Металлостеклянные материалы

Металлостеклянные материалы - порошковые материалы, полученные из смеси порошков металла и стекла. Изделия из них получают холодным прес­сованием шихты с последующим спеканием заготовок, горячим статическим прессованием или горячей штамповкой заготовок, пропиткой расплавленным стеклом пористых металлических заготовок. Стеклянную компоненту представ­ляют собой порошки тарного, оконного, кварцевого, термостойкого, электрова­куумного и других стекол, полученные измельчением в различных мельницах или аттриторах.

Стекла являются аморфными, метастабильными и изотропными веществами. Характерная особенность стеклянного расплава - возрастание вязкости при понижении температуры, причем процесс твердения идет без образования новой фазы. Структура представляет собой скопление чрезвычайно мелких (1,2-1,5 им), значительно деформированных кристаллов или кристаллитов, центральная часть которых имеет структуру, близкую к строению кристалли­ческой решетки, а периферийная - аморфную. Вязкость стекла во время варки составляет 10 Н'/м, при прессовании из него изделий - не более 4 10⁷ Н/м, при спекании - около 10⁹ Н/м.

Повышают вязкость стекла такие составляющие, как SiO₂, А1₂О₃, ZrО₂, Мg0, снижают ее - Na₂О, К₂О, Li₂0, РbО, ВаО, ZnO. Борный ангидрид В₂0₃ значительно повышает вязкость стекла при высокой температуре; содержа­ние В₂О₃ до 15 % при низкой температуре повышает ее значение, большее содержание — уменьшает. Для изготовления металлостеклянных материалов с повышенной коррозионной стойкостью рекомендуют стекла № 23, № 29, № 36, № 40, № 46 и др. При изготовлении изделий с повышенной термостой­костью рекомендуют стекла № 17, ЗС-9, ЗС-11, № 46, цирконовое и другие, а для получения жаропрочных материалов - пирекс, 13В, № 40, кварце­вое и др.

При спекании порошковых материалов на границе раздела твердой метал­лической и жидкой стеклянной фаз происходит взаимодействие свободного кремнезема с оксидами металла. Расплавленное стекло хорошо смачивает все металлы при наличии на их поверхности пленки оксидов при достижении тем­пературы, достаточной для взаимодействия оксидов и кремнезема расплава, которая обычно ниже температуры плавления основного металла. Последняя должна существенно превышать температуру жидкого расплава. При соедине­нии размягченного стекла с поверхностью окисленного металла оксиды растворются в стекле и образуются комплексные соединения (силикаты). При удале­нии оксидов с поверхности металла смачивания их стеклом не наблюдается.

Приготовление шихты включает операции подготовки исходных компо­нентов, взвешивание и смешивание. Введение стекла ухудшает уплотняемость шихт при прес­совании. Закономерности уплотнения металлостеклянных шихт аналогичны, общим закономерностям уплотнения металлических порошков.

Процессы спекания порошковых конструкционных материалов значительно-активизируются при введении в шихту порошков стекол и подчи­няются общим закономерностям спекания. В результате химического взаимо­действия оксидов металлической фазы и стекла образуются минералы типа-файялита Fе₂5iO₄, т. е. в процессе спекания происходит ситаллизация с повышением твердости (с 6,5-7,2 до 10,5-12,0 ГПа) и прочности неме­таллического наполнителя. Следствием химического взаимодействия оксидов и стекла является рафинирование поверхности металлических частиц.

Кинетика пропитки металлических пористых заготовок расплавленным стеклом подчиняется общим закономерностям пропитки, однако в связи с высо­кой вязкостью расплава скорость процесса в 10-100 раз ниже, чем при про­питке расплавленными металлами.

Металлостеклянные материалы имеют ярко выраженную гетерогенную-структуру металлическую матрицу и равномерно распределенные стеклян­ные включения. Структура металлической матрицы аналогична структуре материалов, не содержащих стеклянную фазу (при их одинаковых химическом-составе и технологии получения). Стеклянные частицы в процессе спекания или нагрева под штамповку изменяют свою форму с осколочной на более округ­лую, их средний размер возрастает от 1-10 до 20-60 мкм.

В пористых металлостеклянных материалах стеклянная фаза снижает прочность, пластичность и упругость: в этом случае механические свой­ства определяются соответствующими механическими характеристиками спе­ченного металлического каркаса При получении беспористых металлостеклян­ных материалов стеклянная фаза ситаллизируется и повышает общую проч­ность материала по сравнению с пористыми. Металлостеклянные беспористые материалы на основе углеродистых сталей подвергают закалке и отпуску, при этом твердость возрастает до 55-60 НКС.

Механические свойства металлостекляннего материала железо + 1 % гра­фита + 5 % стекла при повышенных температурах составляют s_в=600 МПа при Т=300 ⁰С. С повышением содержания коррозионностойкого стекла в железостек-лянных материалах до 12 мас. % и температуре спекания до 1200 °С скорость коррозии материала снижается в 5-7 раз. Материалы на основе порош­ков нержавеющих сталей Х23Н18 и Х18Н9 с 10 мае. % стекла марки ВВС характеризуются наибольшей склонностью к пассивации и повышенной стой­костью в 1 %-ном растворе серной кислоты. После термической обработки металлическая матрица на основе углероди­стых и легированных сталей имеет микротвердость порядка 5-6 ГПа, стеклян­ная фаза - 8-12 ГПа, что предопределяет высокую износостойкость металло­стеклянных материалов. Оптимальные фрикционные и физико-механические свойства материалов наблюдаются при введении 15— 25 об. % стекла. Одним из применяемых в технике ианосостойких материалов, работающих без смазки в вакууме, является металлостеклянный материал ПС5ГШ на основе эвтектоидной стали с 15 об. % стеклянной фазы, введенной в виде стеклянного порошка. Материал подвергают термической обработке - закалке с 820-840 °С в водные растворы солей и отпуску при 200 °С в течение 1 ч. Физико-механические свойства материала: s_в = 580 -620 МПа; s_и=1000-1200 МПа; а_н = 100 кДж/м²; d=2-3%; 5258 HRС.

Металлостеклянные материалы в 1,5-5 раз дешевле легированной стали ШХ15, превосходят ее при равной твердости: при трении без смазки - в 3-11 раз, при работе в абразивной среде — в 1,9—2,5 раза.

Материал на основе легированного нихрома сохраняет до 700 °С высокие механические свойства и высокую износостойкость в условиях действия газо­вых и жидких сред (v до 75 м/с, р до 0,5 МПа).

Металлостёклянные материалы применяют при изготовлении тяжелонагру­женных узлов трения (шестерен, кулачков, храповиков, уплотнительных колец ходовой системы трактора, шпуль ткацких машин, деталей хлопкоуборочных и других сельхозмашин), работающих при ограниченном подводе смазки или при ее отсутствии.