Робоча програма дисципліни

Методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Дисперсні матеріали та композити» для студентів напряму 6.050403 – інженерне матеріалознавство

 

Дніпропетровськ НМетАУ 2013

Міністерство освіти та науки України

Національна металургійна академія України

 

 

 

РОБОЧА ПРОГРАМА,

методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Дисперсні матеріали та композити» для студентів напряму 6.050403 – інженерне матеріалознавство

 

 

Затверджено на засіданні

Вченої ради академії

Протокол № від

 

 

Дніпропетровськ НМетАУ 2013

УДК: 621.762.

Робоча програма, методичні вказівки та індивідуальні завдання до вивчення дисципліни «Дисперсні матеріали та композити» для студентів напряму 6.050403 – інженерне матеріалознавство / Укл.: І.Г.Рослик - Дніпропетровськ: НМетАУ, 2013. - 22 с.

 

 

Наведені загальні методичні вказівки, рекомендації до вивчення дисципліни “Дисперсні матеріали та композити”, рекомендована література, індивідуальні завдання з контрольної роботи і рекомендації по її виконанню.

Призначена для студентів напряму 6.050403 - інженерне матеріалознавство заочної форми навчання.

 

 

Укладачі: І.Г. Рослик, канд. техн. наук, доц.

 

Відповідальний за випуск: С.Й. Пінчук, проф., д.т.н.

 

Рецензент В.А. Гладких, д-р техн. наук, проф. (НМетАУ)

 

 

_____________________
ВСТУП

 

Навчальна дисципліна „Дисперсні матеріали та композити" є нормативною і входить до циклу дисциплін професійно-практичної підготовки студентів напряму 6.050403 - інженерне матеріалознавство.

Мета вивчення дисципліни - опанування теоретичних основ одержання порошків, їх формування та спікання, одержання сучасних композиційних матеріалів методами порошкової металургії.

У результаті вивчення дисципліни студент повинен:

знати:
- класифікацію методів одержання порошків;
- властивості порошків;
- технологію формування деталей з порошків;
- спікання виробів з металевих порошків;
- класифікацію конструкційних матеріалів;
- призначення антифрикційних матеріалів;
- основи одержання сучасних композиційних матеріалів.

вміти:

- самостійно провести визначення насипної щільності, щільності після струсу, текучості металевих порошків;

- провести визначення гранулометричного складу, пікнометричної щільності та кута природного укосу часток;

- виконувати розрахунок маси наважки перед формуванням;

- вибирати технологію виготовлення порошкового спеченого виробу відповідно до заданих умов експлуатації.

Дисципліна «Дисперсні матеріали та композити» базується на знаннях, отриманих студентами при вивченні дисциплін «Хімія», «Фізична хімія», «Теорія металургійних процесів», «Металознавство».

 

Набуті знання і вміння використовуються при Державній атестації бакалаврів і вивченні спеціальних дисциплін при подальшому навчанні на ОКР «спеціаліст» і «магістр» за спеціальністю «Композиційні та порошкові матеріали, покриття».

 

РОБОЧА ПРОГРАМА ДИСЦИПЛІНИ

 

Дисципліна «Дисперсні матеріали та композити» вивчається студентами на третьому курсі у I навчальному семестрі.

Таблиця 1.1 – Навчальні години за планом

	Усього
Усього годин за навчальним планом
у тому числі: Аудиторні заняття
з них: лекції
лабораторні роботи
Самостійна робота, усього
Контрольна робота
Підсумковий контроль –	екзамен

Лабораторні роботи передбачають визначення фізичних та технологічних властивостей металевих порошків, дослідження впливу тиску пресування на щільність пресовки, визначення усадки пресовок після спікання.

Вивчення дисципліни передбачає виконання індивідуального завдання. Воно має бути представлено в академію до початку поточної сесії, перевірено викладачем і проведена робота над помилками. Правильно виконане індивідуальне завдання зараховується після співбесіди студента з викладачем. Студент допускається до складання контрольного заходу з дисципліни (екзамен) у разі зарахування індивідуального завдання, виконання розрахунків, які передбачені тематикою лабораторних занять, їх виконання та захист.

ТЕМИ ТА ЗМІСТ ЛЕКЦІЙ

 

Тема 1. Властивості порошків (4 години)

 

Визначення поняття “Порошкова металургія“. Історія розвитку порошкової металургії. Переваги виготовлення виробів методами порошкової металургії.

Хімічні, фізичні і технологічні властивості порошків і методи їхньої діагностики.

Література: [ 1], [ 5 ].

Методичні вказівки

Для вивчення цієї теми необхідно ознайомитися зі змістом дисципліни порошкової металургії і її задачами. Важливо звернути увагу на народногосподарське значення порошкової металургії, можливості цього методу перед традиційними. Необхідно ознайомитися з методами визначення хімічних, фізичних та технологічних властивостей порошків.

Контрольні питання

1. Що вивчає порошкова металургія?

2. Які переваги порошкової металургії?

3. Що розуміють під технологічними властивостями порошку?

4. Що розуміють під фізичними властивостями порошку?

5. Що розуміють під хімічними властивостями порошку?

Тема 2. Методи одержання порошків (4 години)

Класифікація методів одержання порошків. Технологічні особливості одержання порошків фізико-механічними методами: розпиленням рідкого металу різними енергоносіями, подрібнення у твердому стані. Устаткування для диспергування струменя металу, розмелу, розсіву. Технологічні особливості й устаткування для одержання порошків фізико-хімічними методами: відновленням залізорудних матеріалів твердим вуглецем у шарах, що не змішуються, комбінованим відновленням, відновлення оксидів металів газами, металами, електроліз водяних розчинів і розплавлених солей, карбонільний метод і ін.

Методичні вказівки

Технологічний процес виробництва матеріалів і виробів методом порошкової металургії включає одержання металевих порошків, формування з них заготовок, спікання й остаточну обробку (механічна обробка, калібрування, термообробка). Варто вивчити класифікацію методів одержання порошків. Виробництво порошку є першою технологічною операцією при виготовленні спечених виробів. Природа й властивості порошків (величина частинок, стан поверхні і т.д.) залежать від складу матеріалу й методу одержання порошків. Порошки, отримані з того самого вихідного матеріалу, але різними методами, мають відмінні технологічні й фізико-механічні властивості, унаслідок чого мають різні області застосування. Методи одержання металевих порошків підрозділяються на механічні й фізико-хімічні.

Контрольні питання

 

1. У чому основне розходження механічних і фізико-хімічних методів одержання металевих порошків?

2. Які способи відносяться до фізико-хімічних методів одержання порошків?

3. Які способи відносяться до фізико-механічних методів одержання порошків?

 

 

Тема 3. Формування та спікання (4 години)

 

Підготовка порошків до формування. Пресуємість порошків. Процеси, що відбуваються при ущільненні порошків. Залежність щільності брикету від тиску пресування. Брак при пресуванні й фактори, що сприяють його появі. Устаткування для пресування порошків.

Інші методи формування: ізостатичне, мундштукове. Прокатка порошків.

Призначення спікання порошків. Технологічні особливості твердофазного й рідкофазного спікання. Печі спікання. Брак при спіканні й заходи для його попередження.

Література: [ 1], [ 3 ].

Методичні вказівки

Формування є додання заготовкам із порошку форм, розмірів, щільності і механічній міцності, необхідних для наступного виготовлення виробів. Пресування являє собою формування тіл шляхом додатка тиску до порошку, що знаходиться в закритій формі (прес - формі) чи оболонці. У результаті деформування початковий обсяг сипучого порошкового тіла зменшується й формується брикет, називаний пресовкою, заданої форми й розмірів. Залежність щільності пресовки від тиску пресування описується рівнянням М.Ю. Бальшина

lg p = - m × lg Q+ lg P_max , (2.1)

де р - прикладений тиск пресування;

p_max - тиск пресування, що забезпечує одержання безпористої пресовки;

m - постійна, яка враховує природу пресуємого матеріалу і називається показником пресування;

Q - відносна щільність пресовки (Q = g / g _к, де g - щільність пресовки, g _k - щільність безпористого матеріалу пресовки).

Пористість (П) порошкового матеріалу пов'язана з його відносною щільністю рівнянням

П = (1 - Q) × 100%. (2.2)

Правильність вибору наважки порошку, що пресують, – одне з важливих умов виготовлення деталей заданих розмірів і форми. При розрахунку наважки використовують формулу

Q= V× g _k × Q × K₁ × K₂ , (2.3)

де V – об’єм готового виробу;

g _k – щільність безпористого матеріалу;

Q – відносна щільність;

К₁ – коефіцієнт, який враховує втрати порошку при пресуванні, приймаємо рівним 1,01;

К₂ – коефіцієнт, який враховує втрати порошку при спіканні в результаті відновлення оксидів і вигоряння домішок, приймаємо рівним 1,03;

 

Спікання - це термічна обробка пресовок при температурі нижче точки плавлення металу порошку в однокомпонентній системі чи нижче температури плавлення основного металу в багатокомпонентній системі порошків. Розрізняють два випадки спікання: рідкофазне й твердофазне.

Необхідно звернути увагу на процеси, що протікають при твердофазному й рідкофазному спіканні.

Контрольні питання

1. У чому сутність процесу пресування?

2. Які види пресування ви знаєте?

3. Що являє собою мундштукове пресування?

4. Що являє собою прокатка порошків?

5. Яке пресування називають ізостатичним і в чому його сутність?

6. Що являє собою гаряче пресування?

7. Що розуміють під спіканням матеріалу?

8. Яке спікання називають твердофазним?

9. Перелічите основні процеси, що відбуваються при спіканні?

10. Як технологічні фактори впливають на процес спікання й властивості спечених тіл?

11. Яке спікання називають рідкофазним?

Тема 4. Технологія одержання спечених матеріалів (4 години)

 

Спечені конструкційні матеріали. Класифікація, властивості й призначення спечених конструкційних матеріалів, вимоги, пропоновані до них. Технологія виготовлення конструкційних спечених виробів на основі заліза: прямим пресуванням і спіканням, просоченням пористого залізного каркаса металами, сплавами, гарячим пресуванням, екструзією. Технологічні особливості одержання конструкційних виробів різного ступеня навантаження. Термічна й хіміко-термічна обробка спечених конструкційних виробів на основі заліза. Спечені матеріали конструкційного призначення на основі кольорових, тугоплавких металів і їхніх сплавів.

Спечені антифрикційні матеріали. Вимоги пропоновані до вузлів тертя. Основні тенденції у розвитку антифрикційних матеріалів, виготовлених методом порошкової металургії. Фактори, що впливають на властивості антифрикційних матеріалів. Вибір основи і легуючих компонентів антифрикційного матеріалу. Вплив антифрикційних присадок і твердих змащень на несучу здатність матеріалів.

Технологія виготовлення антифрикційних матеріалів. Особливості підготовки вихідної сировини, формування виробів, спікання і додаткова обробка. Технологічні схеми виробництва антифрикційних виробів на різній основі.

Високопористі порошкові матеріали, їхня класифікація й призначення. Основні властивості високопористих матеріалів. Технологія виготовлення фільтрових матеріалів на різній основі: формування, спікання і додаткова обробка. Технологічні варіанти виготовлення високопористих проникних матеріалів, області їхнього застосування.

Застосування порошкових матеріалів у металургії.

Література: [ 1 ], [2 ], [3], [4].

Методичні вказівки

Номенклатура виробів порошкової металургії досить велика, що не дозволяє запропонувати універсальну їхню класифікацію. Найбільш розповсюджена класифікація - поділ виробів на окремі групи й класи по характеру їхньої природи і по областях застосування.

Технологічна схема виробництва порошкового виробу повинна включати такі операції й умови їхнього проведення, що забезпечать виробу необхідні властивості, необхідні умовами експлуатації (твердість, міцність, стійкість проти спрацювання, теплопровідність і т.п.). Одночасно і природа вихідних компонентів і їхні кількісні співвідношення впливають на формування властивостей виробу.

Технологічна схема виробництва конструкційних матеріалів вибирається виходячи зі ступеня їх навантаження при експлуатації, що по прийнятій класифікації має чотири рівні: низьконавантажені, помірнонавантажені, середньонавантажені й важконавантажені матеріали. Основною структурною ознакою таких матеріалів є пористість, що у міру збільшення навантажності змінюється від 25 % для низьконавантажених до 2% для важконавантажених виробів. Відповідно і збільшується механічна міцність таких матеріалів.

При виборі вихідної сировини і технологічної схеми одержання деталі конструкційного призначення необхідно виходити з наступних умов:

а) структура матеріалу повинна бути однорідною, термічно стабільною протягом усього періоду експлуатації;

б) низьконавантажені деталі (пористість 25-16%) виготовляють із залізного порошку з добавкою вуглецю холодним пресуванням і наступним спіканням. Для підвищення корозійної стійкості виробу - просочують олією;

в) помірнонавантажені деталі (пористість 15-10%) виготовляють із порошків вуглецевих чи низьколегованих сталей однократним чи подвійним пресуванням і спіканням. Для деталей підвищеної складності застосовується додаткова механічна обробка, а для середньої складності - калібрування. При необхідності використовується термообробка;

г) средньонавантажені деталі (пористість 9-2%), які експлуатуються при значних навантаженнях, виготовляють із порошків вуглецевих легованих сталей, кольорових металів і сплавів. Використовується подвійне пресування й спікання, гаряче чи холодне штампування, гаряче пресування з наступною термічною чи хіміко-термічною обробкою;

д) важконавантажені деталі (пористість до 2%), що працюють при високих статичних і динамічних навантаженнях, виготовляють із гомогенних порошків високолегованих сталей чи сплавів. Застосовується гаряче чи холодне штампування заготівель із наступною термічною, хіміко-термічною чи термо-механічною обробкою. Перспективні й інші високоенергетичні методи виготовлення (гаряче, ізостатичне, вибухове пресування й ін.)

Варто звернути увагу, що збільшення ступеня навантажності деталі ускладнює як її хімічний склад, так і технологію виробництва.

Технологія виробництва антифрикційного матеріалу повинна забезпечити його специфічні властивості: самозмащування, несуча здатність, припрацьовуваність і ін. Пористість в антифрикційному матеріалі грає і позитивну роль. Відхилення пористості в ту чи іншу сторону може понизити технологічні властивості матеріалу.

Самозмащування антифрикційного матеріалу при використанні рідкого мастила (олії) пояснюється ефектом зниження капілярних сил з підвищенням температури й різницею об'ємного розширення самого матеріалу й олії. Для поліпшення ефекту самозмазування бажано відкрита пористість убік границі ковзання, що можна забезпечити спеціальною конструкцією підшипника.

Несуча здатність, її постійна величина, характерна для порошкового антифрикційного матеріалу.

При використанні графіту як тверде змащення антифрикційного матеріалу варто мати на увазі, що в присутності олії його оптимальний зміст складає близько 3%. Такий матеріал має максимальну міцність і мінімальний знос за рахунок створення колоїдально-графітового змащення.

На відміну від литих матеріалів для порошкових корисна їхнє просочення розплавленою сіркою. Збільшення несучої здатності і зменшення зносу в цьому випадку пояснюється як змазуючи ми властивостями самої сірки, так і утворенням шару сульфідів.

Пористі підшипники мають переваги:

1) дешевизна і не дефіцитність вихідних матеріалів для їхнього виготовлення;

2) простота технології їхнього виготовлення;

3) простота їхньої установки й експлуатації;

4) не зношуваність вала, безшумність роботи.

Технологічна схема виробництва фільтра повинна забезпечити його високу продуктивність при гарній ефективності (ступінь очищення, тонкість фільтрації). Сполучення таких властивостей досягається застосуванням багатошарових фільтрів. У залежності від призначення фільтри виготовляються зі сферичних і несферичних порошків різних металів і сплавів. Фільтри з підвищеною продуктивністю одержують шляхом уведення в шихту добавок, що розкладаються при спіканні (вуглекислий амоній, хлориди, гідриди й ін.). Перспективно відцентрове шликерне лиття, що дозволяє одержувати циліндричні фільтри з декількох шарів матеріалу з різною пористістю.

 

Контрольні питання

1. По яких ознаках класифікуються конструкційні матеріали?

2. Характеристика загальної технологічної схеми виробництва конструкційного матеріалу. Методи одержання мало- і середньонавантажених деталей.

3. Методи одержання важконавантажених конструкційних деталей.

4. Як змінюється хімічний склад конструкційного матеріалу в міру збільшення його навантажності при експлуатації?

5. Як впливають легуючі добавки на структуру й властивості конструкційного матеріалу?

6. По яких ознаках класифікуються антифрикційні матеріали?

7. Якими основними властивостями повинні володіти антифрикційні матеріали?

8. У чому складається принцип самозмазування в підшипниках ковзання?

9. Що таке несуча здатність пористого підшипника, як вона використовується при його експлуатації?

10. Роль пори в порошковому антифрикційному матеріалі.

11. Види змащень, використовуваних при виготовленні пористих підшипників.

12. Основні технологічні властивості фільтрів.

13. Технологічні прийоми одержання високопродуктивних і ефективних фільтрів.

14. Способи виробництва фільтрів із підвищеною пористістю.

15. Методи визначення розміру пор фільтра.

16. Області використання порошкових фільтрових матеріалів.

 

Тема 5. Композиційні матеріали (4 години)

 

Тверді сплави. Класифікація твердих сплавів. Технологічні особливості виготовлення вольфрамвмісних твердих сплавів. Технологічні особливості виготовлення безвольфрамових твердих сплавів.

Високотемпературні метали. Технологія одержання твердих сполук: карбідів, нітридів, силіцидів. Технологія одержання дисперснозміцнених жароміцних матеріалів. Кермети.

Методичні вказівки

Тверді сплави є гетерогенні матеріалами, в яких частинки високо твердих тугоплавких сполук (WC-TiC) зцементовані пластичним металом - з’язкою (Co, Ni,Fe). За складом тверді сплави поділяють на вольфрамвмісні та безвольфрамові.

Високотемпературними називають матеріали, що здатні витримувати робочі температури до 0,8-0,9 від температури плавлення, мати високу та стабільну міцність протягом усього періоду експлуатації, стійкість проти термічних ударів.

Серед високотемпературних матеріалів розрізняють:

- тугоплавкі метали та сплави;

- композиційні матеріали:

· зміцненні дисперсними включеннями;

· армовані волокнами.

- керамікометалеві (кермети).

 

 

Контрольні питання

1. Методи одержання вольфрамвмісних твердих сплавів.

2. Методи одержання безвольфрамових твердих сплавів.

3. За якими ознаками класифікуються тверді сплави?

4. Технологічні особливості одержання дисперснозміцнених матеріалів.

 

 

ІНДИВІДУАЛЬНІ ЗАВДАННЯ