referat_TKM (Композиционные и порошковые материалы)

23

Министерство образования Российской Федерации

Тюменский государственный нефтегазовый университет

Кафедра ТКМиМ

РЕФЕРАТ

на тему: «Композиционные и порошковые материалы»

Выполнил:

НР 00-1

Проверил: Теплоухов О.Ю.

Тюмень – 2001

Содержание

1. Основы порошковой металлургии 3
   1.1. Способы получения и технологические свойства порошков 3
   1.2. Металлокерамические материалы 3

2. Конструкционные порошковые материалы 5

3. Изготовление металлокерамических деталей 7
   3.1. Приготовление смеси 7
   3.2. Способы формообразования заготовок и деталей 7
   3.3. Спекание и окончательная обработка заготовок 9
   3.4. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталей из металлических порошков 9

4. Композиционные материалы с металлической матрицей 10
   4.1. Волокнистые композиционные материалы 10
   4.2. Дисперсно-упрочненные композиционные материалы 12

5. Композиционные материалы с неметаллической матрицей 13
   5.1. Общие сведения, состав и классификация 13
   5.2. Карбоволокниты 14
   5.3. Карбоволокниты с углеродной матрицей 15
   5.4. Бороволокниты 15
   5.5. Органоволокниты 17

Литература 18

1. ОСНОВЫ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

1.1. Способы получения и технологические свойства порошков

Металлокерамика, или порошковая металлургия – отрасль технологии, занимающаяся производством металлических порошков и деталей из них. Сущность порошковой металлургии заключается в том, что из металлического порошка или смеси порошков прессуют заготовки, которые затем подвергают термической обработке – спеканию.

Порошковой металлургией можно получать детали из особо тугоплавких металлов, из нерастворимых друг в друге металлов (вольфрам и медь, железо и свинец и т. д.), пористые материалы и детали из них, детали, состоящие из двух (биметаллы) или нескольких слоев различных металлов и сплавов.

Металлические порошки состоят из очень мелких частиц (0,5–500 мкм) различных металлов и их окислов. Порошки получают механическим и физико-химическим путем.

Для механического измельчения твердых и хрупких материалов применяют шаровые, вибрационные мельницы и бегуны. Порошки из пластичных и легкоплавких металлов и сплавов получают различными способами, основанными на раздуве жидкого материала струей воды или газа. Механическим путем, как правило, получают порошки из отходов основного производства.

К физико-химическим способам получения порошков относят восстановление окислов металлов, электролиз и др.

Окислы металлов можно восстанавливать газообразными или твердыми восстановителями. Наибольшее практическое применение нашли газообразные углеродистые и углеводородистые соединения (природный газ, доменный, углекислый газ) и водород. Электролизом водных растворов солей получают тонкие и чистые порошки различных металлов и сплавов. Порошки из редких металлов (тантала, циркония, титана и др.) получают электролизом расплавленных солей. Режимы и технология изготовления порошков физико-химическим путем приведены в справочной литературе.

Основными технологическими свойствами порошков являются текучесть, прессуемость и спекаемость.

Текучесть — способность порошка заполнять форму. Текучесть ухудшается с уменьшением размеров частиц порошка и повышением влажности. Количественной оценкой текучести явля­ется скорость вытекания порошка через отверстие диаметром 1,5–4,0 мм в секунду.

Прессуемость характеризуется способностью порошка уплот­няться под действием внешней нагрузки и прочностью сцепления частиц после прессования. Прессуемость порошка зависит от пластичности материала частиц, их размеров и формы и повыша­ется с введением в его состав поверхностно-активных веществ.

Под спекаемостъю понимают прочность сцепления частиц в результате термической обработки прессованных заготовок.

1.2. Металлокерамические материалы

Порошковой металлургией получают различные конструк­ционные материалы для изготовления заготовок и готовых дета­лей. Большое применение находят материалы со специальными 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 дополнительной смазки в те­чение нескольких месяцев, а подшипники со специальными «кар­манами» для запаса масла – в течение 2–3 лет. Во время работы подшипника масло нагревается, вытесняется из пор, образуя смазочную пленку па трущихся поверхностях. Такие подшип­ники широко применяют в машинах для пищевой промышленности, где попадание смазки в продукцию недопустимо.

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

Фрикционные материалы представляют собой сложные компо­зиции на медной или железной основе. Коэффициент трения можно повысить добавкой асбеста, карбидов тугоплавких металлов и раз­личных окислов. 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 без смазки 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 добавляй вещества, выделяющие газы при спекании.

Металлокерамические твердые сплавы характеризуются высокой твердостью, теплостойкостью и износостойкостью. Поэтому, из них изготовляют режущий и буровой инструменты, а также наносят на поверхность быстроизнашивающихся деталей и т.д.

Основой изготовления твердых сплавов являются порошки 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. Наибольшей твердостью характеризуются материалы из карбидов бора (эльбор).

Из жаропрочных и жаростойких материалов изготовляют детали, работающие при высоких температурах. Эти материалы должны иметь высокую жаропрочность, стойкость против ползучести и окисления. Металлические сплавы на основе никеля, титана, тантала, вольфрама и других элементов отвечают этим требованиям при работе до температур 850–900° С.

При более высоких температурах (до 3000° С) можно использовать тугоплавкие и твердые соединения типа окислов, карбидов, боридов и др. Однако эти материалы имеют высокую хрупкость и поэтому в чистом виде не могут быть использованы в качестве конструкционных материалов для изготовления различных де­талей.

Применение порошковой металлургии позволяет повысить пластичность этих хрупких тугоплавких соединений. В качестве металлической связки выбирают металлы и сплавы, жаропрочность которых близка жаропрочности тугоплавких соединений. Они должны не образовывать химических соединений, быть мало растворимыми в тугоплавких соединениях, а также иметь близкие значения коэффициентов линейного расширения, теплопровод­ности и модуля упругости.

Технология изготовления жаропрочных конструкционных материалов характеризуется отдельными специфическими особенностями.

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

2. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Порошковыми называют материалы, изготовляемые путем прес­сования металлических порошков в изделия необходимой формы и размеров и последующего спекания сформованных изделий в ва­кууме или защитной атмосфере при температуре 0,75–0,8Т_ПЛ. Различают пористые и компактные порошковые материалы.

Пористыми называют материалы, в которых после оконча­тельной обработки сохраняется 10–30% остаточной пористости. Эти сплавы используют главным образом для изготовления анти­фрикционных деталей (подшипников, втулок) и фильтров.

Антифрикционные порошковые сплавы имеют низкий коэффи­циент трения, легко прирабатываются, выдерживают значитель­ные нагрузки и обладают хорошей износостойкостью.

Подшипники из порошковых сплавов могут работать без при­нудительного смазывания за счет «выпотевания» масла, находя­щегося в порах.

Подшипники изготовляют из сплавов железа и 1–7% гра­фита (ЖГр1, ЖГрЗ, ЖГр7) и бронзографита, содержащего 8–10% Sn и 2–4% графита (БрОГр10–2, БрОГр8–4 и др.).

Структура металлической основы железографитовых материа­лов должна быть перлитной, с массовой долей связанного угле­рода ~1,0%. Такая структура допускает наиболее высокие скорости и нагрузки при наименьшем износе подшипников. До­бавка к железографитовым материалам серы (0,8–1,0%) или сульфидов (3,5–4,0%), образующих сульфидные пленки на тру­щихся поверхностях, улучшает прирабатываемость, уменьшает износ и прихватываемость сопряженных деталей.

Коэффициент трения железографита по стали при смазке 0,07–0,09. Подшипники из железографита применяют при до­пустимой нагрузке не более 1000–1500 МПа и максимальной тем­пературе 100–200°С. Коэффициент трения бронзографита по стали без смазывания 0,04–0,07 и со смазыванием 0,05–0,007. Допустимая нагрузка 400–500 МПа и рабочая температура не выше 200–250°С.

Механические свойства железографита: σ_B=180÷300 МПа и твердость 60–120 НВ, а бронзиграфита: σ_B=30÷50 МПа, твердость 25–50 HВ.

Спеченные материалы на основе железа и меди используют и для фрикционных изделий (дисков, сегментов) в тормозных узлах. Фрикционные изделия должны иметь высокий коэффициент трения, достаточную механическую прочность и хорошее сопро­тивление износу. Для повышения коэффициента трения в состав фрикционных материалов вводят карбиды кремния, бора, туго­плавкие оксиды и т.д. Компонентами твердого смазочного мате­риала служат графит, свинец, сульфиды и др.

Коэффициент трения по чугуну (трение без смазочного мате­риала) для материала на железной основе составляет 0,18–0,40, а на медной основе – 0,17–0,25.

Фрикционные сплавы на медной основе применяют для усло­вий жидкостного трения в паре с закаленными стальными деталями (сегменты, диски сцепления и т.д.) при давлении до 400 МПа и скорости скольжения до 40 м/с с максимальной температурой 300–350°С. Типичным фрикционным материалом на основе меди является сплав МК5, содержащий 4% Fe, 7% графита, 8% Рb, 9% Sn, 0–2% Ni.

Для работы в условиях трения без смазочного материала (деталей тормозов самолетов, тормозных накладок тракторов, автомобилей, дорожных машин, экскаваторов и т.д.) применяют материалы на железной основе. Наибольшее применение получил материал ФМК-11 (15% Cu, 9% графита, 3% асбеста, 3% SiO₂ и 6% барита), фрикционные материалы изготовляют в виде тонких секторов (сегментов, полос) и крепят на стальной основе (для упрочнения).

Широко применяют порошковые материалы для фильтрующих изделий. Фильтры в виде втулок, труб, пластин из порошков Ni, Fe, Ti, Al, коррозионно-стойкой стали, бронзы и других материалов g пористостью 45–50% (размер пор 2–20 мкм) ис­пользуют для очистки жидкостей и газов от твердых примесей.

В электротехнике и радиотехнике применяют порошковые магниты на основе Fe–Ni–А1–сплава (типа алнико) и др. Свойства порошковых магнитов нередко выше свойств литых магнитов.

Большое применение в машинах для контактной сварки, при­борах связи получили контакты из порошковых материалов. Для этой цели применяют псевдосплавы тугоплавких металлов (W и Мо) с медью (МВ20, МВ40, MB60, MB80), серебром (СМ30, СМ60, СМ80, СВ30, СВ50, СВ85 и др.) или с оксидом кадмия (ОК8, ОК12, ОК15) и др. Контакты отличаются высокой проч­ностью, электропроводимостью и электроэрозионной стойкостью. Токосъемники (щетки) изготовляют из порошков меди (или се­ребра) с графитом (углем).

Все больше порошковая металлургия применяется для из­готовления специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, дисперсионно-упрочненных материалов на основе Ni, Ai, Ti и Cr. Методом порошковой металлургии получают различ­ные материалы на основе карбидов W, Мо и Zr.

Спеченные алюминиевые сплавы (САС) применяют тогда, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответ­ствующий сплав. Изготовляют CAC с особыми физическими свойствами. САС содержат большое количество легирующих эле­ментов (например, САС1: 25–30% Si, 5–7% Ni, остальное Аl). Из САС1 делают детали приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20–200°С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности.