5.1.2. Порошковые материалы
5.1.2.1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Наиболее распространенными видами порошковых изделий являются конструкционные детали вплоть до сильнонагруженных на основе порошка железа, а в ряде случаев порошков цветных металлов, а также различных сплавов. Типовыми деталями являются шестерни, кулачки, звездочки, храповики, гайки, крышки, седла и корпуса клапанов, диски и роторы насосов, муфты, кольца, ограничители, детали мерительных инструментов и другие детали сложной конфигурации. Детали, как правило, выпускаются в виде готовых изделий или в виде изделий, требующих незначительной дополнительной обработки.
Стали. Для выбора конструкционных порошковых сталей руководствуются следующими принципами:
- структура, в том числе и пористость, должна быть равновесной по распределению компонентов, термически стабильной для данных условий и обеспечивать заданный уровень физико-механических свойств, безотказную работу изделий в течение всего периода эксплуатации;
- технологический процесс получения изделий должен обеспечивать надежный контакт спекшихся частиц по поверхности раздела;
- малонагруженные детали нецелесообразно изготовлять из легированных порошков, если это не обусловлено необходимостью придать им специальные свойства, и подвергать их термообработке;
- плотность изделий следует выбирать в соответствии с уровнем действующих удельных нагрузок, определяющих степень нагруженности деталей;
- умеренно нагруженные порошковые детали целесообразно изготавливать из порошков углеродистых или низколегированных сталей, средненагруженные – из порошков углеродистых и легированных сталей, тяжело нагруженные детали необходимо изготовлять из гомогенных порошков легированных сталей и сплавов;
- порошковые изделия с заданными структурнонечувствительными свойствами (коэффициентом термического расширения, термоэдс, температурой плавления) можно изготовлять пористыми, значение пористости определяется уровнем действующих удельных нагрузок.
В зависимости от условий эксплуатации конструкционные порошковые стали делят на две группы: общего назначения и со специальными свойствами. Изменяя пористость конструкционных порошковых сталей, при прочих равных условиях можно в широких пределах управлять их физико-механическими свойствами и изменять степень нагруженности деталей от мало- до тяжелонагруженных.
Марки, химический состав, некоторые механические свойства, микроструктуру и методы дополнительной обработки порошковых конструкционных сталей регламентирует ГОСТ 28378-89. Стандарт устанавливает марки малоуглеродистых, углеродистых, медистых, никельмолибденовых, хромистых, марганцовистых, хромникельмарганцовистых и нержавеющих сталей.
Условное обозначение марок сталей состоит из букв и цифр. Буквы указывают: П - на принадлежность стали к порошковой,К - на назначение стали - конструкционная, остальные буквы на содержание легирующих элементов (Д - медь,Х - хром,Ф - фосфор,К - сера,М - молибден,Г - марганец,Т - титан,Н -никель). Основу стали - железо в обозначении марок не указывают.
Цифры, стоящие после букв ПК, указывают на среднюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Массовую долю углерода, равную 1%, в обозначении марки стали не указывают.
П р и м е р ы у с л о в н ы х о б о з н а ч е н и й:
Сталь порошковая конструкционная малоуглеродистая со средней массовой долей 0,1% и минимальной плотностью 6,8 г/см3:
ПК10-6,8 ГОСТ 28378-89.
Сталь порошковая конструкционная медьникелевая со средней массовой долей углерода 0,1%, никеля 2%, меди 2% и минимальной плотностью 6,4 г/см3:
ПК40Н2Д2-6,4 ГОСТ 28378-89.
Порошковые цветные металлы и их сплавыразличают по плотности, составу, структуре и способу производства. Они могут быть пористыми или беспористыми. Их различают по химсоставу металлической основы, а также легирующих элементов. По структуре указанные материалы бывают одно- или двухфазными. Изделия из них получают холодным прессованием и спеканием, горячим прессованием или горячей штамповкой.
Марки конструкционных порошковых материалов на основе цветных металлов и сплавов обозначают сочетанием букв и цифр. Первый буквенный индекс указывает на класс материалов: Ал - алюминий,Бе – бериллий,Бр - бронза,В - вольфрам,Г - марганец,Д - медь,Ж - железо,Л - латунь, М - молибден,Мг - магний,Н - никель,О - олово,П - фосфор,С - кремний,Св - свинец,Ср - серебро,Т - титан,Ф - ванадий, Х - хром, Ц - цинк, Цр - цирконий. Второй буквенный индексПуказывает, что материал получен методами порошковой металлургии. Следующие после этого индекса буквы обозначают легирующие элементы, цифры после них - среднее содержание элемента в процентах (отсутствие цифры означает, что содержание элемента менее 1%). Число после дефиса отражает группу плотности материала.
Основное применение конструкционные материалы на основе цветных металлов и сплавов (особенно на основе бронзы, латуни и меди) нашли в узлах трения.
П р и м е р ы у с л о в н ы х о б о з н а ч е н и й:
порошковый конструкционный материал на основе алюминия третьей группы плотности (пористость от 9 до 2%), – АлП-3;
порошковый конструкционный материал на основе бронзы, легированный 10% олова и 3% цинка, четвертой группы плотности (пористость 2%) –БрПО10Ц3-4;
порошковый конструкционный материал на основе латуни Л59, легированной свинцом до одного процента, второй группы плотности (пористость от 15 до 10%) – ЛП59Св-2;
Дисперсноупрочненные материалы (ДМ). Появлению материалов такого типа способствовала необходимость повышения жаропрочности, коррозионной и радиационной стойкости, сопротивления ползучести и др. свойств по сравнению с традиционно применяемыми сталями и сплавами.
Характерным для дисперсноупрочненных материалов (ДМ) является упрочнение металлической матрицы тонкими включениями частиц тугоплавких соединений (оксидов, карбидов, нитридов и т.п.). При нагружении таких материалов матрица несет основную нагрузку, а дисперсные частицы действуют как препятствия, задерживающие перемещение дислокаций.
Дисперсноупрочненные материалы получают методом порошковой металлургии путем введения упрочняющей фазы в смесь перед прессованием в объемной доле 5 … 10%. Эффект упрочнения зависит от размера частиц твердой фазы (оптимальные – в пределах 0,01 … 0,05 мкм) и равномерности их распределения в металлической матрице (расстояние между частицами 0,1 … 0,5 мкм).
Технология изготовления ДМ состоит из следующих основных этапов: подготовка исходной порошковой шихты, формование заготовок, спекание, уплотнение прессовок до беспористого состояния, термическая обработка.
Шихта готовится методом смешивания и совместного размола порошков.
Формование заготовок обычно производится на гидравлических прессах в холодных пресс-формах, причем давление прессования выше, чем при использовании порошков чистых металлов. Заготовки получают также гидростатическим и изостатическим прессованием порошков в эластичных оболочках. В ряде случаев получают ленты путем прокатки порошковой смеси.
После формования заготовки подвергают спеканию для упрочнения и уплотнения, дегазации, восстановления оксидов и подготовки изделия к последующей операции пластической деформации. Иногда спекание совмещают с горячим прессованием для получения почти беспористого изделия и предотвращения нежелательного взаимодействия упрочняющей фазы с матрицей.
Окончательные свойства ДМ придает горячая экструзия или прокатка. Цель этих операций – доведение материала до беспористого состояния и формирования структуры, обеспечивающую высокую жаропрочность.
Заключительная операция обработки ДМ – рекристаллизационный отжиг при повышенных температурах, который приводит к укрупнению зерен, что сопровождается повышением его жаропрочности и пластичности. Особенностью структуры рекристаллизованного металла является также высокая плотность двойников отжига, снижающих скорость распространения трещин и способствующих повышению сопротивления материала разрушению.
Наибольшее применение нашли дисперсноупрочненные материалы на основе алюминия, бериллия, вольфрама, железа, меди, никеля, хрома и др. Примером ДМ, наиболее применяемых в машиностроении, являются алюминиевые дисперсноупрочненные материалы - САПы (Спеченный Алюминиевый Порошок). Упрочняющей фазой служит тонкая и плотная оксидная пленка на поверхности исходных частиц алюминия.
Антифрикционные материалыв зависимости от условий работы должны обладать:
- хорошей начальной прирабатываемостью в работе, т.е. время, необходимое для снижения коэффициента трения между подшипником и валом до заданной величины, должно быть минимальным;
- высокими триботехническими свойствами;
- способностью выдерживать нагрузку, скорость и температуру без разрушения и изменения формы и качества;
- способностью образовывать самосмазывающиеся или легко притирающиеся продукты истирания коллоидного характера (пленку), которые могут сберечь шейку вала от износа даже при затрудненной смазке;
- меньшей твердостью, чем у шейки вала, причем твердость должна снижаться как можно меньше при нагреве;
- высокой теплопроводностью для хорошего отвода теплоты трения;
- достаточной выносливостью или сопротивлением усталости;
- достаточной вязкостью в случае ударной нагрузки;
- хорошими технологическими свойствами;
- микропористостью или микрокапиллярностью, способствую-щими удержанию смазки;
- хорошими антикоррозионными свойствами.
Широкое распространение в машиностроении получили пористые материалы, пропитываемые маслом и материалы, в состав которых специально вводятся твердые смазки типа графита, дисульфида молибдена и т. д.
Материалы на основе железа являются наиболее распространенными спеченными антифрикционными материалами. Введение различных антифрикционных и упрочняющих добавок позволяет создавать высокоизносостойкие материалы, успешно конкурирующие с литыми и спеченными материалами на основе цветных металлов.
На основе железа разработано большое количество спеченных антифрикционных материалов: пористое железо, пропитанное смазкой; железо-графит; железо-медь-графит; сульфидированные железографитовые материалы; материалы с присадками в качестве твердых смазок фторидов кальция или бария; пористые материалы пропитанные свинцом или легкоплавкими сплавами на основе меди, олова, свинца и других присадок; сульфидированные нержавеющие стали; сложнолегированные антифрикционные материалы и т. д.
В обозначении марок перед дефисом буквы указывают: П- на принадлежность материала к порошковому,А- на назначение материала - антифрикционный. После дефиса следует буквенное обозначение основы материала и легирующих компонентов:Ж- железо;Д- медь;О -олово;Г- графит; Х- хром;Н- никель;Ф- фосфор;Б- бор;К - сера;Мс - дисульфид молибдена;Цс- сернистый цинк;Л- латунь;М- молибден. Цифры, стоящие после букв, указывают на содержание данного элемента в процентах. (ПА-Ж, ПА-ЖД5, ПА-ЖГр3, ПА-ЖГрДК6, ПА-ЖГрЦсОК и др.).
Материалы на основе меди получили широкое распространение в связи с их высокими антифрикционными свойствами, коррозионной стойкостью и высокой электропроводностью. Они применяются в узлах трения различных машин и механизмов и в электротехнике в качестве скользящих токосъемных контактов. Это такие материалы, как пористая оловянистая бронза, легированная пористая бронза (свинцовистая, фосфористая и др.), бронзографит, ленточные беспористые бронзовые материалы на стальной подложке, ленточные пористые бронзовые материалы на стальной подложке с пропиткой пористого слоя пластмассой, медь-графит и др. Особо в этом ряду следует отметить бронзографиты и материалы с твердыми смазками.
Бронзографитовые материалы.В этих материалах графит играет роль твердой смазки. Содержание его варьируется от 1 до 25%.
По показателям pv при работе со смазкой в условиях частых остановок металлографитовые материалы работают надежнее, чем материалы из графита. Они хорошо поглощают попадающие на поверхность трения твердые частицы. Бронзографитовые материалы могут применяться для изготовления шестерен, работать в паре с контртелом, имеющим грубую поверхность, в несмазывающих жидкостях и др. Они заменяют литые бронзы, латуни и подшипники качения.
Материалы, содержащие твердые смазки. Введение веществ, играющих роль твердой смазки, таких как: сульфиды, селениды, фториды металлов; легкоплавкие металлы; не только направлено на улучшение свойств бронз и сплавов на основе меди, но и зависит от функционального назначения сплавов. Так, добавление до 20% дисульфида вольфрама в медь или в сплав меди с 10% олова, а также с добавками никеля позволяет получать самосмазывающийся материал с низкими значениями коэффициента трения и износа при трении, как в воздушной среде, так и в вакууме при температурах до 400 … 6000С. В условиях повышенных температур хорошей самосмазывающей способностью обладает также материал на основе меди, содержащей 9 … 18% железа и 10 … 14% фтористых кальция, скандия или бария.
Весьма перспективны самосмазывающиеся порошковые материалы, содержащие твердые смазки типа дихалькогенидов тугоплавких металлов.
Твердые смазки сохраняют смазочную способность до температур разложения, обеспечивая эффективное функционирование изделий при повышенных температурах, нагрузках и скоростях, работе в вакууме и различных газовых средах. Для снижения интенсивности взаимодействия металлической основы и твердых смазок рекомендуется легировать матрицу, например, медь - никелем, бронзу - свинцом, никель - молибденом, кобальт – серебром.
Введение смазок в порошковое изделие осуществляется либо в виде порошка в исходную шихту, либо в поры изделия после спекания. Как правило, методы введения должны обеспечить их присутствие в поверхностных рабочих и приповерхностных слоях. Но ряд смазок влияют на объемные свойства материала. Это, прежде всего, графит в железографитовых композициях, который в ряде случаев должен упрочнять материал за счет растворения в железе и образования более прочной перлитной структуры. Поэтому графит вносят непосредственно в шихту. Положительно влияют на объемные свойства изделия также вводимые в шихту твердые смазки: дисульфид молибдена, сернистый цинк, сера и некоторые другие добавки.
Достаточно распространенным методом введения серы является пропитка серой спеченного изделия при 120 … 130 ОС с последующим отжигом при температуре 300 … 450ОС в течение 40 … 60 мин., что обеспечивает образование сульфидов.
5.1.2.2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
К инструменту предъявляются требования высокой прочности, износостойкости и теплостойкости. Для достижения необходимых свойств методами порошковой металлургии нужно применять сложную и дорогостоящую технологию. Поэтому в машиностроении наибольшее распространение получили так называемые твердые сплавы. Они представляют собой металлокерамические гетерогенные материалы, состоящие из зерен тугоплавких высокотвердых соединений (карбидов, реже нитридов или боридов переходных металлов), объединенных пластичным металлом-связкой, при содержании тугоплавкой фазы более 50% по объему. В качестве тугоплавкой фазы твердых сплавов наиболее широко используются карбиды вольфрама, титана, тантала, хрома или их сочетания, а в качестве связующего – металлические кобальт, никель, реже железо и их сплавы.
Современные твердые сплавы получают только лишь методами порошковой металлургии, в основном прессованием и спеканием в жидкой фазе. После спекания структура твердых сплавов состоит из частиц твердых фаз, скрепленных связующей их пластичной металлической фазой малой толщины (~1 нм). По последним воззрениям структура сплавов представляет собой как бы два вставленных один в другой и тонко переплетенных каркаса - карбидный и металлический. Отсюда высокие прочность, твердость и красностойкость, что и определило применение твердых сплавов в основном для обработки резанием.
В машиностроении применяются в основном карбидовольфрамовые (WC-Co), титановольфрамовые (WC-TiC-Co), титанотанталовольфрамовые (WC-TiC-TaC-Co) и безвольфрамовые твердые сплавы. Вольфрамовые обозначаются буквамиВКс прибавлением цифры, обозначающей содержание кобальта в процентах, например ВК6. Титановольфрамовые твердые сплавы обозначаются буквамиТК, цифры после букв обозначают содержание соответственно TiC и Со в процентах. Так марка Т15К6 обозначает сплав типа WC-TiC-Co, содержащий 15% TiC, 6% Со, остальное WC. В обозначение титанотанталовольфрамовых сплавов входят три буквы -ТТК; например ТТ4К10 - где 4% TiC, 1% ТаС, 10% Со и остальное WC.
Безвольфрамовые твердые сплавы изготавливаются на основе карбидов металлов 1Vа - V1а групп (Ti, Zr, Hf, V, Ni, Cr и др.) либо нитридов, связанных металлическими связками (Co, Ni, Fe, Cr, Mo). Марки некоторых промышленных безвольфрамовых твердых сплавов: ТМ1, ТН-20, КНТ-16 и др.
Разработаны и твердые сплавы, которые применяют не только для обработки резанием, но и в качестве коррозионностойких, окалиностойких и износостойких термически обрабатываемых материалов. Для машиностроения представляют особый интерес износостойкие термообрабатываемые твердые сплавы (карбидостали, ферро-TiC и др.), представляющие собой легированные спеченные стали с добавками сложных карбидов, преимущественно TiC. Термообрабатываемые твердые сплавы подвергаются окончательной термической обработке: закалке и отпуску по режимам базовой стали.
5.1.2.3. ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В последнее время все большее распространение получают пористые материалы на основе различных металлов и сплавов (сталь, титан, никель и т.д.), получаемые различными методами, в том числе и порошковой металлургии. В частности это: антифрикционные пористые материалы, поры которых заполняются смазкой; фильтры различного назначения; “потеющие” пористые материалы, через поры которых происходит выделение (“выпотевание”) какой-либо жидкости или газа, подаваемых с нерабочей стороны под давлением и т.д.
На примере фильтров, полученных методом порошковой металлургии, можно показать их преимущество по сравнению с традиционными (насыпными, тканевыми, бумажными и др.): более прочные, устойчивы против коррозии в любой среде, работают в более широком диапазоне температур, не засоряют фильтруемую жидкость продуктами фильтра, допускают многократную регенерацию, легко подвергаются обработке, обладают высокой тепло- и злектропроводностью.
Особые свойства, которыми обладают пористые материалы, позволяют с их применением создавать в промышленности новые технологические процессы или находить новые конструкторские решения в машиностроении, использовать их для повышения эффективности и качества работы различных механизмов и устройств. Например: с помощью пористых желобов, через поры которых подается под давлением воздух, обеспечивается воздушный транспорт сыпучих тел.
Эффективность работы таких электрических устройств, как аккумуляторы и топливные элементы, в значительной мере базируется на применении пористых электродов.
Новой областью использования пористых материалов является применение их для капиллярного транспорта жидких сред как основы работы тепловых труб. Тепловые трубы представляют собой проводники тепла, способные передавать сверхмощные его потоки (до 150 Вт/см2) и позволяющие снизить термическое сопротивление в десятки и сотни раз. Теплопроводность тепловых труб превышает теплопроводность меди в несколько тысяч раз. Тепловые трубы используются для отвода тепла от теплонапряженных участков машин, замораживания, для медицинских целей и решения других задач, связанных с необходимостью быстрого отвода и подвода тепла.
Сравнительный анализ свойств различных материалов обычно проводится в координатах пористость - свойство. Это практически целесообразно в тех случаях, когда из общей номенклатуры пористых материалов необходимо выбрать материал по одному свойству, определяющему его применение, например по минимальному размеру пор, максимальной проницаемости, максимальному коэффициенту звукопоглощения и т.д.
Практически достигаемые диапазоны изменения пористости проницаемых материалов различных типов приведены на рис. 5.4.
7
6
5
4
3
2
1
1
0,2 0,4 0,6 0,8 П
Рис. 5.4. Диапазоны изменения пористости проницаемых материалов:
1 – порошковые материалы (ППМ) из несферических частиц, 2 – ППМ из сферических частиц, 3 – волокновые материалы (ПВМ), 4 – материалы из проволочных спиралей (МР), 5 – сетчатые материалы (ПСМ) из вязаных сеток, 6 – ПСМ из тканых сеток, 7 - высокопористые ячеистые материалы (ВПЯМ).
Из диаграммы видно, что отдельные виды пористых материалов имеют ограниченный диапазон изменения пористости: в частности ППМ из сферических частиц обладают пористостью 0,35 … 0,37, а для ВПЯМ также характерен ограниченный диапазон пористости, но в области более высоких значений 0,81 … 0,98. Основываясь на диапазоне пористости материалов, можно определять виды материалов для их практического использования в конструкциях машин и установок.
Важным свойством пористых материалов является их проницаемость, чем выше проницаемость, тем меньше потери давления фильтруемой среды. Проницаемость пористого материала увеличивается с ростом размеров пор, с уменьшением их извилистости и при уменьшении шероховатости поверхности пор. Наибольшей проницаемостью при прочих равных условиях обладают пористые материалы из гладких волокон и сферических частиц.
Тонкость очистки, как показатель фильтровальных свойств, зависит от размеров пор в материале и шероховатости каналов. Наилучшими задерживающими свойствами при фильтровании жидкостей и газов обладают пористые материалы, изготовленные из шероховатых частиц несферической формы.
Пористые материалы по типу порового пространства можно разбить на несколько групп: из сферических частиц узкого гранулометрического состава, из сферических частиц разного размера, из частиц неправильной формы, из пакетов сеток, из волокон, со вспененной структурой, со структурой трехмерной ячеистой сети. Для изготовления изделий каждой группы применяется определенная технология. Ниже приводятся технологические основы получения ряда пористых проницаемых материалов.
Пористые порошковые материалы (ППМ) из частиц как сферической, так и несферической формы получаются всеми методами традиционной порошковой металлургии, основные из которых описаны в разделе 5.1.1 данного издания. ППМ изготавливаются из порошков различных металлов и сплавов, но наиболее применимы: медь, бронза, железо, коррозионностойкие стали, титан, вольфрам, молибден, алюминий и др.
Все ППМ по применению деляться на три группы: фильтрующие– фильтры, смесители, глушители шума, аэраторы, огнепреградители и др.;капиллярно-пористые– испарители, конденсаторы, фитили тепловых труб, капиллярные насосы, гидравлические затворы и т. д.; со специальными свойствами – пористые аноды, пластины аккумуляторных батарей, заменители костной ткани и др.
Пористые волокновые материалы (ПВМ). Процесс получения ПВМ состоит из: получения волокон, войлокования их и последующие формование и спекание.
Металлические и неметаллические волокна получают механическими, физико-химическими способами, а также из расплавов. Наиболее широко распространены: получение волокон их металлической проволоки или стружки резкой на куски определенной длины; экструзия тонких нитей из металлических расплавов или пластифицированной пластичной массы; выращивание нитевидных кристаллов с высокой прочностью (так называемые усы) и т. д.
Войлокование представляет из себя процесс получения из волокон войлока с ориентированным или хаотичным расположением волокон. Наиболее применяемы методы получения войлока из воздушной взвеси, из взвеси волокон в вязкой жидкости. Для получения войлока с ориентированным расположением волокон применяют виброобработку, в зависимости от режима которой и размеров волокон получают неоходимое распределение войлока.
Войлок подвергается в последующем формованию в виде прессования или прокатки, значительно реже применяется формование экструзией.
Одной из необходимых операций является спекание после которого изделия подвергаются окончательной обработке: механической, давлением, сварке и пайке и т.д.
Высокая проницаемость и пористость (вплоть до 0,98) позволяют применять ПВМ прежде всего в качестве материала для фильтров. ПВМ также нашли применение в качестве капиллярных структур в теплопередающих устройствах – тепловых трубах.
Пористые сетчатые материалы (ПСМ) производят на основе трикотажных (вязаных) и тканых сеток, причем материалом для сеток могут служить как металлические, так и неметаллические нити. Получение ПСМ состоит в подготовке сеток (промывка, обезжиривание), их нарезке, укладке в пакет, прессовании и спекании пакета. Определяющее значение в технологии получения ПСМ принадлежит виду сетки, применяемой для изготовления ПСМ
При выборе ПСМ для конструкций машин и аппаратов необходимо учитывать, что эти материалы обладают высокой прочностью, технологичны, имеют широкий диапазон пористости, и, что особенно важно для фильтров тонкой очистки жидкостей и газов от твердых примесей, исключают миграцию частиц материала в фильтруемую среду. Отсюда широкое применение ПСМ для фильтрующих элементов сложной конфигурации, газовых линз, корпусов тепловых труб, испарителей в теплообменниках, звукопоглощающих элементов и т. д.