Порошковые и композиционные материалы

Порошковые и композиционные материалы

инистерство образования РФ

Тюменский Государственный Нефтегазовый Университет

Кафедра «Материаловедения»

РЕФЕРАТ

По дисциплине: «Материаловедение»

На тему:

Порошковые и композиционные материалы

Выполнил:

студент группы ___________

Relax

Проверил:

Тюмень 2001

Содержание

|I. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ |3 |

|Композиционные материалы |3 |

|Карбоволокниты |3 |

|Бороволокниты |4 |

|Органоволокниты |4 |

|Металлы, армированные волокнами |4 |

|II. ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ |4 |

|III. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ |5 |

|Производство порошков |5 |

|Испытание порошков |6 |

|Прессование |6 |

|Спекание |7 |

|IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ |8 |

|Микроструктура |8 |

|Область применения |10 |

|Схема производства |11 |

|VI. ПРОЧИЕ ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ |12 |

|Антифрикционные сплавы |12 |

|Фрикционные материалы | |13 |

| | | |

| | |14 |

|Пористые фильтры | | |

|Керметы |15 | |

| | | |

|СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ | | |

| |17 | |

I. КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Композиционные материалы — это искусственные материалы, получаемые

сочетанием компонентов с различными свойствами. Одним из компонентов

является матрица (основа), другим - упрочнители (волокна, частицы). В

качестве матриц используют полимерные, металлические, керамические и

углеродные материалы. Упрочнителями служат волокна - стеклянные, борные,

углеродные, органические, нитевидные кристаллы (карбидов, берилов, нитридов

и др.) и металлические проволоки, обладающие высокой прочностью и

жесткостью. При составлении композиции эффективно используются

индивидуальные свойства составляющих композиций. Свойства композиционных

материалов зависят от состава компонентов, количественного соотношения и

прочности связи между ними. Комбинируя объемное содержание компонентов,

можно, в зависимости от назначения, получать материалы с требуемым и

значениями прочности, жаропрочности, модуля упругости или получать

композиции с необходимыми специальными свойствами, например магнитными и т.

п.

Содержание упрочнителя в композиционных материалах составляет 20-80 %

по объему. Свойства матрицы определяют прочность композиционного материала

при сжатии и сдвиге. Свойства упрочнителя определяют прочность.

Композиционные материалы имеют высокую прочность, жесткость,

жаропрочность и термическую стабильность. Так, для карбоволокнитов d=650-

1700 МПа, а для бороволокнитов d=900-1750 МПа. Плотность композиционных

материалов 1,35- 1,8 г/см^3 Композиционные материалы являются весьма

перспективными конструкционными материалами для многих отраслей

машиностроения.

Карбоволокниты (углепласты) - это композиции из полимерной матрицы и

упрочнителей в виде углеродных волокон. Для полимерной матрицы используются

полиимиды, эпоксидные и фенол формальдегидные смолы. Карбоволокниты КМУ-2 и

КМУ-2л на основе полиимидов можно применять при температуре до 300°С Они

водо- и химостойки. Карбоволокниты содержат, наряду с угольными, стеклянные

волокна, что удешевляет материал. Карбоволокниты используют в химической,

судостроительной и авиационной промышленности.

При обработке обычных полимерных карбоволокнитов в инертной или

восстановительной атмосфере получают графитированные карбоволокниты или

Карбоволокниты на углеродной матрице. Так, карбоволокнит на углеродной

матрице типа КУП-ВМ по прочности и ударной вязкости в 5—10 раз превосходит

специальные графиты: При нагреве в инертной атмосфере он сохраняет

прочность до 2200*C. Карбоволокниты с углеродной матрицей широко применяют

при изготовлении химической аппаратуры.

Бороволокниты — это композиции из полимерного связующего и упрочнителя

- борных волокон. Для получения бороволокнитов применяют модифицированные

эпоксидные и полиимидные связующие. Бороволокниты имеют высокую прочность

при сжатии, сдвиге, высокую твердость, тепло- и электропроводность.

Бороволокниты водо- и химостойки. Изделия из бороволокнитов применяют в

космической и авиационной технике (лопатки и роторы компрессоров, лопасти

винтов вертолетов и т. д.).

Органоволокниты - это композиции из полимерного связующего и упрочнителей

из синтетических волокон. Упрочнителями служат эластичные волокна, лавсан,

капрон, нитрон и др. Связующими служат полиимиды, эпоксидные и

фенолформальдегидные смолы. Органоволокниты имеют малую плотность,

сравнительно высокую ударную вязкость. Органоволокниты применяют в

авиационной технике, электропромышленности, химическом машиностроении и др.

Металлы, армированные волокнами - композиционные материалы с металлической

матрицей и упрочнителями в виде волокон. Упрочнителями служат волокна бора,

углеродные волокна, нитевидные кристаллы тугоплавких соединений,

вольфрамовая или стальная проволока. Матричный материал выбирают из учета

назначения композиционного материала (коррозионная стойкость, сопротивление

окислению и др.). В качестве матриц используют легкие и пластичные металлы,

алюминий, магний и их сплавы. Количество упрочнителя составляет по объему

30-50%. Металлы, армированные волокнами, применяются в авиационной и

ракетной технике.

Использование композиционных материалов требует в ряде случаев создания

новых методов изготовления деталей и изменения принципов конструирования

деталей и узлов машин.

II. ПОРОШКОВЫЕ СПЛАВЫ

Сплавы, изготовляемые из металлических порошков путем прессования и

спекания без расплавления или с частичным расплавлением наиболее

легкоплавкой составляющей их, называются порошковыми.

Несмотря на то, что объем производства порошковых сплавов невелик и

составляет всего 0,1% от общего объема производства металлов, они имеют

очень большое значение в народном хозяйстве и область их применения

чрезвычайно широка. При этом изготовление многих сплавов практически

возможно только из порошка, например, изготовление твердых

металлокерамических сплавов, керметов, сплавов из тугоплавких металлов —

вольфрам, молибден, тантал, ниобий — или композиций этих металлов с

легкоплавкими металлами, или из металлов с неметаллическими материалами.

Многие детали из порошковых сплавов отличаются лучшими качествами и

дешевле, чем из обычных металлов.

Области применения и составы порошковых сплавов приведены в табл. 1.

Особенно велико значение порошковой металлургии в новых отраслях техники:

атомной и химической промышленности, ракетной технике, реактивных

двигателях, радио- и электротехнике, энергетической промышленности и в

производстве особо жаропрочных сплавов.

III. ОСНОВЫ ПРОИЗВОДСТВА ПОРОШКОВЫХ СПЛАВОВ

Процесс производства порошковых сплавов заключается в получении

порошка, составлении шихты, прессовании и спекании.

Производство порошков. Важнейшими методами производства порошков

являются:

1) восстановление металлов из окислов;

2) механическое измельчение;

3) электролитическое осаждение;

4) распыление жидкого металла;

5) нагрев и разложение карбонилов.

Наибольшим распространением пользуются первые два метода.

Восстановление металлов из окислов широко применяется в производстве

порошков тугоплавких редких металлов, вольфрама и молибдена, а также

кобальта, никеля и железа. Руды редких металлов подвергаются сложной

переработке и размолу для получения порошков окислов, которые

восстанавливаются затем путем нагрева в газовой среде водородом,

генераторным газом или твердыми восстановителями—сажей, коксом, графитом.

Иногда применяется комбинированное восстановлена путем нагрева вместе с

твердым и газовым восстановителем. Восстановление из окислов позволяет

получить очень мелкие и чистые порошки.

Таблица 1. Применение и состав порошковых сплавов

|Тип порошковых |Назначение |Исходные материалы |

|сплавов | | |

|Антифрикционные |Для подшипников |Порошки железа и |

| |скольжения |графита Порошки меди, |

| | |олова и графита |

|Фрикционные |Для тормозных дисков |Порошки меди, олова, |

| | |свинца, графита, |

| | |асбеста и пр. Порошки |

| | |железа, свинца, |

| | |графита и асбеста |

|Пористые |Для фильтров |Бронзовая дробь |

|Плотные |Для деталей машин из |Порошки железа и |

| |стали и жаропрочных и |различных металлов |

| |окалино-стойких | |

| |сплавов | |

|Тугоплавкие |ДЛЯ проволоки ДЛЯ ламп|Порошки вольфрама, |

| | |молибдена и других |

| |контактов и деталей |туго-плавких металлов |

| |приборов | |

|Электротехнические|Для контактов н |Порошки меди, |

| |постоянных магнитов |вольфрама и др. |

| | |Порошки железа, |

| | |алюминия, никеля и |

| | |кобальта. |

|Твердые сплавы |Для режущего |Порошки карбида |

| |инструмента. Волок, |вольфрама, карбида |

| |буры |титана, кобальта |

При механическом измельчении — размоле на шаровых, молотковых и

особенно на вихревых мельницах — наиболее выгодным является использование

металлической стружки. Шаровые мельницы применяются для размола хрупких

металлов — чугуна, закаленной стали, бронзы, окислов и др. Молотковые

мельницы применяются для получения порошков алюминия и бронзы.

С 1930 г. начали широко применять вихревые мельницы, в которых

измельчение производится ударами частиц металла друг о друга под действием

воздушных вихрей. Вихревое дробление применяется для производства железных

порошков для пористых подшипников, стальных деталей и др. Некоторые

металлы, например алюминий и магний, во избежание воспламенения измельчают

в защитной атмосфере. Порошки, полученные путем механического измельчения,

тверды, плохо прессуются и требуют отжига для снятия наклона.

Электролитическое осаждение применяется для производства порошков

электроположительных металлов — меди и некоторых других металлов, например,

титана, ванадия я других, а иногда также и железа.

Распыление жидкого металла потоком сжатого воздуха, пара или инертного

газа сначала применяли для производства порошков легкоплавких металлов —

алюминия, олова и свинца. В настоящее время этим методом распыляют также

расплавленные сталь и чугун.

Испытание порошков. Порошковая металлургия предъявляет ряд требований

к форме и размерам порошков. Например, для некоторых деталей требуются

порошки чешуйчатой формы, полученные на вихревых мельницах, а для фильтров,

наоборот, — шарообразной формы, полученные распылением. Прессуются лучше

крупные порошки, особенно если среди них есть и мелкие частицы, а спекаются

лучше мелкие. Зернистость порошков определяется путем ситового анализа:

порошок просеивают через ряд сит со все более мелкими отверстиями и

взвешивают остатки с каждого сита. Форму зерен определяют, рассматривая их

под микроскопом с сетчатым окуляром. Насыпной вес порошка определяется

весом 1 см3 свободно насыпанного порошка. Он зависит от размера, формы и

состояния поверхности его частиц и является очень важной его

характеристикой.

При конструировании прессформ необходимо знать насыпной вес порошка,

который будет в них прессоваться, чтобы определить объем полости матрицы и

ход пуансона. Перед прессованием порошки просеивают, подвергают смягчающему

или восстановительному отжигу и тщательно (длительно) перемешивают.

Прессование. Для прессования применяют большей частью быстроходные

легко автоматизируемые эксцентриковые (кривошипные) прессы, а иногда и

тихоходные гидравлические прессы. Прессование производится в прессформах

при давлении от 10 до 100 кГ/мм2 (от 98 до 981 Мн/м2) в зависимости от

твердости порошка и формы изделия: чем тверже порошок, тем больше давление

прессования, при этом усадка получается от 2:1 до 6:1.

Вследствие трения порошка о стенки прессформы процесс прессования

получается прерывистым, ступенчатым, нагрузка и сжатие порошка меняются

скачками. Важнейшую роль при сильных давлениях прессования играет

пластическая деформация частиц порошка, которая вызывает увеличение

поверхности соприкосновения (контактной поверхности) их между собой.

Прочность прессования объясняется двумя причинами: атомарным схватыванием

на контактной поверхности — «зацеплениями», переплетением неровностей на

поверхности частиц порошка.

В различных частях сечения порошок уплотняется неодинаково. При

последующем спекании усадка может оказаться неоднородной, и

недопрессованная часть будет плохо спекаться. Поэтому прессование проходит

лучше при наличии деталей небольшой высоты. Вместе с тем порошок не может,

подобно жидкости, заполнить очень сложную фасонную форму; следовательно, из

порошковых сплавов можно изготовлять детали сравнительно не очень сложной

формы.

Спекание. Для спекания порошковых сплавов применяют электропечи с

металлическим сопротивлением, с угольными сопротивлениями в виде труб и

высокочастотные. Спекание производится в защитной атмосфере. Для спекания

медных сплавов, железа и фрикционных материалов применяют защитные

атмосферы, получаемые при частичном сжигании газа. При спекании вольфрама,

молибдена, твердых сплавов, магнитных и электротехнических материалов

применяют водород. Температура спекания составляет примерно 2/3 температуры

плавления металла, например для меди 800-850° С, для железа — 1050-1150° С.

Длительность спекания примерно 2—3 ч. Различаются два основных типа

спекания — спекание однокомпонентной системы, спекание многокомпонентной

системы с образованием или без образования жидкой фазы. При спекании

происходят следующие пиления: повышение температуры увеличивает подвижность

атомов, происходит изменение контактной поверхности частиц, которая

большей частью увеличивается; происходит снятие напряжений в местах

контакта и рекристаллизация, сопровождающаяся ростом зерна через контактные

поверхности; восстанавливаются окислы и удаляются адсорбированные газы и

жидкости, и результате контакт становится металлическим.

В случае многокомпонентных систем, кроме перечисленных явлений,

происходит образование твердых растворов, диффузия и образование химических

соединений. При спекании порошков с большой разницей температур плавления,

например порошков карбида вольфрама с порошком кобальта, образуется жидкая

фаза, которая капиллярными силами стягивает нерасплавившиеся частицы. В

результате получаются плотные детали. Иногда, например при производстве

медновольфрамовых электродов, сначала прессуют и спекают порошковый

вольфрамовый каркас, потом пропитывают его расплавленной медью. Спекание

обычно сопровождается усадкой, которая тем больше, чем выше температура

спекания и чем ниже давление прессования. Усадка изменяет размеры деталей;

поэтому детали, требующие высокой точности, например подшипники н зубчатые

колеса, после спекания калибруют путем протягивания через сквозные

прессформы. У сплавов, образующих жидкую фазу, усадка и процессе спекания

составляет 5 - 25%, а у сплавов, не образующих жидкой фазы, 0,5—2,5%.

Горячее прессование, совмещающее прессование и спекание, благодаря

ряду преимуществ начинает распространяется всё шире. При горячем

прессовании требуется более низкое давление, которое составляет всего 5—10%

давления обычного прессования. Порошок лучше заполняет форму, и горячее

прессование позволяет получать детали более сложной формы и более точных

размеров, не требующих калибрования. Нагрев порошка производится

электрическим током.

IV. ТВЕРДЫЕ СПЛАВЫ

Определение и классификация. Порошковым твердым сплавом называется

сплав, состоящий из тончайших частиц (зерен) карбидов, например WC,

связанных твердым раствором WC в кобальте. В СССР ГОСТ 3882-61

предусматривает две группы металлокерамических (порошковых) твердых сплавов

— вольфрамовые, состоящие из карбида вольфрама и кобальта, и

титановольфрамовые, состоящие из карбида титана, карбида вольфрама и

кобальта.

Металлокерамические или порошковые твердые сплавы применяются при

изготовлении пластинок для оснастки инструмента при обработке металлов

резанием, волок при волочении проволоки, бурового инструмента и других

целей, в том числе для износоустойчивых детален (клапанов насосов,

работающих в коррозионной среде, наконечников пескоструйных аппаратов,

разных направляющих) и измерительного инструмент.

Микроструктура. Качество и режущие свойства порошковых твердых сплавов

зависят от их микроструктуры. Исследование их микроструктуры до травления

обнаруживает пористость (рис.1, а; Х 100).

Микроструктура вольфрамокобальтового твердого сплава ВК 15 после

травления насыщенным солянокислым раствором хлорного железа (рис.1 б; X

1500) обнаруживает следующие две фазы:

-светлые угловатые и шпалообразные зерна фазы WC;

-протравленные в темный цвет участки фазы твердого раствора WC в кобальте.

Светлые зерна WC являются очень твердыми, в режущем инструменте они

служат элементарными режущими частичками, а твердый раствор WC в кобальте—

относительно менее твердый, но более вязкий служит связкой (цементом),

соединяющей между собой зерна WC. Твердый раствор WC в кобальте лучше

протравливается легким окислением на воздухе в электрической печи при 400°

С в течение 10 мин (рис.1, в; X 1500), но очертания WC выявляются здесь

менее четко.

В общем, чем мельче частички (зерна) и чем равномернее они

распределены в микроструктуре, тем лучше режущие свойства и тем выше

прочность металлокерамического (порошкового) вольфрамового твердого сплава

Страницы: 1, 2