Перспективы применения новых материалов и способы их создания

Современный научно-технический прогресс немыслим без создания новых материалов и технологических процессов, к материалам нового поколения, обладающим высокими эксплуатационными характеристиками, о которых совсем еще недавно можно было только мечтать, относятся сплавы, не имеющие кристаллического строения, названные аморфными, и композиционные материалы.

Создание порошковых материалов, дает возможность не только получения новых особых свойств деталей конструкций, но и позволяет использовать металлические отходы, вторичное сырье, тем самым повысить процент выхода годного металла, а значит, повысить эффективность производства.

Порошковые материалы

Порошковые сплавы представляют собой металлический порошок (железный, из цветных металлов, в некоторых случаях с добавкой графита или других примесей),спрессованный при высоком давлении и подвергнутый спеканию. Такой способ получения порошковых сплавов называется порошковой металлургией.

Порошковые сплавы называет также металлокерамическими ввиду сходства их изготовления с изготовлением керамических изделий.

Порошковые сплавы широко применяют, в различных отраслях машиностроения благодаря высокой экономичности технологии их изготовления (по сравнению с методами литья и штамповки). Особенно эффективны порошковые сплавы на. железной основе как заменителя цветных металлов.

В технологический процесс производства, порошковых сплавов входят:

получение порошков, подготовка шихты, прессование и спекание полученной заготовки, иногда, изделия из порошковых сплавов подвергают дополнительной обработке -калиброванию, горячей допрессовке термической и химико-термической обработке, декоративным и защитным покрытиям.

Порошки получают различными способами: механическим измельчением железной и стальной стружки в шаровых, молотковых и вихревых мельницах: восстановлением из окислов тугоплавких металлов (вольфрам, молибден, железо и др.); распылением жидкого металла сжатым воздухом или паром (алюминия, меди, олова и др.); электролитическим осуждением меди, олова, железа и др.

Порошок подвергают очистке от загрязнений, сушке, дополнительному измельчению, отжигу (для снятия наклепа, улучшения однородности металлов в защитной или восстановительной атмосфере), классификации по размеру (с помощью набора, стандартных сит), смешиванию (в специальных смесителях). Прессование проводят в штампах - пресс-формах. При прессовании происходит механическое сцепление частиц порошка. Спекание представляет собой специальный отжиг спрессованных заготовок, его проводят с целью повышения их механических свойств. При спекании происходит восстановление окислов на металлических частичках и образование прочного металлического контакта, снятие внутренних напряжений и искажений в кристаллической решетке, рекристаллизация, диффузия, В результате спекания мало прочные механические связи между частицами порошка заменяются более прочными межатомными связями. Спекание осуществляют в печах с защитной атмосферой. Температура спекания заготовок, спрессованных из порошка одного металла, составляет примерно 75 % от температуры плавления данного металла. Например, для железа эта температура равна 1100- 1200⁰ С, для меди 800-900⁰С, для молибдена 2100-2300 ⁰С.

Спекание заготовок из порошков с большой разницей в температурах плавления ведут при температуре, превышающей температуру плавления наиболее легкоплавкого компонента. При спекании образуется жидкая фаза например, температура спекания порошков железа и меди 1100-1200⁰С, меди и олова 700-800 ⁰С. Продолжительность спекания обычно составляет 1-3 ч. Прессование и спекание можно совместить в одну операцию, называемую горячим прессованием. В этом случае применяют более низкое давление, составляющее 5-10% давления обычного прессования и более низкие температуры (на 10-30% ниже температуры спекания холодно-прессованных заготовок). Наиболее распространенными видами брака при спекании являются пережог, плохо пропеченная сердцевина, неравномерная плотность, усадочные макропоры, коробление, трещины, расслоение, несоответствие заданным свойствам и размерам.

Применение порошковых сплавов

В зависимости от назначения порошковые сплавы делят на фрикционные, антифрикционные, плотные, тугоплавкие, электротехнические и твердые сплавы.

Антифрикционные сплавы. Эти сплавы получают из порошков, как черных, так и цветных металлов. При наличии пор, в которых удерживается смазка, и наличие графита, являющегося твердой смазкой, подшипники отличаются малым износом, малым коэффициентом трения, потребляют меньше смазки, хорошо прирабатываются.

Фрикционные сплавы. Эти сплавы, применяемые для тормозных устройств, должны иметь высокий коэффициент трения, обладать износостойкостью, высокой теплопроводностью, хорошей прирабатываемостью.

Плотные сплавы. Эти сплавы, применяемые для деталей машин и измерительного инструмента, получают из порошков железа, стали, меди, бронзы, латуни. В данном случае упрощается технологический процесс, сокращается расход материала, снижается трудоемкость производства.

Тугоплавкие металлы и сплавы. Эти металлы - вольфрам, молибден, титан, и другие, применяемые в виде прутков, проволоки и листа, получают прессованием порошков в холодном состоянием в брикеты, спеканием в атмосфере водорода (вольфрам и молибден) или в вакууме(титан).

Электротехнические сплавы. Эти сплавы, применяемые для электрических контактов, магнитов, сердечников индукционных катушек, получают из порошков, железа, вольфрама, бронзы и графита, железа и никеля, и специальных сплавов.

В последние годы нашли применение порошковые быстрорежущие стали (10Р6М5-МП, Р6М5К5-МП, Р12ФЗ-МП и др.), которым не свойственна карбидная неоднородность, они хорошо шлифуются даже при большом содержании ванадия (3,0-4,0%) и обладают высокими режущими свойствами. Широко применяют порошковые инструментальные твердые сплавы, состоящие из карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), связанных кобальтом.

Порошки в металлургии применяют для получения специальных сплавов специальных сплавов: жаропрочных на никелевой основе, дисперсно-упрочненных материалов на основе Ni, Al, Ti и Сг. 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 ОАО с особыми физическими свойствами. Они содержат большое количество легирующих элементов САС1 (20-30% Si, 5-7%, Ni, остальное Al). Из СAC1 делают детали приборов, работающих в паре со сталью при температуре 20-30 °С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности. В оптико-механических и других приборах нашли применение высокопрочные порошковые сплавы системы Al-Zn-Mg-Co (ПВ90, ПВ90Т и др.). Эти сплавы обладают высокими механическими свойствами, хорошей обрабатываемостью резанием и релаксационной стойкостью. Изделия из этих сплавов подвергают термической обработке по режимам Т1 и Т2 (искусственное старение, отжиг). Применяют гранулированные специальные сплавы с высоким содержанием Fe, Ni, Co, Мп, Cr, Zn, Ti, V и других элементов, малорастворимых в твердом алюминии. Гранулы - литые частицы диаметром от десятых долей миллиметра до нескольких миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью 10 ⁴ –10^{6 0}С/с, что позволяет получить сильно пересыщенные твердые растворы переходных элементов в алюминий. При последующих технологических нагревах (400 - 450 °С) происходит распад твердого раствора с образованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав.

Все более широкое применение получают компактные материалы из порошков углеродистой и легированной стали, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана, для изготовления всевозможных шестерен, кулачков, кранов, корпусов подшипников, деталей автоматических передач и других деталей машин. Свойства изделий, полученных из порошков, во многих случаях не уступают свойствам изделий, полученных обычными металлургическими методами. Однако следует учитывать, что с увеличением пористости ухудшаются механические свойства. Например прочность стали (σ_в, σ_о2 ) при пористости выше 3 - 5%, а пластичность и вязкость выше 1 - 2% заметно снижаются. Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования металлов до 0,7-0,9, повысить производительность труда и снизить себестоимость детали по сравнению с обычной технологией, не смотря на более высокую стоимость металлических порошков. Экономическая эффективность достигается благодаря резкому сокращению или полному исключению механической обработки. Порошковые материалы наиболее эффективны в массовом производстве.

Композиционными называют материалы, которые представляют собой соединение высокопрочных, жаропрочных или особо жестких (высокомодульных) тонких волокон и полимерной, металлической или керамической матрицы, в которую эти волокна погружены и которая связывает их в монолитное тело.

Именно такие волокна, из-за, ряда особенностей позволяют материалу обрести рекордные характеристики.

Композиционные материалы по жесткости и удельной прочности, прочности при высокой температуре, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам, значительно превосходят все известные конструкционные сплавы.Свойства композиционных материалов определяются физико-механическими свойствами компонентов и прочностью связи между ними. Композиционные материалы могут быть двух типов:

а) на металлической основе, основой (матрицей) в которой служат металлы или сплавы;

б) композиционные материалы на неметаллической основе, основой (матрицей) в которой являются полимеры, углеродные или керамические материалы.

Свойства матрицы определяют технологию получения композиционных материалов и такие важные характеристики, как температура эксплуатации, сопротивление усталостному разрушению, плотность и удельная прочность.

Упрочнители (наполнители) равномерно распределены в матрице. По твердости,прочности и модулю упругости упрочнители, или, как их называют, армирующие компоненты должны значительно превосходить матрицу.

По форме армирующих компонентов композиционные материалы разделяют на:

1) дисперсно-упрочненные, в которых армирующие компоненты присутствуют в виде частиц малого размера:

2) волокнистые, в которых армирующие компоненты представляют собой волокна или пластины.

Дисперсно-упрочненные композиционные материалы в качестве наполнителей содержат дисперсные частицы тугоплавких фаз - оксидов, нитридов, боридов, карбидов (АlОз, SIO,SIC и др.).Эти тугоплавкие соединения имеют высокий модуль упругости, низкую плотность, не взаимодействуют с материалом матриц. По сравнению с волокнистыми композиционными материалами, дисперсно-упрочненные обладают большей изотропностью свойств.

Волокнистые композиционные материалы в качестве наполнителей содержат волокна, или нитевидные кристаллы чистых элементов и тугоплавкие соединения (В, С, А1₂0₃ и др.), а также проволоку из металлов и сплавов(Мо, W, Be, высокопрочной стали и др.). Волокнистые композиционные материалы обладают значительной анизотропией. Свойства их зависят от схемы армирования. Наибольшая анизотропия наблюдается при армировании вдоль одной оси. При армировании вдоль двух перпендикулярных осей aнизотропии почти не наблюдается.

Аморфные металлы - это металлы и металлические сплавы, у которых отсутствует дальний порядок в расположении атомов. Иногда, их называют металлическими стеклами или некристаллическими сплавами.