Композиционные и порошковые материалы

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 – отрасльтехнологии, 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 втормозных 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=180ч300 МПа и твердость 60–120 НВ, а бронзиграфита: σ_B=30ч50 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.

В оптико-механических и других приборах применяют высоко­прочные порошковые сплавы системы А1–Zn–Mg–Си (ПВ90, ПВ90Т1 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 (см. c. 396).

Применяют гранулированные специальные сплавы c высоким содержанием Fe, Ni, Co, Mn, Сr, Zr, Ti, V и других элементов, мало растворимых в твердом алюминии. Гранулы – литые ча­стицы диаметром от десятых долей до нескольких миллиметров. При литье центробежным способом капли жидкого металла охлаждаются в воде со скоростью 10⁴–10⁶°С/с, что позволяет получить сильно пересыщенные твердые растворы переходных элементов в алюминии. При последующих технологических на­гревах (400–450°С) происходит распад твердого раствора c об­разованием дисперсных фаз, упрочняющих сплав.

Все более широкое применение получают компактные мате­риалы (1–3% пористости) 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.

Изготовляют большое количество порошковых конструкционных (СП10-1 ... СП10-4, СП30-1 ... СП30-4, СП30Д3-2, СП60Н2Д2-2, СП30Н3М-2, СП40Х-2, СП45Х3-2 и др.), мартенситно-стареющих (СПН12К5М5Г4ТЮ, СПН12Х5М3Т и др.), коррозионно-стойких (СПХ17Н2, СПХ18Н15, СПХ23Н28 и др.) и дру­гих сталей. В маркировке сталей добавочно введены буква «С», которая указывает класс материала – сталь, и буква «П» – порошковая. Цифра после дефиса показывает плотность стали в процентах. Стали подвергают термической обработке.

Свойства сталей, полученных из порошков после термической обработки, во многих случаях уступают свойствам сталей, полу­ченных обычными металлургическими методами. Механические свойства порошковой стали зависят от плотности и содержания кислорода. При пористости более 3% заметно уменьшаются σ_В, σ_0,2, KCU, а порог хладноломкости t₅₀повышается даже при уве­личении пористости более 2%. С повышением содержания кисло­рода более 0,01% снижается KCU и повышается t₅₀.

Поэтому рекомендовать порошковую технологию для высоко­нагруженных стальных деталей нельзя. Вследствие более низких механических свойств, высокой стоимости исходного материала и энергоемкости процесса спекания порошковая конструкцион­ная сталь может быть использована только для изготовления мало нагружаемых изделий, главным образом сложной формы.

Сплавы на основе цветных металлов (АЛП-2, АЛПД-2-4, АЛПЖ12-4, БрПБ–2, БрПО10–2, БрПО10Ц3–3, ЛП58Г2-2 и др.) нашли широкое применение в приборостроении электро­технической промышленности и электронной технике. В марке сплавов первые буквы, указывают класс материала («Ал» – алю­миний, «Б» – берилий, «Бр» – бронза, «Л» – латунь и т.д.), буква «П» – порошковый сплав и число после дефиса – плот­ность материала в процентах. Буквы («Д» – медь, «Ж» – же­лезо, «Г» – марганец и др.) и цифры в марке указывают состав сплава. Так же как обычные сплавы, порошковые сплавы на основе цветных металлов обладают высокой теплопроводностью и элек­тропроводимостью, коррозионной стойкостью, немагнитны, хо­рошо обрабатываются резанием и давлением.

Порошковая металлургия позволяет увеличить коэффициент использования металла и повысить производительность труда.

Экономическая эффективность достигается благодаря сокра­щению или полному исключению механической обработки. Вслед­ствие высокой стоимости пресс-форм изготовление деталей машин методами порошковой металлургии эффективно только в массовом производстве.

Применение порошковых материалов рекомендуется при из­готовлении деталей простой симметричной формы (цилиндриче­ские, конические, зубчатые), малых массы и размеров. Конструк­тивные формы детали не должны содержать отверстий под углом к оси заготовки, выемок, внутренних полостей и выступов. Кон­струкция и форма детали должны позволять равномерно запол­нять полость пресс-формы порошками, их уплотнение, распреде­ление напряжений и температуры при прессовании и удалении изделия из пресс-формы.

3.ИЗГОТОВЛЕНИЕ МЕТАЛЛОКЕРАМИЧЕСКИХ ДЕТАЛЕЙ

3.1. Приготовление смеси

Процесс приготовления смеси состоит из классификации порошков по размерам частиц, смешивания и предварительной обработки.

Порошки с размерами частиц 50 мкм и больше разделяют по группам просеиванием на ситах, а более мелкие порошки – воздушной сепарацией. В металлические порошки вводят технологические присадки различного назначения: пластификаторы (па­рафин, стеарин, олеиновую кислоту и др.), облегчающие процесс прессования и получения заготовки высокого качества; легко­плавкие присадки, улучшающие процесс спекания, и различные летучие вещества для получения детален с заданной пористостью. Для повышения текучести порошок иногда предварительно грану­лируют. Подготовленные порошки смешивают в шаровых, бара­банных мельницах и других смешивающих устройствах.

Предварительную механическую или термическую обработку (например, отжиг) применяют для повышения технологических свойств порошков.

3.2. Способы формообразования заготовок и деталей

Рис.1. Схемы холодного прессования:
а – одностороннее; б – двустороннее

Заготовки и детали из металлических порошков формообразуют прессованием (холодное, горячее, гидростатическое) и про­каткой.

Холодное прессование. В пресс-форму 2 засыпают определен­ное количество подготовленного порошка 3 и прессуют пуансо­ном 1 (рис.1, а). В процессе прессования увеличивается контакт между частицами, уменьшается по­ристость, деформируются или разру­шаются отдельные частицы. Проч­ность получаемой заготовки обеспе­чивается силами механического сцеп­ления частиц порошка, электростати­ческими силами притяжения и трения. С увеличением давления прессования прочность возрастает. Давление рас­пределяется неравномерно по высоте прессуемой заготовки из-за влияния сил трения порошка о стенки пресс-формы. Это является причиной полу­чения заготовок с различной прочностью и пористостью по высоте. В зависимости от габаритных размеров и сложности прес­суемых заготовок применяют одно- и двустороннее прессование.

Односторонним прессованием (рис.1, а) изготовляют заготовки простой формы с отношением высоты к диаметру меньше единицы и заготовки типа втулок с отношением диаметра к толщине стенки меньше трех, вследствие чего обеспечивается равномерная плотность получаемых заготовок. Двусторонним прессованием (рис.1, б) получают заготовки сложной формы, при этом требуемое давление для получения равномерной плотности уменьшается на 30–40%.

При извлечении детали из пресс-формы ее размеры увеличиваются. Величина упругого последействия в направлении прессования составляет 0,3–0,5% и 0,1–0,2 – в направлении, перпендикулярном прессованию. Указанное необходимо учитывать при расчете исполнительных размеров пресс-форм.

Давление прессования составляет 200–1000 МПа в зависимости от требуемой плотности, размеров, формы прессуемой детали, вида прессуемого порошка и других факторов. Использование вибрационного прессования позволяет резко (в 50–100 раз) уменьшить потребное давление. Рабочие детали пресс-форм изготовляли из высоколегированных, инструментальных сталей и твердых сплавов.

Горячее прессование. При таком прессовании технологически совмещаются процессы формообразования и спекания заготовки с целью получения готовой детали. Горячим прессованием получают детали из твердых сплавов и специальных жаропрочных материалов. Изготовляемые детали характеризуются высокой прочностью, плотностью и однородностью материала. При горячем прессовании применяют графитовые пресс-формы. Высокая температура порошка позволяет значительно уменьшить необходимое давление. Горячее прессование имеет и существенные недостатки: низкую производительность, малую стойкость пресс-форм (4–7 прессовок), необходимость проведения процессов в среде защитных газов, которые ограничивают применение данного способа.

Рис.2. Схема гидростатического
прессования

Гидростатическое прессование. Это прессование применяют для получения металлокерамических заготовок, к которым не предъявляют высоких требований по точности. Сущность процесса заключается в том, что порошок 3, заключенный в эластическую резиновую или металлическую оболочку 2, подвергают равномерному и всестороннему обжатию в специальных герметизированных камерах 1 (рис.2). Давление жидкости достигает 3000 Mпа, что обеспечивает получение заготовок высокой прочти и плотности. При гидростатическом прессовании отпадает необходимость в применении дорогостоящих пресс-форм. Габаритные размеры изготовляемых заготовок зависят от конструкции герметизированной камеры.

Рис.3. Схема прокатки
порошков

Выдавливание. Этим способом изготовляют прутки, трубы и профили различного сечения. Процесс получения заготовок

заключается в выдавливании порошка через комбинированное отверстие пресс-формы. В порошок добавляют пластификатор до 10–12% от массы порошка, улучшающий процесс соединения частиц и уменьшающий трение порошка о стенки пресс-формы. Профиль изготовляемой детали зависит от формы калиброван­ного отверстия пресс-формы. Полые профили выполняют с при­менением рассекателя. Металлокерамические профили получают выдавливанием на гид­равлических и механических прессах.

Прокатка. Этот способ – один из наибо­лее производительных и перспективных спо­собов переработки металлокерамических ма­териалов. Порошок непрерывно поступает из бункера 1 в зазор между валками (рис.3, а). При вращении валков 3 происхо­дит обжатие и вытяжка порошка 2 в ленту или полосу 4 определенной толщины. Про­цесс прокатки может быть совмещен со спе­канием и окончательной обработкой полу­чаемых заготовок. В этом случае лента про­ходит через проходную печь для спекания, а затем поступает на прокатку, обеспечи­вающую заданную ее толщину.

Прокаткой получают ленты из различ­ных металлокерамических материалов (пори­стых, твердосплавных, фрикционных и др.). За счет применения бункеров с перегородкой (рис.3, б) изго­товляют ленты из различных материалов (двухслойные).

Прокаткой из металлических порошков изготовляют ленты толщиной 0,02–3,0 мм и шириной до 300 мм. Применение валков определенной формы позволяет получить прутки различного про­филя, в том числе и проволоку диаметром от 0,25 мм до несколь­ких миллиметров.

3.3. Спекание и окончательная обработка заготовок

Спекание проводят для повышения прочности предварительно полученных заготовок прессованием или прокаткой. В процессе спекания вследствие температурной подвижности атомов порош­ков одновременно протекают такие процессы, как диффузия, восстановление поверхностных окислов, рекристаллизация и др. Температура спекания обычно составляет 0,6–0,9 температуры плавления порошка однокомпонентной системы или ниже темпе­ратуры плавления основного материала для порошков, в состав которых входит несколько компонентов. Процесс спекания реко­мендуется проводить за три этапа: I – нагрев до температуры 150–200° С (удаление влаги); II – нагрев до 0,5 температуры спекания (снятие упругих напряжений и активное сцепление частиц); III – окончательный нагрев до температуры спекания. Время выдержки после достижения температуры спекания но всему сечению составляет 30–—90 мин. Увеличение времени и тем­пературы спекания до определенных значений приводит к увели­чению прочности и плотности в результате активизации процесса образования контактных поверхностей. Превышение указанных технологических параметров может привести к снижению проч­ности за счет роста зерен кристаллизации.

Для спекания используют электрические печи сопротивления или печи с индукционным нагревом. Для предотвращения окис­ления спекают в нейтральных или защитных средах, а для по­вышения плотности и прочности получаемые заготовки повторно прессуют и спекают. Требуемой точности достигают с помощью отделочных операций: калибрования и обработки резанием.

Калибруют заготовки дополнительным прессованием в спе­циальных стальных пресс-формах или продавливанием прутко­вого материала через калиброванное отверстие. При этом по­вышается точность и уплотняется поверхностный слой заго­товки.

Обработку резанием (точение, сверление, фрезерование, на­резание резьбы и т.д.) применяют в тех случаях, когда прессова­нием нельзя получить детали заданных размеров и форм. Особен­ностью механической обработки является пористость металлокерамических заготовок. Не рекомендуется применять обычные охлаждающие жидкости, которые, впитываясь в поры, вызывают коррозию. Пропитка маслом пористых заготовок перед обработ­кой также нежелательна, так как в процессе резания масло вы­текает из пор и, нагреваясь, дымит.

При обработке резанием используют инструмент, оснащенный пластинками из твердого сплава или алмаза. Для сохранения пористости при обработке необходимо применять хорошо заточенный и доведенный инструмент.

3.4. Технологические требования, предъявляемые к конструкциям деталей из
металлических порошков

Технологический процесс изготовления деталей из металлических порошков характеризуется отдельными специфическими особенностями, которые необходимо учитывать при проектировании этих деталей.

При проектировании деталей с высокими требованиями по точности исполнительных размеров необходимо предусматривать припуск на их дальнейшую механическую обработку. Наружные и внутренние резьбы следует изготовлять обработкой резанием. В конструкциях деталей необходимо избегать выступов, пазов и отверстий, расположенных перпендикулярно оси прессования (рис.4, а, 1). Их следует заменять соответствующими элементами, расположенными в направлении прессования (рис.4, б, 5),или изготовлять обработкой резанием. Процесс прессования деталей сопровождается значительной усадкой. По­этому в их конструкциях нельзя допускать значитель­ной разностенности (рис.4, а, 2),которая вызы­вает коробление и образова­ние трещин.

При незначительной разностенности в процессе прес­сования получают более рав­номерную плотность по вы­соте детали (рис.4, б, 6). Длинные тонкостенные кон­струкции (рис.4, а, 3)необходимо заменять на рав­нозначные по эксплуатацион­ным показателям с учетом получения равномерной плотности прессуемой детали (рис.4, б, 7). Толщина стенок должна быть не менее 1 мм.

Рис.4. Примеры конструктивного оформления металлокерамических деталей: а – нетехнологические конструкции; б – технологические конструкции

Для свободного удаления заготовки пресс-форма должна иметь незначительную конусность. При проектировании конических поверхностей необходимо исходить из удобства извлечения за­готовки (рис.4, б, 8),обратная конусность недопустима (рис.4, а, 4). Радиусы перехода сопрягающихся поверхно­стей должны быть не менее 0,2 мм.

4.КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ С МЕТАЛЛИЧСКОЙ
МАТРИЦЕЙ

Рис.5. Схема структуры (а) и армирования
непрерывными волокнами (б)
композиционных материалов

Композиционные материалы состоят из металлической матрицы (чаще Al, Mg, Ni и их сплавы), упрочненной высокопрочным волокнами (волокнистые материалы) или тонкодисперсными тугоплавкими частицами, не растворяющимися в основном металле (дисперсно-упрочненные материалы). Металлическая матрица связывает волокна (дисперсные частицы) в единое целое. Волокно (дисперсные частицы) плюс связка (матрица), составляющие или иную композицию, получили название композиционные ма­териалы (рис.5).

4.1. Волокнистые композиционные материалы.

На рис.5 при­ведены схемы армирования волокнистых композиционных материалов. Композиционные материалы с волокнистым наполни­телем (упрочнителем) по механизму армирующего действия делят на дискретные, в которых отношение длины волокна к диаметру l/d ≈ 10ч10³, и с непрерывным волокном, в которых l/d = ∞. Дискретные волокна располагаются в матрице хаотично. Диаметр волокон от долей до сотен микрометров. Чем больше отношение длины к диаметру волокна, тем выше степень упрочнения.

Часто композиционный материал представляет собой слоистую структуру, в которой каждый слой армирован большим числом параллельных непрерывных волокон. Каждый слой можно армировать также непрерывными волокнами, сотканными в ткань, которая представляет собой исходную форму, по ширине и длине соответствующую конечному материалу. Нередко волокна сплетают в трехмерные структуры.

Композиционные материалы отличаются от обычных сплавов более высокими значениями временного сопротивления и предела выносливости (на 50–100 %), модуля упругости, коэффициента жесткости (Е/γ) и пониженной склонностью к трещинообразованию. Применение композиционных материалов повышает жесткость конструкции при одновременном снижении ее металлоемкости.

Таблица1.Механические свойства композиционных материалов на металлической основе

Материал	σВ	σ-1	Е, ГПа	σВ/γ	Е/γ
	МПа
Бор–алюминий (ВКА–1А)	1300	600	220	500	84,6
Бор–магний (ВКМ–1)	1300	500	220	590	100
Алюминий–углерод (ВКУ–1)	900	300	220	450	100
Алюминий–сталь (КАС–1А)	1700	350	110	370	24,40
Никель–вольфрам (ВКН–1)	700	150	–	–	–

Прочность композиционных (волокнистых) материалов опреде­ляется свойствами волокон; матрица в основном должна пере­распределять напряжения между армирующими элементами. Поэтому прочность и модуль упругости волокон должны быть зна­чительно больше, чем прочность и модуль упругости матрицы. Жесткие армирующие волокна воспринимают напряжения, воз­никающие в композиции при нагружении, придают ей прочность и жесткость в направлении ориентации волокон.

Для упрочнения алюминия, магния и их сплавов применяют борные (σ_В = 2500ч3500 МПа, Е = 38ч420 ГПа) и углеродные (σ_В = 1400ч3500 МПа, Е = 160ч450 ГПа) волокна, а также волокна из тугоплавких соединений (карбидов, нитридов, боридов и оксидов), имеющих высокие прочность и модуль упругости. Так, волокна карбида кремния диаметром 100 мкм имеют σ_В = 2500ч3500 МПа, Е = 450 ГПа. Нередко используют в ка­честве волокон проволоку из высокопрочных сталей.

Для армирования титана и его сплавов применяют молибдено­вую проволоку, волокна сапфира, карбида кремния и борида титана.

Повышение жаропрочности никелевых сплавов достигается армированием их вольфрамовой или молибденовой проволокой. Металлические волокна используют и в тех случаях, когда тре­буются высокие теплопроводность и электропроводимость. Пер­спективными упрочнителями для высокопрочных и высокомодуль­ных волокнистых композиционных материалов являются нитевид­ные кристаллы из оксида и нитрида алюминия, карбида и нитрида кремния, карбида бора и др., имеющие σ_В = 15000ч28000 МПа и Е = 400ч600 ГПа.

В табл.1 приведены свойства некоторых волокнистых компо­зиционных материалов.

Рис.6. Зависимость модуля упругости Е (а) и временного сопротивления σ_В (б) бороалюминиевого композиционного материала вдоль (1)
и поперек (2) оси армирования от объемного
содержания борного волокна

Композиционные материалы на металлической основе обладают высокой прочностью (σ_В, σ_-1)и жаропрочностью, в то же время они малопластичны. Однако волокна в композиционных материа­лах уменьшают скорость распространения трещин, зарождаю­щихся в матрице, и практически полностью исключают внезапное хрупкое разрушение. Отличительной особенностью одноосных волокнистых композиционных материалов являются анизотропия механических свойств вдоль к поперек волокон и малая чувстви­тельность к концентраторам напряжения,

На рис.6 приведена зависимость σ_В и Е бороалюминиевого композиционного материала от содержания борного волокна вдоль (1) и поперек (2) оси армирования. Чем больше объемное содержание волокон, тем выше σ_В, σ_-1 и Е вдоль оси армирования. Однако необходимо учитывать, что матрица может передавать напряжения волокнам только в том случае, когда существует прочная связь на поверхности раздела армирующее волокно — матрица. Для предотвращения контакта между волокнами ма­трица должна полностью окружать все волокна, что достигается при содержании ее не менее 15–20 %.

Рис.7. Длительная прочность бороалюминиевого композиционного материала, содержащего 50% борного волокна, в сравнении с прочностью титановых сплавов (а) и длительная прочность никелевого композиционного материала в сравнении с прочностью дисперсионно-твердеющих сплавов (б)

Матрица и волокно не должны между собой взаимодействовать (должна отсутствовать взаимная диффузия) при изготовлении или эксплуатации, так как это может привести к понижению прочности композиционного материала.

Анизотропия свойств волокнистых композиционных материа­лов учитывается при конструировании деталей для оптимизации свойств путем согласования поля сопротивления с полями напря­жения.

Армирование алюминиевых, магниевых и титановых сплавов непрерывными тугоплавкими волокнами бора, карбида кремния,