавов и неме- таллических материалов. Повышенная износостойкость и сопротивляемость ударам сплавов группы ВК определяет их применение в горном инструменте и для изготовления штампов, пуансонов, матриц, фильер и т. д. Сплавы второй группы (WC—TiC—Co) имеют более высокую тепло- стойкость (до 900 … 1 000 ° С) и твердость. Это связано с тем, что карбиды вольфрама частично растворяется в карбиде титана при температуре спека- ния с образованием твердого раствора (Ti, W)С, имеющего более высокую твердость, чем WC. Структура карбидной фазы зависит от соотношения WC и TiC в шихте. В сплаве Т30К4 образуется одна карбидная фаза — твердый раствор (Ti, W)С, который придает сплаву максимальную твердость (92 HRA), но пониженную прочность. В остальных сплавах этой группы количе- ство WC превышает растворимость в TiС, поэтому карбиды вольфрама 1 в них присутствуют в виде избыточных частиц (рис. 5.12, б). Эти сплавы при- меняют в основном для высокоскоростной обработки сталей и чугунов. 161 Третью группу образуют сплавы системы (WC—TiC—TaC—Co). В этих сплавах структура карбидной основы представляет собой твердый рас- твор (Ti, Та, W)С, и избыток WC. Сплавы этой группы отличатся от преды- дущей группы большей прочностью, лучшей сопротивляемостью вибрациям и выкрашиванию. Они применяются в наиболее тяжелых условиях резания - при черновой обработке стальных поковок, отливок, а также труднообраба- тываемых сталей и сплавов. Общим вольфрамовых сплавов, помимо высокой хрупкости, является повышенная дефицитность исходного вольфрамового сырья - основного компонента, определяющего их повышенные физико-механические характе- ристики. Хорошо себя зарекомендовали безвольфрамовые твердые сплавы, в ко- торых в качестве наполнителя используется карбид титана, а в качестве связ- ки - никель и молибден. Они маркируются буквами КТС и ТН. Твердые сплавы КТС-1 и КТС-2 содержат 15 … 17 % Ni и 7 … 9 % Mo соответствен- но, остальное - карбид титана. В твердых сплавах типа ТН-20, ТН-25, ТН-30 в качестве связующего металла применяют в основном никель в количестве 16 … 30 %. Концентрация молибдена составляет 5 … 9 %, остальное - также карбид титана. Твердость подобных твердых сплавов составляет 87 … 94 HRA, сплавы имеют высокую износо - и коррозионную стойкость. Их ис- пользуют для изготовления режущего инструмента и быстроизнашивающих- ся деталей технологического оборудования. КПМ для керамических покрытий, газо-термического упрочнения В последнее время в технике слали применять керамические покрытия деталей. Нанесение керамических покрытий – способ защиты металлов и спла- вов слоями керамики для предохранения их от химической коррозии в актив- ных средах при повышенной температуре. Покрытия наносят несколькими способами: 162 o При газопламенным способе материал в виде порошка расплавляют ки- слородно-ацетиленовым пламенем. При давлении 50 … 100 МПа расплав- ленные частички получают высокую скорость (100 … 150 м/с), с которой они ударяются об обрабатываемую поверхность детали. o При детонационном способе порошок для будущего покрытия, с по- мощью взрывной волны (образующейся от горения смеси ацетилена с кисло- родом), выбрасывается на поверхность детали со сверхзвуковой скоростью (750 … 1600 м/с). При соударении частиц порошка с поверхностью детали, частички пластически деформируются и прочно сцепляются с металлом де- тали (подложкой). o При плазменном способе разогрев порошка осуществляется плазмен- ной дугой (10 000 … 20 000 °С). Расплавленный порошок (металл) под воз- действием электропроводной плазменной дуги с большой скоростью ударя- ется о поверхность заготовки, деформируется и сцепляется с подложкой. Контрольные вопросы 1. Какая предельная концентрация серы и фосфора допускается в вы- сококачественных сталях? 2. Назовите наименьшее количество углерода в высокоуглеродистых сталях? 3. Как маркируются углеродистые качественные конструкционные стали? 4. Расшифруйте марку материала: ст 20; сталь У10; сталь 20ХГТ. 5. Какая форма включений свободного графита в высокопрочном чу- гуне? 6. Какими конструкторско-технологическими свойствами обладают титановые сплавы? 7. Назовите основные технологические свойства магниевых сплавов. 8. В каких областях промышленности применяются дюралюмины? 9. Какое название имеют медно-цинковые сплавы? 163 10. Как маркируются литейные бронзы? 11. Назовите основные недостатки бериллиевых сплавов? 12. Что такое биметалл? 13. Опишите свойства полимеров состоящих из плоских ленточных мо- лекул? 14. В чем разница между термопластичными и термореактивными по- лимерами? 15. Зачем в пластмассы добавляют пластификаторы? 16. Опишите свойства термопластов. 17. С какой целью проводят вулканизацию резины? 18. Зачем в резину вводят наполнители? 19. Что входит в состав герметиков? 20. Что такое композиционный материал? 21. В каких отраслях промышленности используют композиционные материалы? Приведите примеры. 22. При изготовлении каких деталей применяют пористые порошковые материалы? 23. Что такое «керметы»? |