Порошковые конструкционные материалы

Создание порошковых спеченных материалов обусловлено высокой экономичностью получения изделий методами порошковой металлургии, исключающими необходимость использования в технологическом процессе крупномасштабных пирометаллургических процессов, поскольку получение металлических порошков возможно методами высокоэффективных гидрометаллургических процессов, либо методами восстановления из окислов, в том числе и непосредственно из руд или концентратов.

Чаще всего порошки производят химически восстановлением из окислов или солей, электролизом хлоридных расплавов и водных растворов азотнокислых, сернокислых и других солей металлов, разложением при нагреве карбонилов М_х(СО)_у и др., а также механическими методами, например, распылением потоком воздуха или аргона струи расплава металла или сплава, а также измельчением в мельницах. В ряде случаев порошки получают методами плазмохимии, методами распыления взрывом и другими технологическими приемами с использованием высококонцентрированных источников энергии.

Для получения изделий из металлических порошков, их смешивают в заданных пропорциях с другими порошковыми компонентами, спрессовывают в холодном или горячем состоянии в виде брикетов, для формирования требуемой формы изделий или полуфабрикатов. Спрессованные брикеты подвергают спеканию при температурно-временных условиях, обеспечивающих создание монолитного состояния материала, с той или иной заданной плотностью и пористостью готового изделия.

Температура спекания заготовок и изделий, изготовленных из порошков одного металла, должна составлять 0,75...0,9 от температуры плавления металла. Температура спекания изделий из железного порошка, например, составляет 1100 - 1200 ºС, температура спекания меди 840 - 890 ºС. В том случае, если в составе материала содержится легкоплавкая составляющая, температура спекания выбирается выше температуры плавления наиболее легкоплавкого компонента. Например, порошки, содержащие медь и олово, спекают при температуре 700 - 800 ºС. В этом случае улучшаются условия спекания, поскольку оно происходит через образование жидких прослоек, которые вслед за оплавлением, самопроизвольно кристаллизуются в изотермических условиях за счет диффузионного обмена компонентами между жидкой и твердой фазой. В том случае, если спекание осуществляется при температурах, не превышающих температуры плавления спекаемых материалов, взаимодействие частиц между собой происходит исключительно по механизмам твердофазной диффузии, которая может сопровождаться рекристаллизационными объединяющими процессами с формированием твердых растворов, или реакционной диффузией компонентов, с образованием на межчастичных поверхностях единых структурных образований, в том числе, химических соединений или промежуточных фаз.

В ряде случаев после спекания изделие может дополнительно подвергаться обработке давлением (ковке, штамповке, прессованию, экструдированию, горячему и холодному волочению), что позволяет изготавливать из порошковых материалов изделия и полуфабрикаты широкой размерной номенклатуры. Для упрочнения изделия из порошков могут подвергаться дополнительной химико-термической и термической обработке, например, цементации, азотированию, хромированию, закалке, отпуску и др.

Наиболее широко распространенными материалами, изготовленными методами порошковой металлургии, являются: металлокерамические инструментальные твердые сплавы; антифрикционные сплавы; фрикционные материалы; пористые материалы для фильтров и деталей охлаждения; материалы для конструкционных деталей машиностроения; магнитные материалы; электротехнические, в том числе, электроконтактные материалы; материалы для работы в условиях высоких температур.

Металлокерамические инструментальные твердые сплавы нами были рассмотрены выше в разделе инструментальных сталей и сплавов. Это - сплавы типа ВК, ТК и ТТК с высокой твердостью, износостойкостью и теплостойкостью в условиях резания (ГОСТ 3882-74 ).

Антифрикционные порошковые материалы изготавливают на основе железных, медных (бронзовых), алюминиевых порошков с добавлением небольшого количества графита или сульфидов в дисперсном состоянии (таблица 9.1). Графит и сульфиды снижают коэффициент трения, уменьшают износ, предохраняют детали от схватывания трущихся поверхностей и играют роль смазки в условиях сухого трения.

Таблица 9.1. Химический состав и механические свойства некоторых антифрикционных и фрикционных порошковых материалов

Антифрикционные материалы получают по режимам прессования и спекания, обеспечивающим получение пористости 10 - 25 %, которая предназначена для заполнения маслом или иными смазочными материалами. В некоторых случаях пористые материалы на основе меди (бронзы) подвергают пропитке фторопластом, который позволяет использовать такой металлофторопластовый материал в качестве подшипников, способных работать на трение при больших давлениях, в широком диапазоне температур, высокой частоте вращения и при отсутствии дополнительной смазки.

В противоположность антифрикционным материалам по их поведению в условиях трения, методами порошковой металлургии получают фрикционные материалы, предназначенные для изготовления фрикционных дисков и сегментов в тормозных узлах. Фрикционные материалы должны обладать высоким коэффициентом трения и, одновременно, быть износостойкими. Это достигается введением в металлическую основу (в железный порошок) металлических (меди, свинца, олова) и неметаллических добавок (графита, кремнезема, асбеста, сернокислого бария - барита).

Асбест и кремнезем обеспечивают высокий коэффициент трения, графит предохраняет от истирания, медь придает высокую теплопроводность, свинец предохраняет от интенсивного перегрева, и способствует плавному торможению, сернокислый барий устраняет прилипаемость трущихся поверхностей. Коэффициент сухого трения материала на железной основе по чугуну составляет 0,3 - 0,45, допустимая температура 550 ºС. Прочность материала невелика, поэтому его используют в виде слоев толщиной 0,2 - 10 мм на стальной подложке.

Высокопористые материалы применяются для изготовления фильтров. Металлические фильтры изготавливают из порошков, стойких против окисления (бронза, латунь, коррозионно-стойкая сталь, никель, титан, нихром и др.). Пористость металлических фильтров 40 - 60 % и выше. Прессование в этом случае не производят, а спеканию подвергают порошок, свободно засыпанный в форму. Для сохранения пор при спекании и для их увеличения в порошок вводят добавки, которые не сплавляются с основным материалом или улетучиваются при спекании под действием высоких температур.

Порошковые материалы с высокой степенью пористости используют для деталей, требующих интенсивного охлаждения. Пористые материалы характеризуются высокой удельной поверхностью теплоотвода, в связи с чем, при пропускании охлаждающей жидкости через поры происходит ее испарение, при котором отбирается очень большое количество теплоты. Подбирая соответствующие хладагенты, имеющие низкую температуру кипения, можно существенно ускорить процесс отбора тепла от нагревающегося оборудования. Пористые материалы широко используются для охлаждения газовых турбин, реактивных двигателей.

При серийном изготовлении большого количества слабо нагруженных деталей машиностроения (втулки, кулачки, крышки, фланцы, корпуса подшипников, рычаги) целесообразно применение порошковой металлургии. После прессования и спекания такие детали не подвергаются механической обработке. В ряде случаев порошковые детали из порошков углеродистых и легированных сталей, бронз, латуней, сплавов алюминия и титана могут не уступать по свойствам изделиям, полученным обычными способами. Порошковая металлургия позволяет повысить коэффициент использования металлов до 0,7 - 0,9, поднять производительность труда и снизить себестоимость деталей, несмотря на высокую стоимость порошков.

Изготовление быстрорежущего инструмента методом порошковой металлургии взамен традиционных методов (из прутка) дает возможность увеличить коэффициент использования металла на 20 - 30 % и в 2 - 3 раза повысить стойкость инструмента.

Магнитные порошковые материалы на основе порошков алюминия, никеля, кобальта и меди имеют прочность в 3 раза выше, чем литые сплавы, что достигается на основе высокой степени дисперсности структурных составляющих в порошковых материалах. Высококачественным магнитным материалом является тонкий порошок чистого железа, получаемого электрохимическим методом из растворов, а также путем термической диссоциации карбонильного железа.

Широкое применение находят ферриты на основе ферромагнитных оксидов железа, никеля и других компонентов, используемые в качестве антенных материалов, сердечников высокочастотных трансформаторов и в вычислительной технике.

Широкое применение порошковые материалы находят в электротехнике для изготовления подвижных электроконтактов (щеток) электрических машин, а также для контактных пластин коммутирующей аппаратуры (выключатели, контакторы и др.). Большинство таких изделий изготавливают методами порошковой металлургии на основе порошков серебра и никеля, вольфрама, молибдена и меди.

Для работы при высоких температурах применяют металлокерамические сплавы из порошков карбидов титана, ниобия и тантала, борида титана, оксида алюминия и других тугоплавких химических соединений металлов. Технология получения таких материалов требует применения очень высоких температур спекания (до 2500 ºС). При этом они характеризуются высокой работоспособностью вплоть до 1000 ºС с удельными нагрузками до 85 МПа в течение 100 часов. После 300 часов работы толщина оксидной пленки не превышает 0,05 мм. Однако такие материалы характеризуются повышенной хрупкостью, имеют высокую чувствительность к надрезам, и к ударным нагрузкам.