книги / Нанотехнологии и специальные материалы

нах частиц и на ’’свободных, активных” поверхностях пора —ме­ талл. При этом кинетика и механизм спекания зависят от геомет­ рии частиц, их структурного состояния и характеризуются боль­ шой скоростью изменения формы частиц от неправильной к рав­ ноосной, что сопровождается большой скоростью усадки.

На втором этапе спекания поры могут рассматриваться как совокупность непзомерных включений пустот, следовательно, уменьшение объема каждой поры на этом этапе может происхо­ дить независимо, и пористая матрица в процессе спекания ведет себя как вязкая среда.

Последний этап характеризуется ’’залечиванием” дефектов. При этом ’’залечивание” отдельной поры осуществляется путем ее диффузионного растворения в матрице, а между порами проис­ ходит диффузионное взаимодействие, которое приводит к коалесценции пор. Уменьшение поверхности пор в этом случае про­ исходит при неизменном их суммарном объеме.

Влияние среды спекания на структуру и свойства спечен­ ных изделий. Отличительной особенностью порошковых мате­ риалов является их высокая активность. В связи с тем что час­ тицы порошков всегда покрыты пленкой оксидов, а при спека­ нии их окислительная способность повышается, каждый процесс тепловой обработки порошковых изделий должен производиться в восстановительных или нейтральных средах. Выбор среды спекания определяется природой металла, режимом спекания (температурой и временем), назначением изделий. Если при спе­ кании компоненты порошковой смеси не склонны к окислению при высоких температурах (порошки благородных металлов), или частицы порошков покрыты устойчивой к окислению ок­ сидной пленкой (порошки алюминия), или, наконец, сами по­ рошки представляют собой оксиды, устойчивые при данных тем­ пературах спекания (порошки ферритов, силицидов и т. и.), то спекание может проводиться без применения специальных за­ щитных сред в обычной воздушной атмосфере. Во всех остать ных случаях спекание необходимо проводить в контролируемой (защитной) среде.

Наилучшей средой, обеспечивающей высокие свойства спе­ каемых изделий, является вакуум. При спекании в вакууме соз­ даются благоприятные условия для рафинирования порошковых компонентов (удаления газов, диссоциации оксидов и т. п.), 6о лее полного и быстрого спекания. По сравнению с другими сре­ дами при спекании в вакууме (особенно после низких давлений прессования) происходит значительное повышение плотности, в результате чего достигаются высокие механические свойства из делия. Однако промышленное использование вакуума связано с

некоторыми трудностями, поэтому спекание в вакууме применя­ ется тогда, когда газовые или другие защитные среды не обеспе­ чивают получения необходимых физико-химических или механи­ ческих свойств изделий.

Практика спекания порошковых материалов. Спекание — одна из наиболее трудоемких технологических операций в по­ рошковой металлургии. В связи с малой прочностью прессован­ ных заготовок все подготовительные операции перед спеканием производятся с большой осторожностью во избежание осыпания граней, разрушения тонких перемычек, резких переходов, а так­ же разрушения всего изделия. Производится спекание в любых печах, обеспечивающих необходимую температуру и среду спека­ ния. В зависимости от состава и назначения заготовки пересыпа­ ются слоем порошка прокаленного оксида алюминия, графитовой крупки, кварцевым песком. Применение засыпок не только пре­ дохраняет от припекания, но и способствует более равномерном}' прогреву изделий, а также защищает от окисления, выгорания углерода и легирующих элементов. Для усиления защитной спо­ собности часто к ним добавляют активные вещества — геттеры (губку или порошок титана, порошки хрома, феррохрома, фер­ росилиция и т. п.), которые, окисляясь, предохраняют от окис­ ления спекаемые изделия.

6.7. МАТЕРИАЛЫ, ПОЛУЧЕННЫЕ МЕТОДАМИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ

В зависимости от плотности и назначения порошковые мате­ риалы подразделяются на две группы. К первой относятся плот­ ные материалы, обладающие минимальной пористостью, изготов­ ленные на базе порошков железа, меди, никеля, гитана, алюми­ ния и их сплавов. Ко второй — пористые материалы, в которых после окончательной обработки сохраняется свыше 10—15 % пор по объему. Первая группа материалов нашла широкое примене­ ние в машино- и приборостроении при изготовлении аппаратов низкотемпературной и пищевой промышленности, в автомобиль­ ной и авиационной технике и других отраслях оборонного и об­ щегражданского производства. Высокая пористость материалов второй группы обеспечивает приобретение ими специальных свойств и позволяет применять их для изготовления специальных изделий (изделий антифрикционного назначения, фильтров, де­ талей охлаждения и т. п.). При производстве этой группы дета­ лей применяются железографитовые материалы, бронзы, нержа­ веющие стали.

Особое значение имеют инструментальные порошковые мате­ риалы. К их числу относятся порошковые быстрорежущие стали, карбндостали, твердые сплавы, материалы на основе сверхтвер­ дых соединений (нитридов, борндов и т. д.) и алмазные мате­ риалы.

6.7.1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Конструкционные порошковые материалы на основе ж елеза.

Все материалы на основе железа делятся на:

—стали малоуглеродистые, углеродистые и медистые; —стали никельмолибденовые, медноникелевые, медноникель-

молибденовые; —стали хромистые, марганцовистые, хромоникельмарганцо-

вистые; —стали коррозионностойкие.

Конструкционные порошковые стали — это спеченные мате­ риалы, используемые для замены литых и кованых сталей при изготовлении деталей машин и приборов методами порошковой металлургии. Условное обозначение таких материалов состоит из букв и цифр, например: сталь порошковая конструкционная мед­ ноникелевая со средней массовой долей углерода 0,4 °/ никеля 2 %, меди 2 % и минимальной плотностью 6,4 г/см3 в соответ­ ствии с ГОСТ 28378—89 будет иметь следующее обозначение: ПК40Н2Д2-64.

Буквы в марке стали указывают: П —на принадлежность ма­ териала к порошковому, К — на назначение материала (конст­ рукционный), остальные буквы и цифры — на содержание тех или иных легирующих элементов (Д — медь, X — хром, Ф — фосфор, К —сера, М —молибден, Г —марганец, Т —титан, Н — никель). Основу материала — железо — в обозначении марок не указывают. Цифры, стоящие за буквами Г1К, указывают на сред­ нюю массовую долю углерода в сотых долях процента. Массовую долю углерода, равную 1 %, в обозначении марки материала также не указывают. Цифры, стоящие за остальными буквами, означают содержание легирующих элементов в процентах; отсут­ ствие цифры указывает на то, что массовая доля легирующего элемента не превышает одного процента.

Основой порошковых сталей служит железо, свойства кото­ рого при спекании оказывают большое влияние на формирование структуры и свойств стали. Наряду с порошковыми сталями по­ рошковые изделия могут изготавливаться на основе одного же­ лезного порошка, а также железа, легированного другими эле­ ментами.

Применение в качестве исходного материала чистого железно го порошка при изготовлении конструкционных деталей ограни­ чено из-за низких прочностных свойств спеченного железа. В ос­ новном оно применяется для изготовления ненагруженных дета­ лен, различных уплотнительных изделии и т. п. Свойства таких изделий зависят от их плотности, величины и характера межчас­ тичных границ, метода получения порошка, гранулометрическо­ го состава, удельной поверхности частиц, внутренней их рых­ лости, технологии прессования (величины давления и скорости прессования), кратности прессования, температуры и времени спекания.

Для получения практически беспористых изделий с повышен­ ными механическими свойствами применяют горячее изостатическое прессование — экструзию, динамическое горячее прес­ сование.

В связи с низкой прочностью и твердостью спеченного железа для повышения его механических свойств в железный порошок при приготовлении порошковой смеси вводят легирующие добав­ ки (фосфор, медь, хром, никель, молибден), а спеченные изделия подвергают химико-термической обработке: азотированию, суль­ фидированию, хромированию.

Широкое применение нашли железоникелевые и железоникельмедные сплавы. Присадка к чистому железу 5 % никеля по­ вышает прочность и твердость материала, оставляя его пластич­ ность практически без изменений. При одновременном легирова­ нии никелем и медью (Ni — 4 % и Си — 2 %) прочность на разрыв образцов с пористостью 10 % достигает 400—420 МПа, удлинение 7—8 %, твердость 120—127 НВ.

Для повышения прочности и твердости спеченных железных изделий основная масса порошковых материалов на базе железа дополнительно легируется углеродом, под действием которого спеченное железо приобретает способность закаливаться и во много раз повышать свою твердость и прочность. В железный порошок углерод вводят в виде графита, сажи или чугунного по­ рошка.

Основные марки порошковых конструкционных сталей при­ ведены в табл. 6.5.

Стали порошковые высокопрочные конструкционного на­ значения. Методы порошковой металлургии позволяют получать высокопрочные мартеиситностареющие стали, не уступающие по прочности полученным традиционными методами. Введением в них повышенного содержания титана —до 2—3 % (мае.) можно увеличить их прочность до 2000 МПа при относительном уд лпнении 2—3 %. Все мартеиситностареющие порошковые стали

Химический состав (% мае.) конструкционных материалов на основе железа по ГОСТ 28378—89

характеризуются низким содержанием кремния и марганца (в сумме ие более 0,2 %, причем допустимое содержание каждого не должно превышать 0,12 %), низким содержанием серы и фосфо­ ра (не более 0,01 % каждого). Составы наиболее широко приме­ няемых порошковых мартенситностареюшнх сталей приведены в табл. 6.6.

Получают высокопрочные мартенситностареющие стали спе­ канием при температуре 1200—1300 °С в течение 3—4 ч. Дальней­ шее повышение механических свойств может достигаться путем

Состав наиболее распространенных мартенситностареющих порошковых сталей

холодной пластической деформации (степень деформации 80— 90 %) с последующим старением при 400—500 °С, а также сочета­ нием закалки, пластической деформации и старения.

Среда при спекании, термическая обработка (закалка, ста­ рение) определяются составом стали. Стали, содержащие ти­ тан, могут обрабатываться только в очищенном аргоне или ва­ кууме.

Материалы конструкционные порошковые на основе цвет­ ных металлов. Из цветных порошковых сплавов наибольшее зна­ чение имеют полученные на основе меди, алюминия и титана; реже применяют материалы на основе циркония, бериллия, ура­ на, тория и других металлов.

Цветные порошковые материалы различаются по плотности, составу, структуре и методу производства. Они могут быть ком­ пактными и пористыми; по химическому составу — идентичны­ ми литым и такими, производство которых возможно только ме­ тодами порошковой металлургии. Изделия из этих материалов получают методами холодного статического прессования и спе­ кания, горячим прессованием или горячей штамповкой. В зави­ симости от состава и структуры эти материалы обладают высо­ кой тепло- и электропроводностью, коррозионной стойкостью, могут быть немагнитными, хорошо обрабатываются резанием и давлением. Марки и химический состав конструкционных по­ рошковых материалов на основе цветных металлов приведены в табл. 6.7

Марки этих материалов обозначаются сочетанием букв и цифр. Первый буквенный индекс указывает на класс материала: Ал —алюминий, Бе —бериллий, В —вольфрам, Г —марганец,

Д—медь, Ж —железо, Л —латунь, М —молибден, Н —никель,

О— олово, П —фосфор, С — кремний, Св — свинец, Ср — се­ ребро, Т —титан, Ф —ванадий, X —хром, Ц —цинк, Цр —цир­ коний. Второй буквенный индекс (П) означает, что материал по­ лучен методом порошковой металлургии. Следующие после этого индексы-буквы соответствуют легирующим компонентам, а циф­ ры после них — среднему содержанию компонента в процентах. Отсутствие цифр означает, что содержание компонента составля­ ет не более 1 %. Число после дефиса —плотность материала.

ТАБЛИЦА 6.7

Марки и составы основных конструкционных порошковых материалов на основе цветных металлов

Изделия из порошковых бронз и латуней нашли широкое применение в электротехнической промышленности в качестве электроконтактных изделий, в узлах трения —антифрикционных изделии.

6.7.2. ФИЛЬТРУЮЩИЕ ПОРИСТЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Порошковые проницаемые материалы занимают особое место в общей номенклатуре изделий порошковой металлургии. Они применяются для фильтрации газов и жидкостей при низких и повышенных температурах, в устройствах для капиллярного транс порта жидкостей —тепловых трубах, при испарительном охлаж­ дении, в гидравлических уплотнениях затворов, при уплотнении различного рода соединений.

Особенностью этой группы материалов является возможность получения строго заданной регулируемой пористости, так как ее величина, размеры и форма пор, их распределение определяют эффективность использования изделий из таких материалов.

В зависимости от области применения пористые материалы могут быть разделены на четыре основные группы:

1) высокопористые декоративные, используемые для изготов­ ления медалей, монет, бижутерии, прокладок, шайб, уплотнений

итермоизоляции;

2)газо- и жидкостнопроницаемые, используемые для сепара­ ции и разделения газов и жидкостей, смешивания и распыления жидкостей, суспензий твердой и жидкой фаз;

3)фильтрующие, способные частично или полностью отфильт ровагь твердые частицы различных размеров в газах и жидко­

стях; 4) антифрикционные, способные удерживать жидкость в по­

рах.

Форма пор в подобных изделиях может быть самой разнооб­ разной —от глобулярной равноосной до щелевидной с различны­ ми соотношениями осей и неправильной с разветвленными края ми. Определение размеров пор и их распределения по объему изделия может производиться как металлографическим способом, так и ртутной порометрией.

Металлонорошковые фильтры лучше задерживают мелкие частицы, не горят, не рвутся, более прочны и эластичны, лучше сопротивляются механическим и термическим ударам, воздейст­ вию взрывной волны. К числу положительных сторон их исполь­ зования также относятся простота эксплуатации, возможность бы строй регенерации фильтра. Основные рекомендации по примене­ нию порошковых фильтрующих материалов даны в табл. 6.8.