композиты. Раздел 4 Порошковые и композиционные материалы. Порошковые и композиционные материалы

• Название: Порошковые и композиционные материалы
• Анкор: композиты
• Дата: 04.04.2021
• Размер: 30.38 Kb.
• Имя файла: Раздел 4 Порошковые и композиционные материалы.docx
• Тип: Документы; #191036

Раздел 4 Порошковые и композиционные материалы

Сущность порошковой металлургии

Сущность порошковой металлургии заключается в производстве порошков и изготовлении из них изделий, покрытий или материалов многофункционального назначения по безотходной технологии.

Получение порошков осуществляют из металлического и неметаллического сырья, а также вторичного сырья машиностроительного и металлургического производства. Технологический процесс производства и обработки изделий и материалов методами порошковой металлургии включает получение порошков, их формование в заготовки, спекание (температурную обработку) и при необходимости окончательную обработку (доводку, калибровку, уплотняющее обжатие, термообработку).

Получение металлических порошков

Способы производства порошков подразделяют на: механические (без изменения химического состава исходных материалов), физико-химические и комбинированные.

Механическое измельчение компактных материалов осуществляют путем дробления, размола или истирания в специальных агрегатах-мельницах (вихревых, планетарных центробежных шаровых вибрационных и вращающихся, аттриторах и т.д.). К механическим способам относят также диспергирование (распыление) порошков из расплавов. Распыление струи расплава осуществляют газовым потоком, потоком воды, под действием центробежных сил.

Физико-химические методы получения порошков связаны с изменением химического состава исходного материала в результате физико-химических превращений. Металлические порошки получают восстановлением активным веществом металлов из оксидов, солей, ангидридов (водородом, магнием, алюминием, кальцием, углеродом, оксидом углерода). Восстановление осуществляют в твердом состоянии, парогазовой фазе, из расплава, в плазме. Металлические порошки получают также электролизом водных растворов или расплавов, термической диссоциацией (разложением) карбонидов металлов, термодиффузионным насыщением, методом испарения-конденсации.

Формование порошков

Формование – это технологическая операция получения изделия или заготовки заданной формы, размеров и плотности обжатием сыпучих материалов (порошков).

Уплотнение порошка осуществляют прессованием в металлические прессформы или эластичные оболочки, прокаткой, шликерным литьем суспензии и другими методами.

Подготовка порошков к формованию происходит, исходя из технологических характеристик порошка, метода формования и последующей термообработки (спекания), требуемых свойств в условиях эксплуатации.

Для металлических порошков основными подготовительными операциями являются отжиг, просеивание по фракциям и смешивание. Отжиг проводят с целью повышения пластичности и прессуемости порошков в защитной среде при температуре (0,4 – 0,6)Т_пл металла.

Например, медный порошок отжигают в потоке восстановительного газа при 350 – 400 °С, а окисленный железный – при 650 – 750 °С. Порошки разделяют на фракции по величине частиц с использованием вибросит. Разделение производят также с помощью воздушных сепараторов и седиментации (разделение жидких смесей). Приготовление однородной по объему механической смеси осуществляют путем смешивания порошков в специальных смесителях. Для получения легированных частиц порошка проводят размол смеси порошков основы и легирующих добавок в размольных агрегатах. Прессование порошков в металлической пресс-форме под давлением сжатия приводит к уменьшению объема порошка за счет перераспределения частиц, заполнения пустот и пластической деформации. Прессование не сопровождается полным устранением пор. Плотность полученной детали-прессовки по объему неравномерна, что обусловлено неравномерностью давления, различием физико-механических свойств частиц (формы, размера и твердости, насыпной плотности), наличием внешнего трения частиц порошка о стенки пресс-формы, межчастичным трением, наличием бокового давления. На стенки пресс-формы передается боковое давление значительно меньшее, чем в направлении прессования, что обусловлено трением между частицами, заклиниваем их, что затрудняет их перемещение в стороны. После снятия давления, а также при выпрессовке брикета из пресс-формы размеры прессовки увеличиваются (явление упругого последействия). Для повышения и более равномерного распределения плотности прессовки по высоте используют смазку стенок матрицы пресс-формы, что уменьшает коэффициент внешнего и межчастичного трения.

Равномерность распределения плотности увеличивается при двухстороннем прессовании верхним и нижним пуансонами и всестороннем сжатии (прессование в эластичной или деформируемой оболочке). Формование порошка также осуществляют в гидро- и газостатах (изостатическое), прокаткой, на гидродинамических машинах и с использованием взрывчатых веществ (импульсное), на вибрационных установках (вибрационное), продавливанием через отверстие в инструменте (экструзия или мундштучное прессование), заливкой в формы – шликерное литье, при котором в форму заливают суспензию, содержащую порошок и жидкую связку и др.

Изостатическое формование осуществляют в условиях всестороннего сжатия, что обеспечивает не только равномерную плотность, но и устраняет анизотропию свойств. Прокатку порошков применяют для изготовления заготовок из конструкционных, электротехнических, фрикционных и антифрикционных, пористых (фильтрующих) материалов. Для получения изделий сложной формы используется шликерное литье. После заполнения формы жидкая составляющая шликера удаляется нагревом. Использование вибрации при прессовании повышает плотность прессовки. Импульсные методы формования применяют для труднопрессуемых порошков или если необходимо получить особые свойства материала.
Спекание порошковых материалов

Операция, позволяющая получить конечные свойства материала и изделия, называется спеканием. Оно заключается в нагреве и выдержке сформованного изделия (заготовки) при температуре ниже точки плавления основного компонента. Для многокомпонентных систем различают твердофазное и жидкофазное спекание.

Твердофазное спекание сопровождается возникновением и развитием связей между частицами, образованием и ростом контактов (шеек), закрытием сквозной пористости, укрупнением и сферидизацией пор, уплотнением за счет усадки. В процессе спекания происходит массоперенос вещества через газовую фазу, за счет поверхностной и объемной диффузии, вязкого течения, течения, вызванного внешними нагрузками (спекание под давлением). При спекании наблюдается рекристаллизация (рост одних зерен за счет других той же фазы). Уплотнение при нагреве в основном происходит за счет объемной деформации частиц, осуществляемой путем объемной самодиффузии атомов.

Жидкофазное спекание, протекает в присутствии жидкой фазы легкоплавкого компонента, которая хорошо смачивает твердую фазу, улучшает сцепление между частицами, увеличивает скорость диффузии компонентов, облегчает перемещение частиц друг относительно друга. Плохая смачиваемость препятствует уплотнению. Твердая фаза в зоне контакта может растворяться в жидкой, интенсифицируя процессы массопереноса. Различают системы с нерастворимыми компонентами, с ограниченной растворимостью и со значительной взаимной растворимостью компонентов. Жидкофазное спекание таких систем имеет особенности связанные с преобладанием одной из стадий: вязкое течение жидкости – перегруппировка частиц; растворение – осаждение; образование жесткого скелета. Спекание проводят в среде защитного газа или вакууме.

Совмещение процесса прессования и спекания наблюдается при горячем прессовании, которое производят при температуре (0,5 – 0,9)Т_пл основного компонента. Высокая температура прессования позволяет снизить в несколько десятков раз давление прессования. Время выдержки составляет от 15–30 мин до нескольких часов. Горячее прессование применяют для труднопрессуемых порошков с целью получения высоких физико-механических свойств. Горячепрессованные детали имеют мелкозернистую структуру. Пресс-форму, в которой осуществляют горячее прессование, изготавливают из жаропрочных материалов, а при прессовании тугоплавких соединений – из графита, прочность которого с увеличением температуры повышается.
Классификация порошковых материалов

Материалы и изделия. Получаемые методами порошковой металлургии материалы называют порошковыми. Эти материалы условно подразделяют на: конструкционные, триботехнические, фильтрующие, твердые сплавы, высокотемпературные, электротехнические, с особыми ядерными свойствами и др.

Из конструкционных порошковых материалов изготовляют:

детали машин, механизмов и приборов, например шестерни, фланцы, зубчатые колеса, седла и корпуса клапанов, муфты, эксцентрики, кулачки, шайбы, крышки, корпуса подшипников, детали насосов, различные диски, втулки и др. Основные требования к этим порошковым материалам - повышенные механические свойства и экономичность.

Детали из конструкционных порошковых материалов подразделяют на ненагруженные, мало-, средне- и сильнонагруженные, а по типу материала - на основе железа или сплавов цветных металлов.

К триботехническим относятся антифрикционные материалы и фрикционные материалы.

Оптимальные структуры антифрикционных материалов - тведрая матрица и мягкий наполнитель. Для создания такой структуры наиболее эффективен именно метод порошковой металлургии Получаемые этим методом антифрикционные изделия обладают низким и стабильным коэффициентом трения, хорошей прирабатываемостью, высокой износостойкостью, хорошей сопротивляемостью схватыванию.

Изделия из порошковых антифрикционных материалов являются самосмазывающимися. Твердая смазка (напр., графит, селениды, сульфиды) заключена в порах самого изделия. Антифрикционные порошковые материалы могут использоваться как для изготовления объемных элементов, так и в качестве покрытий, нанесенных на подложки. Характерный пример изделий из порошковых антифрикционных материалов - подшипники скольжения.

Фрикционные порошковые материалы используют в узлах, передающих кинетическую энергию. Эти материалы обладают высокой износостойкостью, прочностью, теплопроводностью, хорошей прирабатываемостью. Порошковые фрикционные материалы чаще всего состоят из металлических и неметаллических компонентов. При этом металлические составляющие обеспечивают высокую теплопроводность и прирабатываемость, а неметаллические (SiO₂, A1₂O₃, графит и др.) повышают коэффициент трения и уменьшают склонность к заеданию.

Фильтры из порошковых материалов по сравнению с др. пористыми изделиями обладают рядом преимуществ: высокой степенью очистки при удовлетворительной проницаемости, высокими жаростойкостью, прочностью, сопротивлением абразивному износу, теплопроводностью и др.

Фильтры изготовляют спеканием свободно насыпанных или спрессованных порошков бронзы, нержавеющей стали, никеля, титана, железа. Методы порошковой металлургии позволяют изготовлять фильтры с изменяемой и регулируемой пористостью, проницаемостью и степенью очистки. Фильтры, наряду с пористыми подшипниками, составляют главную часть пористых изделий из порошковых материалов. Методами порошковой металлургии изготовляют также пористые уплотнительные прокладки, антиобледенители, пламегасители, конденсаторы, пеноматериалы и «потеющие» материалы.

Изделия из порошковых твердых сплавов, состоящих из твердых тугоплавких карбидов и пластичного металлического связующего, получают путем прессования смесей порошков и жидкофазного спекания.

Твердые сплавы подразделяются на содержащие WC (или его твердые растворы с др. карбидами) и безвольфрамовые (на основе TiC и др. тугоплавких соед.); они обладают высокой твердостью, прочностью, износостойкостью. Из твердых сплавов изготовляют инструменты для резания металлов и др. материалов, штамповки, обработки давлением, для бурения горных пород. Свойства многих инструментов из твердых сплавов существенно улучшаются при нанесении на поверхность изделий тонких (толщиной в несколько мкм) покрытий из тугоплавких соединений.

К высокотемпературным порошковым материалам относят сплавы на основе тугоплавких металлов (W, Mo, Nb, Та, Zr, Re, Ti и др.). Эти сплавы применяют в авиации, электротехнике, радиотехнике и др.

Электротехнические порошковые материалы включают следующие основные группы: контактные (для разрывных и скользящих контактов), магнитные, электропроводящие и др. Разрывные контакты предназначены для многократного (до нескольких млн.) замыкания и размыкания электрических цепей. Их изготовляют из порошковых сплавов на основе Ag, W, Mo, Cu, Ni с добавками графита, оксидов Cd, Cu, Zn и др. Скользящие контакты изготовляют из порошковыхсплавов на основе Cu, Ag, Ni, Fe с добавками графита, нитрида В, а также сульфидов (для снижения коэффициента трения); их применяют в электродвигателях, генераторах электрического тока, потенциометрах, токосъемниках и др. устройствах.

Металлические магнитотвердые и магнитомягкие материалы изготовляют из порошковых сплавов на основе Fe, Co, Ni, Al, SmCo₅, сплава Fe-Nd-B. Магнитодиэлектрики представляют собой многокомпонентные композиции на основе смеси ферромагнитных порошков с вяжущими веществами, являющимися изоляторами (жидкое стекло, бакелит, шеллак, полистирол, разные смолы). Диэлектрик образует на частицах ферромагнетика сплошную изолирующую пленку достаточной твердости, прочности и эластичности, одновременно обеспечивая их механическое связывание. Ферриты изготовляют только методами порошковой металлургии Порошковые электропроводящие материалы и изделия из них разного назначения изготовляют в основном из меди, алюминия и их сплавов.

В ядерной энергетике порошковые материалы (В, Hf, Cd, Zr, W, Pb, РЗЭ и др. и их соединений) с особыми свойствами используют в качестве поглотителей, замедлителей, из них изготовляют регулирующие стержни, а также твэлы (с использованием порошков диоксида, карбида, нитрида U и порошковтугоплавких соединений других трансурановых элементов)
Применение порошковых материалов

Антифрикционные пористые материалы (подшипники скольжения, детали узлов трения) изготавливают на основе порошков железа или меди с пропиткой жидкой смазкой (маслом) или с добавками твердой смазки (графит, свинец, дисульфид молибдена, сернистый цинк). Данные материалы обладают высокими триботехническими свойствами, хорошей прирабатываемостью, высокой теплопроводностью, достаточной вязкостью при ударной нагрузке.

К фрикционным относят материалы с высоким коэффициентом трения. Они обладают высокой фрикционной теплостойкостью и коррозионной стойкостью. Их изготавливают на основе меди или железа с металлическими и неметаллическими компонентами для деталей, работающих в масле (75%) и при сухом трении. Фрикционные изделия состоят из стальной основы и фрикционных накладок, которые припекаются к основе спеканием под давлением.

Электротехнические материалы подразделяются на: электроконтактные (металлические, металлографитовые, металлооксидные и металлокарбидные), магнито-мягкие (железо-никелевые сплавы, железо с кремнием и алюминием или с хромом и алюминием), магнито-твердые (сплавы на основе Fe-Al-Ni(Co) называемые альни, альнико, магнико), магнитодиэлектрики (карбонильное железо, пермалой, альсифер), ферриты (Fe₃O₄ с добавками NiO, MgO, MnO, ZnO).

Аморфные материалы, получаемые быстрым (со скоростью 10⁵ – 10⁶ °С/с) охлаждением расплава (Fe₄₀N₄₀P₁₀B₈O), являются новым классом магнитных материалов, из которых изготавливают магнитные экраны, трансформаторы и электронные приборы.

Спеченные конструкционные материалы изготавливают из конструкционной стали (углеродистой, меднистой, кремнистой, молибденовой, хромомолибденовой), титановых и алюминиевых сплавов.

Повышение твердости обрабатываемых заготовок потребовало расширения диапазона используемых режущих материалов от твердых сплавов, минералокерамических материалов до искусственных алмазов и других сверхтвердых материалов, получаемых методами порошковой металлургии. Твердые сплавы используют в режущих и контрольно-измерительных инструментах, рабочих вставках фильер при волочении, матрицы и пуансоны при штамповке и прессовании. В машиностроении и приборостроении широко применяют армированные твердыми сплавами детали. Например, в текстильной промышленности применяют твердые сплавы для направляющих колец и других трущихся деталей; в порошковой металлургии твердые сплавы используют для размольных тел и прессового инструмента.

Минералокерамику применяют для получистовой и чистовой обработки резанием чугунов, закаленных и улучшенных сталей, цветных и тугоплавких сплавов при высоких (до 800 м/мин) скоростях резания. Основу минералокерамики составляет α-модификация Al₂О₃ (электрокорунд) зернистостью до 1 мкм. Плотность кермета (керамика с металлической связкой) составляет 3,96 г/см³, твердость – HRA до 92. Оксидокарбидная керамика имеет плотность 4,2 – 4,6 г/см³ и твердость HRA 92 – 94.

Эррозионностойкие и потеющие материалы обладают комплексом свойств, которые невозможно получить в сплавах. Они изготавливаются на основе тугоплавких металлов и углерода в виде композиций. Например, путем пропитки вольфрамового каркаса жидкой медью или серебром. Детали из такого материала работают в двигателях при температуре свыше 2500°С, что приводит к испарению меди, понижает тепловой поток, улучшает условия работы вольфрамового каркаса.
Общие сведения о композиционных материалах, их классификация и свойства

Композиционные материалы – это сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам нерастворимые или малорастворимые компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей. При этом свойства их заранее проектируют при изготовлении материала, приближая его форму к форме будущих изделий.

Основой композита является матрица из металла, пластмассы или керамических материалов, которые придают форму. От матрицы зависит технологические режимы получения композита и его эксплуатационные характеристики. Матрицы могут быть комбинированными из разных материалов. В матрице равномерно распределены наполнители, которые обладают высокой прочностью, твердостью и упругостью, их называют упрочнителями. Они играют роль армирующих элементов. Свойства композитов зависят также от схемы армирования.

Композиты по форме наполнителя бывают:

1. 
   нульмерные (очень малые размеры в трех измерениях),
   
2. 
   одномерные (очень малые размеры в двух измерениях, и большой в одном – нити),
   
3. 
   двухмерные (два размера значительно больше третьего – листы).
   

По форме наполнителя композиты разделяют на дисперстно-упрачненные, волокнистые, слоистые.

По схеме армирования их подразделяют: с одноосным армированием, двухосным и трехосным.

Нульмерные наполнители – это мелкие частицы оксидов, карбида кремния, асбеста.

Представитель дисперсно-упрачненнего композита является САП – спеченный алюминиевый порошок, имеет высокую прочность до t = 500 °С, из него делают листы, трубы, фольгу, штамповки, прокатные профили.
Слоистые композиционные материалы

К слоистым композитам относят материалы, где армирующим материалом является листовые материалы: листы бумаги (гетинакс), древесный шпон (дельтадревесина) металлические листы, а матрицей является либо искусственные смолы (пластмассы), либо металлы.

К слоистым относятся все материалы, где наполнителем являются ткани (текстолит, асботекстолит, стеклотекстолит). Они выпускаются в виде листов, труб, прокладок из которых изготавливают электроизоляционные панели, плиты, шестерни приборов и т.д.
Волокнистые композиционные материалы

Волокнистые композиты – материалы, где наполнителями служат волокна либо нитеподобные кристаллы чистых элементов и тугоплавких соединений, проволока из металлов и сплавов W, Mo, Be, нержавеющих сталей и др. Эти волокна имеют диаметр от долей до сотен миллиметров. При работе нагрузка на них передается через матрицу.

В качестве матриц используются металлы Al, Mg, Ti, Ni и сплавы на их основе, или неметаллы – керамику, полимеры, углеродистые материалы.

Наибольшая прочность у таких композитов – вдоль расположения волокон и наименьшая – в поперечном направлении. При изготовлении композита, волокна располагают так, чтобы максимально использовать их свойства, с учетом действующих в конструкции нагрузок.

Прочность композита зависит в значительной степени от прочности сцепления волокон с матрицей, а это зависит от подготовки поверхности и отсутствия реакций между матрицей и наполнителем, как при изготовлении, так и в процессе эксплуатации.

В последнее время в качестве волокнистых наполнителей используются углеродные или графитные волокна с очень высокой прочностью (σв = 1687 – 3377 МПа), с температурой плавления 3650 °С.

Неметаллическая основа – эпоксидные, полиамидные, фенолформальдегидные смолы. Упрочняющий наполнитель – углеродистые, борные, органические, стеклянные волокна.

Полимерные композиционные материалы из переплетённых нитей углеродного волокна, расположенных в матрице из полимерных (например, эпоксидных) смол называются углепластиками или карбоном.

Сами нити отдельно использоваться не могут. Их легко сломать, но вот порвать очень тяжело. Для придания большей прочности нити сплетают между собой, и накладывают несколькими слоями. Затем их заливают различными полимерными веществами, к примеру, эпоксидной смолой.

Материалы отличаются высокой прочностью, жёсткостью и малой массой, часто прочнее стали и гораздо легче (по удельным характеристикам превосходит высокопрочную сталь, например, 25ХГСА).

Недостатком карбона является непереносимость «точечных» ударов.

Например, капот из карбона может превратиться в решето после частого попадания мелких камней. В отличие от металлических деталей или деталей из стеклоткани, восстановить первоначальный вид карбоновых деталей невозможно. Поэтому, после даже незначительного повреждения всю деталь придется менять целиком. Кроме того, детали из карбона подвержены выцветанию под воздействием солнечных лучей, что делает его хрупким и непригодным к дальнейшему использованию. Углепластик не так лёгок и дешёв в переработке, поэтому его вторичное использование затруднено.

Карбоновая пленка не состоит из карбона. На самом деле это виниловая пленка, которая по своей визуализации очень похожа, а может быть и полностью имитирует настоящий карбон. Имитация проходит как по внешнему виду, так и по внутренней фактуре.

Карбоновые пленки в несколько раз дешевле самого карбона и основная их задача — это защитить кузов и другие части автомобиля от внешних повреждений и коррозии.
Композиты с металлической матрицей

Металлическая основа:

1. Алюминиевая: - со стальными нитями (КАС), - борным волокном (ВКА), - углеродным волокном (ВКУ).

Так у сплава с борными волокнами удельная прочность выше, чем у высокопрочных сталей и титановых сплавов, а плотность 2,65 г/см³.

2. Магниевая: с теми же волокнами легче алюминиевых композитов (ВКМ).

3. Титановая с борным волокнами.

Ввиду высокой активности титана при повышенных температурах прочность волокон и матрицы снижается и эффект менее чувствительный.

Из них изготавливают многослойные ленты, листы, стержни, трубы, профили, лопатки компрессоров и турбин для авиации и ракет.

Жаропрочные КМ – на основе Ni и Co, упрочняемые керамическими SiC, Si3Ni4, Al2O3 и углеродистыми волокнами.

Используются для тяжело нагруженных деталей газотурбинных двигателей, камер сгорания, тепловых экранов, жаростойких труб.
Отличие большинства композитов от традиционных материалов в том, что процесс получения композитов технологически совмещается с процессом изготовления изделия.

Проектирование изделия из композитов начинается с конструирования самого материала - выбора его компонентов и назначения оптимальных технологических процессов производства. Особенность создания конструкций из КМ в отличие от конструкций из традиционных материалов заключается в том, что конструирование материала, разработка технологического процесса изготовления и проектирование самой конструкции - это единый взаимосвязанный процесс.

Физико-механические свойства композитов в зависимости от концентрации компонентов, их геометрических параметров и ориентации, а также технологии изготовления могут меняться в очень широких пределах. Тем самым открывается возможность специального создания (конструирования) материала с заданными свойствами для определенного изделия.