книги / Нанотехнологии и специальные материалы

телескопический малогабаритный домкрат, в котором простые ци­ линдры развивают деформацию сжатия, а фигурные — дефор­ мацию растяжения (рис. 5.12).

Особенностью исполнительных элементов из сплавов с памя­ тью является их миниатюрность. Это обусловлено простотой ме­ ханизма их действия, а также тем, что элемент состоит из одного сплава. На действие таких исполнительных механизмов не влияет среда или атмосфера, а влияет только температура. Следователь­ но, возможна установка этих элементов в таких средах, как ва­ куум или вода, при этом нет необходимости в герметизированном подвижном узле, как при установке двигателей или гидропневма­ тических цилиндров.

В Японии создай робот (рис. 5.13) с плечевой опорой, локте­ вым шарниром, запястьем и захватом, имеющий пять степеней свободы.

Сгибание запястья, сжимание и разжимание захвата обеспе­ чивается спиралями из сплава Ti—Ni, а действие шарнира и пле­ чевой опоры — удлинением или сокращением проволоки из того же сплава. Положение руки и скорость действия регулируются прямым пропусканием тока с модулированной шириной импуль­ са. Плавность действия робота обусловлена тем, что заданная ве­ личина усилия (сила восстановления памяти формы) соответствует

Рис. 5.12. Телескопический малогабаритный домкрат, состоящий из простых (в)

и фигурных (г) цилиндров:

а — компактный вид (исходное состояние); б — после восстановления формы;

г —элементы, восстанавливающие деформацию сжатия ( в ) и растяжения (г)

в медицине, должны обладать не только высокими механическими характеристиками. Они не должны подвергаться коррозии в биологической среде, должны обладать биологической совмести­ мостью с тканями человеческого организма, обеспечивать отсут­ ствие токсичности, канцерогенности, оказывать сопротивление образованию тромбов, сохраняя эти свойства в течение длитель­ ного времени. Если имплантируемый орган, изготовленный из металла, является активным относительно биологической струк­ туры, то происходят вырождение (мутация) биологических кле­ ток периферийной структуры, воспалительный прилив крови, нарушение кровообращения, затем омертвление биологической структуры. Если имплантируемый орган инертен, то вокруг него возникает волокнистая структура, обусловленная коллагенными волокнами, образующимися из волокнистых зародышевых кле­ ток. Имплантируемый орган покрывается тонким слоем этой во­ локнистой структуры и может стабильно существовать в биологи­ ческих организмах.

Специальные эксперименты, проведенные на животных, по­ казали, что сплавы на основе Ti—Ni имеют биологическую со­ вместимость на уровне и даже выше обычно применяемых не­ ржавеющих сталей и Со—Сг сплавов и могут быть использованы в качестве функциональных материалов в биологических орга­ низмах. Использование сплавов с ЭПФ для лечения показало их хорошую совместимость с тканями и отсутствие реакций оттор­ жения биологических структур человеческого организма.

К о р р е к ц и я п о з в о н о ч н и к а . Различные искривления позвоночника, как врожденные, так и обусловленные привычкой или болезненным состоянием, приводят к сильной деформации позвоночника при ходьбе. Это не только вызывает сильную боль, но и оказывает вредное влияние на внутренние органы. При ор­ топедической хирургической операции коррекцию позвоночника обычно осуществляют с помощью стержня Харинтона, изготов­ ленного из нержавеющей стали. Недостатком этого метода явля­ ется уменьшение во времени первоначального корректирующего усилия. Через 20 мин после установки корректирующая сила уменьшается на 20 %, а через 10—15 дней —до 30 % от первона­ чальной. Дополнительная корректировка силы требует повторных болезненных операций и не всегда достигает цели. Если для стержня Харинтона применить сплав с ЭПФ, то установить стержень можно за один раз, необходимость в повторной опера­ ции отпадает. Если после операции стержень Харинтона нагреть до температуры, несколько превышающей температуру тела, то можно создать необходимую корректирующую силу. Эффектив­ ны для этой цели сплавы на основе Ti—Ni с добавками Си, Fe и

Mo, проявляющие после восстановления формы высокую эла­ стичность в интервале температур от 35 до 41 °С. Корректирую­ щие устройства с такими сплавами создают постоянное по вели­ чине напряжение воздействия на позвоночник в течение всего пе­ риода лечения независимо от смещения точек опоры устройства.

П л а с т и н к а д л я с о е д и н е н и я кости. Методы меди­ цинской помощи в случае костных переломов заключаются в том, чтобы с помощью пластинок из нержавеющей стали или сплавов Со—Сг зафиксировать зону перелома в таком состоянии, когда на кость действует сила сжатия. Если для соединительной пластинки применить сплав с эффектом памяти формы, то становится воз­ можной прочная фиксация зоны перелома путем внешнего нагре­ ва пластинки до температуры несколько выше температуры тела после операции, при этом отпадает необходимость в продольном сжатии кости во время операции.

В н у т р и к о с т н ы е шпильки . Такие шпильки применя­ ются при оказании медицинской помощи при переломах большой берцовой кости. Причем шпильки, главным образом из нержа­ веющей стали, вводят до костного мозга, тем самым фиксируя кость. При применении этого метода кость фиксируется за счет упругих свойств нержавеющей стали, поэтому необходимо ввести шпильку большего диаметра, чем диаметр отверстия, для созда­ ния большой степени деформации. В этой связи существует риск повредить ткани в зоне, в которую вводится шпилька.

Хирургическая операция упрощается при использовании для шпилек сплавов с эффектом памяти формы на основе Ti—Ni. Предварительно охлажденные шпильки восстанавливают исход­ ную форму при температуре тела, что увеличивает степень фик­ сации.

У с т р о й с т в а д л я с к е л е т н о г о в ы т я ж е н и я . Ис­ пользуется свойство материала при восстановлении формы соз­ давать в заданном температурном интервале значительные на­ пряжения. Устройства применяют для эффективного лечения переломов костей путем как постоянного, так и дискретного скелетного вытяжения.

П р о в о л о к а д л я и с п р а в л е н и я п о л о ж е н и я з у ­ бов. Для исправления положения зубов, например неправильно­ го прикуса, применяют проволоку из нержавеющей стали, соз­ дающую упругое усилие. Ее недостаток состоит в малой величине упругого удлинения и, как следствие, в возможной пластической деформации корректирующей проволоки. При изготовлении про­ волоки из сплава Ti—Ni даже при 10 % упругой деформации пла­ стическая деформация не возникает и оптимальная корректи­ рующая сила сохраняется.

Г л а в а 6

ПОРОШКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Основным сырьем порошковой металлургии являются порош­ ки чистых металлов и сплавов, а также порошки неметалличе­ ских элементов. Под термином порошковая в соответствии с ГОСТ 17359—82 принято понимать ’’область науки и техники, охватывающую область производства металлических порошков, а также изделий из них или их смесей с неметаллическими порош­ ками” Порошковая — один из наиболее прогрессивных процес­ сов превращения металла в изделие, с помощью которого обеспе­ чиваются свойства изделия, полученного традиционными методами, или свойства, которые не могут быть достигнуты при использо­ вании иных технологических процессов.

Применение технологических процессов порошковой метал­ лургии при изготовлении деталей и изделий различного назначе­ ния позволяет резко повысить коэффициент использования ме­ талла (КИМ) — до 95—98 % за счет сокращения отходов при обработке, а также возможного передела отходов, например стружки, получаемой при обработке резанием на различных ме­ таллорежущих станках, в исходный материал (порошок); во мно­ гих случаях заменить дефицитные и дорогостоящие металлы и сплавы менее дефицитными и дорогими, понизить энергоемкость и трудоемкость производства, а следовательно, уменьшить себе­ стоимость готовой продукции без снижения, а в ряде случаев — даже при повышении ее эксплуатационных свойств.

Различают открытую и закрытую пористость порошковых из­ делий.

Открытая пористость порошковой формовки — отношение объема пор, сообщающихся с внешней средой, к объему порош­ ковой формовки.

Закрытая пористость порошковой формовки — отношение объема пор, не сообщающихся с внешней средой, к объему по­ рошковой формовки.

6.1. СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ

Получают порошки чистых металлов и сплавов одним из сле­ дующих методов: физико-химическим, электролитическим, меха­ ническим измельчением и распылением металлов и сплавов в жидком состоянии.

К физико-химическим методам получения порошков относит­ ся восстановление оксидов и солей металлов твердыми или газо

образными восстановителями, диссоциация карбонилов и неус­ тойчивых соединений, металлотермия. Большую группу порош­ ков —олово, серебро, медь и железо —получают методами элек­ тролитического осаждения металлов в виде порошка из водных растворов солей, а также электролизом расплавленных сред (тан­ тал, ниобий, уран и др.).

Кмеханическим методам получения порошков относится из­ мельчение металла резанием, размол в шаровых, вибрационных, конусно-инерционных и других мельницах и дробилках, распы­ ление струй жидкого металла сжатым паром, газом, водой.

Выбор метода определяется возможностью получения порош­ ка необходимого качества и экономической целесообразностью. Наибольшее распространение получили физпко-химмческне мето­ ды и методы распыления, которые при минимальных затратах обеспечивают получение целой гаммы порошковых металлов и сплавов со свойствами широкого диапазона.

Под физико-химическими методами получения порошков по­ нимают такие технологические процессы, при которых вследствие глубоких физико-химических превращений металл или сплав пе­ реходит в порошкообразное состояние. При этом полученный по­ рошок может отличаться по химическому составу от исходных продуктов.

Кфизико-химическим методам получения порошков относят­ ся следующие: восстановление оксидов твердыми восстановите­ лями н газами, электролиз расплавленных сред или водных рас­ творов, диссоциация карбонилов, метод испарения и конденсации

ит. п.

Восстановление металлов из оксидов может производиться твердыми или газообразными восстановителями. К числу актив­ ных газообразных восстановителей относятся водород, оксид уг­ лерода и различные газы, содержащие СО и 1-Ь, диссоциирован­ ный аммиак и др. В качестве твердого восстановителя использу­ ют углерод и металлы, имеющие большее химическое сродство к кислороду (натрий, кальций и магний). Восстановление одних металлов при помощи других, имеющих большее сродство к ки­ слороду, называется металлотермией.

Изготовление многокомпонентных порошков сплавов. Наи­ более экономичным методом получения так называемых ком­ плексных порошков, частицы которых представляют собой сплав определенного состава, является механическое измельчение в по­ рошок литого или распыление жидкого сплава. Однако это не всегда может быть практически осуществимо. Кроме того, в про­ цессе механического измельчения происходит засорение порошка продуктами износа измельчающего агрегата, а сами порошки мо­

гут не отвечать необходимым технологическим требованиям. По­ этому в последние годы наряду с распылением жидких сплавов применяются такие физико-химические методы получения ком­ плексных порошков, как совместное осаждение металлов при электролизе и при разложении карбонилов, а также других тер­ мически неустойчивых соединений; совместное восстановление смесей оксидов и металлических порошков; диффузионное насы­ щение металлических порошков и т. п.

Под механическими методами получения порошков понимают такие технологические процессы, при которых в результате дей­ ствия внешних механических сил исходный металл измельчается

впорошок без изменения его химического состава.

Кмеханическим методам получения порошков относятся: из­

мельчение металла резанием, размол в шаровых мельницах, из­ мельчение в вихревых мельницах, дробление в инерционных дробилках, а также распыление струи жидкого металла паром, водой, сжатым газом.

В шаровых мельницах можно измельчать хрупкие, непла­ стичные металлы (кремний, марганец); различные тугоплавкие соединения и пластичные металлы, которые в процессе дробле­ ния могут становиться хрупкими за счет наклепа (железо), а также металлы, которые переведены искусственно в хрупкое со­ стояние, например, насыщением водородом титана.

Большое число металлических порошков получают методом распыления или пульверизации жидких металлов и сплавов. Рас­ плавленный металл подвергается измельчению под давлением сжатого воздуха, газов, воды или путем воздействия центробеж­ ных сил, ударов лопаток вращающейся турбинки по струе жид­ кого металла, а также грануляцией за счет слива жидкого метал­ ла тонкой струей в воду.

Производство порошков методами распыления и грануляции отличается высокой производительностью, а сами порошки, по­ лученные этими методами, имеют сферическую форму, что по­ зволяет использовать их при производстве не только различных конструкционных деталей, но и газопроницаемых, фильтроваль­ ных материалов и изделий.

6.2. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПОРОШКОВ

Возможность применения порошка для изготовления кон­ кретных изделий определяется его свойствами, которые зависят от метода получения и природы металла порошка. Металличе­ ские порошки характеризуются технологическими, физическими и химическими свойствами.

К технологическим свойствам, согласно ГОСТ 19440—94, от­ носятся: насыпная плотность, представляющая собой массу еди­ ницы объема свободно насыпанного порошка; относительная плот­ ность — отношение насыпной плотности и плотности металла в беспористом состоянии; текучесть —способность порошка запол­ нять определенную форму, выражающаяся через число граммов порошка, протекающего за 1 с через воронку с диаметром выход­ ного отверстия (носика воронки) 2,5 мм; прессуемость —способ­ ность порошка под давлением сжимающих усилий образовывать заготовку заданной формы и размеров (формуемость) с мини­ мально допустимой плотностью (уплотняемость).

Насыпная плотность. Насыпной плотностью порошка назы­ вается масса единицы объема порошка при свободной насыпке.

Насыпная плотность выражает способность порошка к уклад­ ке и зависит от плотности металла (сплава) и фактического за­ полнения порошком объема. Плотность укладки частиц порошка в объеме определяется его дисперсностью, формой и удельной поверхностью частиц. Поэтому насыпная плотность порошка из одного металла (в зависимости от метода получения) может быть различной. Так как насыпная плотность является очень важной технологической характеристикой, оказывающей влияние на тех­ нологию изготовления изделий и их свойства, то она указывается во всех технических условиях на поставку порошков.

Текучесть. Металлические порошки как целое представляют собой сыпучие тела, состоящие из конгломерата частиц, едва сце­ пленных между собой. Поэтому от компактного металла они от­ личаются крайне малой величиной контактной поверхности, ее непостоянством, наличием большого числа пор и т. п. Как и жидкость, порошки заполняют собой объем, принимая форму со­ ответствующего сосуда.

Способность порошка заполнять собой объем определенной формы называется текучестью.

Текучесть является важной характеристикой, зависящей от плотности порошков, гранулометрического состава, формы, со­ стояния поверхности частиц. В связи с тем что текучесть оказы­ вает большое влияние на прессуемость порошков и особенно на скорость уплотнения в автоматическом режиме прессования, оп­ ределение текучести порошков строго регламентируется соответ­ ствующей нормативно-технической документацией.

Прессуемость. Способность порошка под давлением сжи­ мающих усилий образовывать заготовку заданной формы с ми­ нимально допустимой плотностью называется прессуемостыо.

Прессуемость порошков — важнейшая технологическая ха­ рактеристика. Она является функцией пластичности материала и зависит от способности порошка к обжатию и уплотнению в про­ цессе прессования, т. е. от уплотняемости, а также от способно­ сти сохранять форму после выпрессовки из прессформы — формуемости.

Формуемость порошков характеризуется интервалом плотно­ сти, ограниченным значениями минимальной и максимальной плотности, при которой прессовка не имеет разрушений после извлечения из прессформы. Формуемость определяют на брике­ тах специальной формы, обеспечивающих линейное распределе­ ние плотности по длине брикета, который получают в процессе прессования. Определение формуемости производят три раза.

6.2.2.ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

Кхимическим характеристикам относят химический состав порошка (как порошка чистого металла, так и порошка сплава или неметаллического вещества), пирофорность, а также токсич­ ность (ядовитость).

Химические свойства зависят как от содержания основных компонентов, входящих в состав комплексных порошков, так и от содержания в них примесей, различных механических загряз­ нений и газов.

Для некоторых порошков характерной особенностью является нх пирофорность, т. е. способность самовозгораться при сопри­ косновении с воздухом. Пирофорность зависит от химической природы металла, дисперсности и формы частиц, от состояния их поверхности (наличие оксидных защитных пленок на поверхно­ сти, развитость поверхности и т. п.). Так, порошки меди и мед­ ных сплавов, свинца, вольфрама и других металлов не представ­ ляют опасности самовозгорания при любых условиях, а дисперс­ ный порошок железа с насыпной плотностью около 1 г/см3 уже заметно склонен к пирофорности. Если насыпная плотность ме­ нее 0,5 г/см , то при соприкосновении с воздухом железный по­ рошок легко самовозгорается.

Другой химической особенностью является токсичность по­ рошков. Если в компактном состоянии большинство металлов со­ вершенно безвредны, то в порошкообразном почти все порошко­ вые металлы в той или иной степени токсичны. Например, ни­ кель в компактном состоянии не токсичен, а в порошкообразном состоянии, попадая в организм человека, вызывает резкие болез­ ненные изменения состава крови. Поэтому при использовании металлических порошков необходимо применять средства, обес­ печивающие безопасность работы.